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WO2024156842A1 - Apparat und verfahren zur simultanen behandlung verschiedener schwankender gasströme in bereich der methanisierung - Google Patents

Apparat und verfahren zur simultanen behandlung verschiedener schwankender gasströme in bereich der methanisierung Download PDF

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Publication number
WO2024156842A1
WO2024156842A1 PCT/EP2024/051850 EP2024051850W WO2024156842A1 WO 2024156842 A1 WO2024156842 A1 WO 2024156842A1 EP 2024051850 W EP2024051850 W EP 2024051850W WO 2024156842 A1 WO2024156842 A1 WO 2024156842A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
line
membrane
feed
retentate
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/051850
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Priske
Florian Winkler
Original Assignee
Evonik Operations Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Operations Gmbh filed Critical Evonik Operations Gmbh
Publication of WO2024156842A1 publication Critical patent/WO2024156842A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/225—Multiple stage diffusion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C1/00—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon
    • C07C1/02—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon
    • C07C1/12—Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon from carbon dioxide with hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00—Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/144—Purification; Separation; Use of additives using membranes, e.g. selective permeation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/22—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/24—Hydrocarbons
    • B01D2256/245—Methane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/702—Hydrocarbons
    • B01D2257/7022—Aliphatic hydrocarbons
    • B01D2257/7025—Methane

Definitions

  • the present invention relates to a new apparatus and a method for the simultaneous separation of several gas streams with different compositions by means of gas separation membranes, wherein the gas streams fed to the apparatus or the method can be subject to fluctuations in their respective volume flows and compositions and at least one of the fed streams contains CO2 and at least one further stream is taken from the output stream of a methanation and contains methane as well as residues of hydrogen.
  • Methanization is the conversion of hydrogen (H2) with carbon dioxide (CO2) to methane (CH4). This conversion allows CO2 to be returned to the chemical cycle and is therefore interesting for sustainability reasons.
  • the hydrogen required for methanation can come from various sources.
  • hydrogen When hydrogen is provided by hydrogen electrolysis, the hydrogen can be obtained particularly cost-effectively from temporarily surplus and therefore particularly cost-effective electricity, and on the other hand, particularly sustainably from electricity from renewable sources such as hydropower. In both cases, fluctuating amounts of hydrogen are produced.
  • a fluctuating amount of hydrogen is fed to a methanation step, e.g. because the effort required to completely level the feed quantity is too high, this has an impact on the demand, i.e. the amount of CO2 fed to the methanation. Furthermore, the amount and/or composition of the withdrawal stream from the methanation step fluctuates.
  • WQ2015 / 0I7875 describes a process in which the product gas stream of a biogas plant, which contains CO2 and CPU and fluctuates in its quantity and volume, and a hydrogen stream are fed to a methanation plant, and the product gas stream from the methanation plant is then separated using membrane separation.
  • Membrane separation separates unreacted hydrogen or unreacted CO2 from the target product methane.
  • a fluctuating feed quantity for methanation means that the feed quantity of methanized gas for the membrane-based gas separation is also subject to fluctuations.
  • US 2020/0254383 discloses a system for separating gas mixtures that has only one feed gas line. This system is not able to treat two different, fluctuating gas streams with different compositions and volume flows efficiently and without complex control and regulation technology.
  • the object of the present invention was therefore to provide a new apparatus and a new method which do not have the disadvantages of the apparatus and methods of the prior art or only have them to a reduced extent.
  • a specific object of the present invention was to provide a new apparatus and a new method in which the treatment of fluctuating gas streams in processes in which both a product stream of a methanation reactor containing CPU and H2 and another gas stream containing CO2 have to be separated can be achieved with an apparatus or a simple method that is as simple as possible, preferably with as reduced excess capacities as possible with regard to membrane area and/or gas storage and/or compressor performance and/or temperature control and/or pressure control.
  • a further specific object of the present invention was to provide a new apparatus and a new method which does not require complex control and regulation technology.
  • a further specific object of the present invention was to provide a new apparatus and a new process which has a very high flexibility with regard to the use of the gas streams obtained after the separation.
  • a further specific object of the present invention was to provide a new apparatus and a new method which is suitable for the use of renewable energies which are only available in strongly fluctuating quantities and thus to make a contribution to climate protection.
  • a further specific object of the present invention was to provide a new apparatus and a new process which allow gas flows which may fluctuate strongly in opposite directions to be brought to the desired target purities of the respective product flows for as many operating points as possible using an apparatus which is as simple as possible.
  • a further specific object of the present invention was to provide a new apparatus and a new process which allow product gas streams of a methanation which vary in their composition and/or volume to be separated more efficiently than prior art processes, while at the same time high methane purities and methane yields in the methane product stream should be achievable.
  • the apparatus and system according to the invention should make it possible to convert the raw gas stream containing CO2 and the stream resulting from methanation into methane-enriched product streams with a constant methane yield and purity over a wide range of volume flow fluctuations. Both the methane yield and the methane purity of the methane-enriched product stream should be adjustable as required.
  • the apparatus and the method according to the invention are characterized in that two or more feed gas streams which differ in their composition are fed to a membrane separation stage, wherein the first feed gas stream contains CO2 and a second feed gas stream is a withdrawal stream from a methanation step which differs in its composition from the first feed gas stream and which contains, in addition to methane, unreacted hydrogen and/or CO2,
  • the membrane separation stage contains one or more membrane blocks, the membrane block or the membrane blocks each comprise/comprise a plurality of membrane separation units connected in parallel, the feed gas streams are fed to a gas distribution at spatially separated locations, so that two or preferably more than two membrane separation units are arranged between the connection points of the feed gas streams.
  • membrane separation units of the membrane block that are different from the previously mentioned membrane separation units can also be supplied with mixed gas streams containing, preferably consisting of, a mixture of the feed gas streams 1 and 2 by the gas distribution system according to the invention.
  • mixed gas streams containing, preferably consisting of, a mixture of the feed gas streams 1 and 2 by the gas distribution system according to the invention.
  • membrane separation units of the membrane block are supplied with mixed gas streams and as many as possible are supplied with either feed stream 1 or feed stream 2.
  • the gas distribution system according to the invention can be used to set or actively control or regulate the number of membrane separation units to which the different gas streams are fed.
  • the setting is made by the volume flow or mass flow of the respective feed gas streams and/or by the inlet pressure of the feed gas streams relative to one another. This means, for example, that if the volume flow and/or mass flow and/or pressure of a feed gas stream decreases, it is fed to fewer membrane separation units in the respective membrane blocks and at the same time another feed gas stream is fed to more membrane separation units.
  • the range of differential pressure between the feed gas streams that can be used according to the invention is limited to differential pressures which result in each feed gas stream being fed to at least one membrane separation unit of the membrane block. If the differential pressure becomes too great, the feed gas stream with the lower pressure could be completely displaced from the membrane separation stage.
  • the apparatus and the method according to the invention have the advantage that they react flexibly and quickly when the capacity requirements of the feed gas streams to be separated are in conflict and that the separation capacities in the separation stages and membrane blocks can always be used optimally.
  • a particularly great advantage of the The advantage of the apparatus according to the invention and the method according to the invention is that the control and regulation can be achieved without great expenditure on equipment and control technology, such as a large number of automatic valves, and more of one feed gas stream can be treated than another feed gas stream.
  • the gas distribution system according to the invention also has the advantage that it can be designed in such a way that the gas streams to be purified can be fed to the respective membrane separation units without or with only a slight mixing. This enables the various membrane separation units to be fed with feed gas streams to be separated in their original or largely original composition. Such a system in turn has the advantage that different feed gas streams can be treated largely separately within one and the same installation.
  • the apparatus and the method according to the invention do not require any complex additional equipment or use significantly less or smaller additional equipment, such as buffer tanks and/or pressure reservoirs to absorb fluctuations in the different gas flows to be purified. They therefore have considerable economic advantages.
  • the apparatus and the method according to the invention are particularly characterized by the fact that these fluctuations can be compensated with minimal equipment expenditure, so that constant product flows can be obtained in terms of their volume flow and/or composition.
  • the separation capacity of the first membrane separation stage would have to be adjusted. Possible measures would be to switch off membrane separation units using valves, adjust the operating temperature, increase the permeate pressure or reduce the retentate pressure. A reduction in the retentate pressure could still be implemented with relatively little effort, but a drop in the pressure of the retentate gas flows would often make a second compression unit, preferably a second compressor or booster, necessary to recompress the retentate gas flows, since a constant pressure of the retentate gas flows is often required when the retentate is used further.
  • a second compression unit preferably a second compressor or booster
  • the apparatus and method according to the invention are particularly advantageous for increasing the use of renewable energies, since these are often only available in strongly fluctuating quantities. They therefore make an important contribution to climate protection.
  • the present invention relates to a plant for separating gas mixtures, comprising a. a first feed gas line (7) which is suitable or designed to transport a first feed gas stream which contains CO2, and a second feed gas line (8) which is suitable or designed to transport a second feed gas stream which differs in composition from the first feed gas stream and contains CH4 and H2 and/or CO2, b.
  • a membrane separation stage comprising a membrane block (1) or several membrane blocks (1), wherein the membrane block (1)/the membrane blocks (1) each comprise/comprise several membrane separation units (2) connected in parallel, wherein o each membrane separation unit (2) has a gas inlet (3) or several gas inlets (3) and gas separation membranes and separates the gas mixture supplied through the gas inlet (3) or the gas inlets (3) by means of the gas separation membranes into a retentate gas stream or several retentate streams and a permeate gas stream or several permeate gas streams, and o each membrane separation unit (2) has a retentate gas outlet (30) or several retentate gas outlets (30) for the retentate gas stream or the retentate streams, which are each preferably connected to a retentate gas line (9) or by means of one or more retentate connection line(s) (32) is connected to one or two retentate gas outlets (30) of the adjacent membrane separation unit(s) (2) of the same membrane block (1), and has a permeate gas outlet (31) or several perme
  • connecting lines (18) which each connect the gas inlets (3) of two adjacent membrane separation units (2) of a membrane block (1), preferably directly and immediately, to one another, and/or one or more distribution lines (4), each containing a plurality of branches (5), each connected by means of separate supply lines (6) to the Gas inlets (3) of the individual membrane separation units (2) of a membrane block (1), wherein one or more branches (5) can additionally also have a connection option for a feed gas line, so that by means of the branch(s) (5) a feed gas line and a supply line (6) can be connected to the respective distribution line (4) at the same time,
  • the membrane separation stage comprises several membrane blocks (1), it comprises pipes, preferably pipes (19a, 19b, 20a, 20b) which connect the membrane blocks (1) of the membrane separation stage to one another,
  • the downstream ends of the first feed gas line (7), the second feed gas line (8), and optionally further feed gas lines, independently of one another, at spatially separate locations, are each connected to a distribution line (4) or a connecting line (18) or a branch (5), or, if present, to a pipeline that connects the membrane blocks (1) of the membrane separation stage to one another, preferably a pipeline (19a, 19b, 20a or 20b), or to a gas inlet (3) of a membrane separation unit (2), preferably immediately and directly, wherein the connection points are arranged such that two or more than two branches (5) and/or two or more than two gas inlets (3) are arranged between the connection points of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8), which is characterized in that it comprises a methanation reactor (34), a hydrogen source with a hydrogen line (35) and a gas source for a gas stream containing CO2 with a raw gas line (36) and that the upstream end of the first feed gas line (7) is connected to the raw gas line (3
  • the number of branches (5) and/or gas inlets (3) between the connection points of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) is preferably at least 3, particularly preferably at least 4, very particularly preferably at least 5, especially preferably at least 7 and very particularly preferably at least 9.
  • the upper limit can, for example, correspond to the number of membrane separation units per block, but can also increase further with several membrane blocks per membrane separation stage, as shown, for example, in Figures 4a and 5a.
  • the connection points of the feed gas lines are preferably arranged spatially such that two or more than two branches (5) and/or two or more than two gas inlets (3) are arranged between the connection points of two feed gas lines in each case. Examples of this can be found in Figures 4 to 9.
  • a “line” is understood to mean pipes through which gas streams flow.
  • a pipeline which is immediately and directly connected to another pipeline means that a gas stream, at the moment it exits from the first of the two immediately and directly connected pipelines, enters the second of the immediately and directly connected pipelines, i.e. no third pipeline has to pass between the first and second pipelines.
  • a membrane separation unit is essentially characterized by the presence of technically usable connections for the pressure-side supply of a gas stream to be separated (gas inlet (3)), the so-called feed or feed stream or feed gas or feed gas stream, to the membrane material and for the discharge of gas(es) on the pressure side (retentate gas outlet (30)), the so-called retentate or retentate gas or retentate gas stream or retentate stream, and for the discharge of gas(es) which has/have permeated through the membrane material (permeate gas outlet (31) or permeate gas outlets (31a) and (31b)), the so-called permeate or permeate gas or permeate gas stream or permeate stream.
  • the membrane separation units (2) according to the invention preferably have a permeate gas outlet (31).
  • This permeate gas outlet (31) is particularly preferably arranged on the membrane separation unit (2) in such a way that the permeate is removed from the membrane separation unit (2) in countercurrent, i.e. the permeate gas outlet (31) is preferably arranged close to the feed gas inlet (3).
  • Membrane separation units (2) which have two permeate gas outlets (31 a) and (31 b) can also preferably be used in the systems and the process of the present invention. These permeate gas outlets (31 a) and (31 b) are particularly preferably arranged on the permeate side of the membrane separation unit (2) in such a way that the permeate is discharged at two significantly different positions of the Membrane separation unit (2).
  • the permeate gas outlets (31 a) and (31 b) are very particularly preferably arranged on the membrane separation unit (2) in such a way that part of the permeate is removed via permeate gas outlet (31 a) predominantly in countercurrent and close to the feed gas inlet (3) and the other part is removed via permeate gas outlet (31 b) predominantly in cocurrent and close to the retentate gas outlet (30).
  • the permeate stream which is removed near the retentate gas outlet (30) via permeate gas outlet (31 b) predominantly in cocurrent is referred to in the present invention as retentate permeate.
  • the retentate permeate generally has a lower purity of the fastest permeating component or of the faster permeating component which dominates in terms of concentration compared to the permeate which is removed in countercurrent via permeate gas outlet (31 a).
  • the permeate from the permeate gas outlet (31 a) and the retentate permeate from the permeate gas outlet (31 b) can be further processed independently of each other. An example of this is shown in Figure 15.
  • a housing equipped with a gas separation cartridge or several gas separation cartridges connected in series wherein in the embodiment with several gas separation cartridges connected in series the membrane separation unit is preferably designed such that either the retentate gas outlet of the respective gas separation cartridge is directly linked to the gas inlet of the respective downstream gas separation cartridge by means of a gas line and the permeates of all gas separation cartridges are generated in a directly communicating gas space, e.g. the housing space, or the retentate gas outlet of the respective gas separation cartridge is linked to the gas inlet of the respective downstream gas separation cartridge by means of a communicating gas space, e.g. the housing space, and each cartridge has a permeate collection pipe which is directly linked to the permeate collection pipe of the respective downstream gas separation cartridge by means of a gas line is
  • serially connected housings equipped with a gas separation cartridge or several serially connected gas separation cartridges, each individual housing preferably being designed as described for embodiment B. and the serially connected housings being designed such that the retentate gas outlet of the respective housing is connected to the gas inlet of the respective downstream housing is directly linked by means of a gas line and the membrane separation unit is designed in such a way, e.g. by means of a permeate pipe of the respective membrane separation unit, that the permeates of all housings of the membrane separation unit are brought together.
  • Gas separation modules differ from gas separation cartridges in that they represent a complete separation unit, including a pressure-resistant housing.
  • Cartridges are used in separate, pressure-resistant housings, preferably in housings that are permanently installed in the separation system.
  • One cartridge or several cartridges connected in series can be used in the housing.
  • Cartridges have the advantage that their replacement costs are lower than with modules, since the expensive, pressure-resistant housing does not have to be replaced.
  • cartridges or modules While small-volume cartridges or modules are generally used in the field of biogas processing, large-volume cartridges or modules are required in the field of natural gas purification, for example, in order to be able to handle large gas quantities. In addition, cartridges and modules are required in this area of application that can be used at higher feed gas pressures, preferably from 30 to 100 bar.
  • Gas separation modules and cartridges can contain flat membranes that are, for example, wound around a centrally located permeate tube.
  • cartridges or modules containing hollow fiber membranes There are also cartridges or modules containing hollow fiber membranes. Examples of this can be found in US 3422008, US 3455460, US 3475331 , US 4207192, US 4210536, US 4220489, US 4430219, US 4631128, US 4715953, US 4865736, US 4881955, US 5084073, US 5160042, US 5299749, US 5411662, US 5702601 , US 5837032, US 5837033, US 5897729, US 7410580, US 7998254, US 8747980, US 8778062.
  • the content of these publications is hereby explicitly included in the content of this description.
  • a membrane separation stage according to the invention comprises a "membrane block" or several "membrane blocks", whereby the membrane block or the membrane blocks in turn each comprise several membrane separation units connected in parallel.
  • each membrane block of a membrane separation stage according to the invention comprises at least two, particularly preferably more than 5, very particularly preferably more than 10 membrane separation units.
  • the number of membrane separation units per membrane block depends on the gas sources and in particular the gas volume to be processed. The use of several hundred membrane separation units is possible in the field of gas separation with membranes.
  • the system according to the invention also comprises a "gas distribution".
  • the gas distribution is preferably designed such that the feed gas streams are supplied to the membrane separation units of the membrane block or the respective membrane blocks by means of the gas distribution in such a way that they flow towards one another in a pipeline within a membrane block and/or flow towards one another in one or more pipelines that connect the membrane blocks of a membrane separation stage to one another.
  • Flowing towards each other in a pipeline includes the following embodiments (non-exhaustive list): two gas streams flow towards each other in one and the same pipe, two connecting lines are connected to a gas inlet of a membrane separation unit, a membrane block, a membrane separation stage according to the invention.
  • Two feed gas streams flow towards each other through the two connecting lines and meet in the gas inlet in a distribution line according to the invention that contains branches, two feed gas streams flow towards each other and meet between two branches or at a branch, in a gas line according to the invention that connects several membrane blocks of a membrane separation stage to each other and therefore has branches to the respective membrane blocks, two feed gas streams flow towards each other and meet between two branches or at a branch.
  • the feed gas streams are fed to the membrane separation units of the membrane block or the respective membrane blocks by means of the gas distribution in such a way that at least two membrane separation units of a membrane block, particularly preferably at least two membrane separation units of several membrane blocks of a membrane separation stage, very particularly preferably at least two membrane separation units in all membrane blocks of a membrane separation stage, are each fed gas streams that differ in their composition.
  • connection points of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) are therefore particularly preferably spatially arranged independently of one another in such a way that the first feed gas stream and the second feed gas stream flow towards one another within a membrane block (1) or several membrane blocks (1) of the membrane separation stage, preferably in one or more distribution line(s) (4) and/or in connecting line(s) (18) and/or within the pipeline or pipelines that connect the membrane blocks (1) of the membrane separation stage to one another, preferably within the pipeline or pipelines (19a, 19b, 20a, 20b), and/or that in one membrane block (1), preferably in several membrane blocks (1), particularly preferably in all membrane blocks (1), of the membrane separation stage, at least two different membrane separation units (2) are supplied with gas streams that differ in their composition.
  • the gas distribution according to the invention is preferably designed in such a way that the feed gas streams flow towards one another as described above, so that there are contact points in the system according to the invention at which the feed gas streams supplied to the gas distribution meet one another. At these contact points, a certain amount of mixing of the feed gas streams can occur. According to the invention, the mixing should preferably be able to be largely prevented and/or regulated. This can be done by suitable, additional design measures of the system according to the invention at the potential contact points. Preferred design measures are reducing the line cross-sections and/or lengthening the line sections and/or introducing static mixers and/or using pigs in the gas lines. Passive pigs can be used, i.e.
  • pigs whose position in the gas distribution lines is controlled by the properties of the feed gas streams e.g. their pressure or volume flow
  • actively controlled pigs i.e. pigs whose position in the gas distribution lines is determined, e.g. by means of a magnet, independently of the properties of the feed streams.
  • Passive pigs are preferred.
  • the permeate streams generated in the membrane separation units of a membrane block can be completely combined to form a permeate gas stream and then removed, further processed or discarded, or partially combined to obtain several permeate gas streams which are then independently removed, further processed or discarded, or partially combined to obtain one or more permeate gas stream(s) which are then independently is/are removed, further processed or discarded, and some are removed, further processed or discarded individually, or all are removed, further processed or discarded individually.
  • the permeate gas streams are preferably combined in such a way that the number of permeate gas streams obtained corresponds to the number of feed gas streams and the composition of the permeate gas streams is as different as possible.
  • all permeate gas streams from the membrane separation units of a membrane block to which an identical feed gas stream was supplied are combined. This leads to permeate gas streams that are as different as possible, as will be shown in Examples 1 and 2.
  • the permeate streams obtained in these membrane separation units are preferably divided and the partial streams are each combined with one of the previously described permeate gas streams obtained from the membrane separation units to which a pure feed gas stream was supplied, as will be shown in Example 2.
  • Further processing in the apparatus according to the invention and in the method according to the invention also includes further processing within the apparatus or the method.
  • downstream separation stages either several permeate or retentate streams can be fed to the upstream separation stage separately from one another, or only one permeate or retentate stream can be fed to a downstream separation stage as a feed stream or a feed stream combined from several permeate or retentate streams from the upstream separation stage.
  • CO2-rich permeate or retentate streams are particularly preferably returned to the first feed gas line (7) or to the first feed gas stream, particularly preferably to a compression unit P arranged upstream of the first feed gas line (7) or in the first feed gas line (7).
  • the system according to the invention therefore comprises one or more compression unit(s) P.
  • the compression unit(s) P are particularly preferably arranged upstream of the feed gas line (7), very particularly preferably upstream of the branching point of the partial flow line (37) from the feed gas line (7), or arranged in the feed gas line (7) downstream of the branching point of the partial flow line (37) from the feed gas line (7), in which case a further compression unit P is preferably arranged in the partial flow line (37) and/or in the hydrogen line (35).
  • the membrane separation stage according to the invention contains a membrane block (1) or several membrane blocks (1), each with a distribution line (4) with several branches (5) and feed lines (6), wherein a feed line (6) connects a branch (5) to a gas inlet (3) of a membrane separation unit (2), and the downstream ends of the first feed gas line (7) and second feed gas line (8) are connected separately and independently of one another, preferably at points as far apart as possible in terms of flow path, to the distribution line(s) (4) and/or Branches (5), particularly preferably connected to the opposite ends of the distribution line(s) (4).
  • FIG. 1 An example of this first preferred embodiment of the system or method according to the invention is shown in Figure 1.
  • This comprises a membrane block (1) comprising several membrane separation units (2i) to (2 n ) connected in parallel, where the index n corresponds to the consecutive number and the number n corresponds to the number of membrane separation units connected in parallel of the membrane block (1), each with a gas inlet (3i) to (3 n ).
  • the gas inlets (3i) to (3 n ) of the membrane separation units (2i) to (2 n ) are connected to one another by means of a gas distribution according to the invention.
  • the gas distribution comprises a distribution line (4) with several branches (5), feed lines (61) to (6 n ) which connect the respective branches (5) to the gas inlets (3i) to (3 n ) of the membrane separation units (2i) to (2 n ), and is designed in Figure 1 such that the downstream ends of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) are connected, separately from one another, to the respective opposite ends of the distribution line (4).
  • the downstream end of the first feed gas line (7) and/or the second feed gas line (8) can be connected separately from one another at another point to the distribution line (4) or a branch (5), with the connection points preferably being as far apart from one another as possible in terms of flow path.
  • the first feed gas line (7) and/or the second feed gas line (8) are each connected to one end of the distribution line (4).
  • the first and second feed gas streams which differ in their composition, flow towards one another in the distribution line (4) in the membrane block (1) according to the invention and meet there. Mixing of the gas streams only takes place at the point where the two gas streams meet.
  • the two gas streams in this example meet in the middle of the distribution line (4).
  • the first feed gas stream is fed to the membrane separation units (2i) and 22) and is separated there into retentate streams and permeate streams.
  • the second feed gas stream is fed to the membrane separation units (2 n -i) and (2 n ) and is separated there into retentate streams and permeate streams, which differ in their composition from the permeate and retentate gas streams generated in the membrane separation units (2i) and (22).
  • Further membrane separation units arranged in the middle of the membrane block (1) are fed a mixture of the first and second feed gas streams if necessary.
  • the point at which the two feed gas streams meet in the distribution line (4) shifts towards the end of the distribution line at which the first feed gas stream is fed.
  • the second feed gas stream is now fed to more membrane separation units and the first feed gas stream is fed to fewer membrane separation units.
  • the mixing of the feed gas flows is reduced to the desired level or prevented.
  • Passive pigs are preferably used.
  • the retentate streams from the membrane separation units (2i) to ( 2n ) are fed to a retentate gas collection pipe (11) in retentate gas lines (9i) to ( 9n ).
  • a first retentate gas stream enriched mainly with the retentate gas from the first feed gas stream, is obtained by means of an appropriately set withdrawal quantity, and is fed to a first retentate gas outlet (12).
  • a second retentate gas stream enriched mainly with the retentate gas from the second feed gas stream, is obtained, and is fed to a second retentate gas outlet (13).
  • the permeate streams from the membrane separation units (2i) to ( 2n ) are fed into permeate gas lines (10i) to (1on) in the membrane block (1) in Figure 1 to a permeate gas collection pipe (14).
  • a first permeate gas stream is obtained by appropriately adjusted withdrawal quantities, which is mainly enriched with the permeate gas from the first feed gas stream and is fed to the first permeate gas outlet (15).
  • a second permeate gas stream is obtained, which is mainly enriched with the permeate gas from the second feed gas stream and is fed to the second permeate gas outlet (16).
  • additional measures can also be taken in the retentate collection pipe (11) at the potential contact points of the retentate streams of the various Membrane separation units, in particular at the contact point where the retentate streams enriched mainly with the retentate gas of the first feed gas stream meet the retentate streams enriched mainly with the retentate gas of the second feed gas stream, are implemented in order to minimize or prevent mixing of the respective streams or to adjust the corresponding withdrawal quantities.
  • Suitable measures are reducing the line cross-sections and/or lengthening the line sections and/or using pigs, with actively controlled pigs preferably being used here.
  • additional measures can also be implemented in the permeate collection pipe (14) at the potential contact points of the permeate streams of the various membrane separation units, in particular at the contact point at which the permeate streams mainly enriched with the permeate gas of the first feed gas stream meet the permeate streams mainly enriched with the permeate gas of the second feed gas stream, in order to minimize or prevent mixing of the respective streams or to adjust the corresponding withdrawal quantities.
  • Suitable measures include reducing the line cross-sections and/or lengthening the line sections and/or using pigs, with actively controlled pigs preferably being used here.
  • the adjustment of the withdrawal quantities in the permeate or retentate streams can also be carried out, for example, via corresponding valves in the retentate gas lines (9) and/or the permeate gas lines (10) and/or the retentate collection pipe (11) and/or the permeate collection pipe (14) and/or the first retentate gas discharge line (12) and/or the second retentate gas discharge line (13) and/or the first permeate gas discharge line (15) and/or the second permeate gas discharge line (16) and/or in the embodiment described further below, the retentate connection lines (32) and/or the permeate connection lines (33).
  • Valves are preferably used for this purpose in one permeate and all retentate gas discharge lines or particularly preferably in all permeate and all retentate gas discharge lines.
  • Controllable valves are very particularly preferably used for this purpose in all permeate and all retentate gas discharge lines.
  • the membrane separation stage according to the invention contains a membrane block (1) or several membrane blocks, each with several connecting lines (18), which each connect the gas inlet (3) of a membrane separation unit (2) with the gas inlet(s) (3) of the membrane separation unit(s) (2) adjacent in the membrane block (1), and the downstream ends of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) are, separately and independently of one another, each connected to a gas inlet (3) of a membrane separation unit (2) or several gas inlets (3) of Membrane separation units (2) and/or connected to a connecting line (18) or several connecting lines (18).
  • FIG. 2 An example of this second preferred embodiment of the system and method according to the invention is shown in Figure 2.
  • the membrane block (1) shown there comprises several membrane separation units (2i) to (2 n ) connected in parallel, where the index n corresponds to the consecutive number and the number n corresponds to the number of membrane separation units of the membrane block (1) connected in parallel, each with a gas inlet (3i) to (3 n ).
  • the membrane separation units (2i) to (2 n ) are connected to one another by means of a gas distribution according to the invention.
  • the gas distribution comprises connecting lines (18) which each connect the gas inlet (3) of a membrane separation unit (2) with the gas inlets (3) of both adjacent membrane separation units or, in the case of the membrane separation units (2i) and (2 n ) arranged at the respective ends of a membrane block (1), with the gas inlet (3) of an adjacent membrane separation unit.
  • the downstream end of the feed gas line (7) in Figure 2 is connected to gas inlet (3i) and the downstream end of the feed gas line (8) is connected to gas inlet (3 n ). From there, the first and second feed gas streams are distributed through the connecting lines (18), flowing towards one another, to the membrane separation units arranged between the membrane separation units (2i) and (2 n ).
  • the membrane block according to Figure 2 corresponds to the membrane block in Figure 1 with the difference that the branches (5) of the system from Figure 1 are integrated into the gas inlets (3) in Figure 2.
  • feed gas line (8) are not connected to the gas inlets (3i) and (3 n ) of the membrane separation units (2i) and (2 n ), but instead to gas inlets of membrane separation units arranged therebetween, e.g. to the gas inlets (32) and/or (3 n -i).
  • the first feed gas stream would be passed on via a connecting line (18) from the gas inlet (32) to the gas inlet (3i) of the membrane separation unit (2i) and via another connecting line (18) to the gas inlet (3a) of the membrane separation unit (2s).
  • the first feed gas stream would therefore always be separated in membrane separation units (2i) and (22).
  • a further modification according to the invention of the embodiment according to Figure 2 is designed such that the downstream ends of the feed gas line (7) and/or the feed gas line (8) are not connected to the gas inlets (3i) or (3 n ) of the membrane separation units (2i) and (2 n ), but one or both feed gas lines are connected to the connecting line (18), e.g. feed gas line (7) can be connected to the connecting line (18) between the gas inlets of the membrane separation units (2i) and/or (2i).
  • embodiments of the apparatus and the method are preferred which produce as little mixing of the feed streams as possible in order to feed the individual membrane unit in the most original composition of the respective feed streams possible. Therefore, the mixing of the feed gas streams is preferably reduced or adjusted to the desired level at potential contact points of the feed gas streams by reducing the line cross-sections and/or lengthening the line sections of the connecting line (18) and/or introducing static mixers and/or using pigs between the different gas streams in the connecting line (18). Passive pigs are preferably used.
  • the system and the method according to the invention therefore particularly preferably comprise a membrane block (1) comprising a gas distribution, wherein the gas distribution in the respective membrane block (1) comprises connecting lines (18), which each connect a gas inlet (3) of a membrane separation unit (2) with the gas inlet(s) (3) of the adjacent membrane separation unit(s) (2) in the membrane block (1).
  • the downstream ends of the feed gas lines are separate and independent of one another, each connected to a gas inlet (3) of a membrane separation unit (2) or several gas inlets (3) of membrane separation units (2) and/or to a connecting line (18) or several connecting lines (18).
  • the two feed gas streams are then preferably fed to the individual membrane separation units flowing towards one another through the connecting lines.
  • the retentate gas outlets (12) and (13) are connected to a retentate gas outlet (30) or to a retentate connecting line (32).
  • the retentate gas discharge lines (12) are connected to the retentate gas outlet (30i) or structurally to a retentate gas outlet or a retentate connection line in the vicinity thereof and the retentate gas discharge lines (13) are connected to the retentate gas outlet ( 30n ) or structurally to a retentate gas outlet or a retentate connection line in the vicinity thereof.
  • a corresponding embodiment in combination with the gas distribution system according to Figure 2 is shown in Figure 3.
  • the retentate processing system according to Figure 3 can also be combined with a gas distribution system according to Figure 1.
  • the permeate processing system can be processed analogously to that described above for the retentate processing system.
  • Both embodiments with retentate and permeate collection pipes in a membrane block, as well as with retentate and permeate connecting lines in a membrane block, as well as with retentate collection line and permeate connecting lines in a membrane block, as well as with retentate connecting line and permeate collection line in a membrane block are encompassed by the present invention.
  • Combinations of the embodiments in which, for example, part of the retentate gases from a membrane block are fed to a retentate collection line and another part is discharged via retentate connecting lines are also encompassed by the present invention and can be easily found by a person skilled in the art. The same applies to corresponding combinations for the permeate streams in the membrane block.
  • the membrane separation units themselves can also be varied, e.g. by adjusting the membrane separation area and/or the selectivity of the membranes and/or the permeability of the membranes.
  • membrane separation units (2) it is also possible to use different membranes in the membrane separation units (2) in a membrane block (1). Depending on the composition of the For feed gas streams, it may be useful to use membranes optimized for a first feed gas stream in the membrane separation units in which exclusively or mainly the first feed gas stream is separated, and to use membranes optimized for a second feed gas stream in the separation stages in which exclusively or mainly the second feed gas stream is separated.
  • membranes which have a higher permeability for carbon dioxide and hydrogen than for methane are used in the membrane separation units according to the invention. Such membranes enrich CP in the retentate and CO2 and H2 in the permeate.
  • membranes are used which contain a separation layer made of a glassy polymer, i.e. a polymer with a glass transition point at a temperature above the operating temperature of the membrane separation stage.
  • Particularly preferred polymers are polyetherimide, polycarbonate, polyamide, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polysulfone or polyimide.
  • the gas separation membrane comprises at least 80% by weight of a polyimide or a mixture of polyimides.
  • Preferred membranes containing at least 50% by weight of a polyimide are prepared by reacting a dianhydride selected from the group comprising 3,4,3',4'benzophenonetetracarboxylic dianhydride, 1,2,4,5-benzenetetracarboxylic dianhydride, 3,4,3',4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride, oxydiphthalic dianhydride,
  • a diisocyanate selected from the group comprising 2,4-toluene diisocyanate, 2,6-toluene diisocyanate, 4,4'-methylenediphenyl diisocyanate, 2,4,6-trimethyl-1,3-phenylene diisocyanate, 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylene diisocyanate and mixtures thereof.
  • the dianhydride is selected from 3,4,3',4'benzophenonetetracarboxylic dianhydride and 1,2,4,5-benzenetetracarboxylic dianhydride and mixtures thereof.
  • the diisocyanate is selected from 2,4-toluene diisocyanate, 2,6-toluene diisocyanate, 4,4'-methylenediphenyl diisocyanate and mixtures thereof.
  • Very particularly preferred polyimides are available from Evonik Fibres GmbH under the trade name P84 Type 70, a polyimide with the CAS number 9046-51-9 and made from 3,4,3',4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride and a mixture of 64 mol% 2,4-toluene diisocyanate, 16 mol% 2,6-toluene diisocyanate and 20 mol% 4,4'-methylenediphenyl diisocyanate, and under the trade name P84® HT, a polyimide with the CAS number 134119-41-8 and made from a mixture of 60 mol% 3,4,3',4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride and 40 mol% 1,2,4,5-benzenetetracarboxylic dianhydride and a mixture of 80 mol% 2,4-toluene diisocyanate and 20 mol% 2,6-toluene diisocyanate.
  • Gas separation membrane comprising at least 50 wt.% of a block copolyimide as described in WO 2015/091122 on page 6, line 20 to page 16, line 4.
  • the content of WO 2015/091122 is hereby explicitly included in the content of the present application.
  • the block copolyimide preferably comprises at least 90% by weight of polyimide blocks with a block length of 5 to 1000, preferably 5 to 200.
  • the membrane used in the present invention may be a flat membrane or a hollow fiber membrane, and is preferably an asymmetric hollow fiber membrane comprising a dense polyimide layer on a porous support.
  • the term "dense layer” as used herein refers to a layer comprising substantially no macropores extending through the layer, and the term “porous support” as used herein refers to a support material having macropores extending through the support.
  • the asymmetric hollow fiber membrane may be prepared by coating a porous hollow fiber with a polyimide to form a dense polyimide layer on the support.
  • the asymmetric hollow fiber membrane is a membrane prepared in a phase inversion process by rotating with an annular two-component spinneret, wherein a solution of a polyimide is passed through the annular opening and a liquid containing a non-solvent for the polyimide is passed through the central opening.
  • the membrane used in the invention preferably comprises a dense separation layer of a glassy polymer coated with a dense layer of a rubbery polymer, wherein the rubbery polymer has a higher gas permeability than the glassy polymer.
  • the preferred gas separation membranes comprising a polyimide separation layer are preferably coated with a polydimethylsiloxane elastomer.
  • the capacity and selectivity of the membrane separation units can be adjusted by the operating temperature.
  • the feed gas streams have different inlet temperatures. Targeted control of the operating temperature can be used, for example, to achieve specified values with regard to the composition of one or more retentate and/or permeate gases or the yield of at least one gas component.
  • the membranes used in the invention have in the first
  • Membrane separation stage of the plant according to the invention a pure gas selectivity, Operating temperature of the respective membrane separation stage, for CO2/CH4 of 20 to 600, preferably 20 to 150, particularly preferably 30 to 120 and very particularly preferably 30 to 90 and/or a pure gas selectivity, at the operating temperature of the respective membrane separation stage, for H2/CH4 of 40 to 1200, preferably 40 to 300, particularly preferably 60 to 240 and very particularly preferably 60 to 180. If the plant according to the invention comprises more than one membrane separation stage, then preferably all membranes in all membrane separation stages have pure gas selectivities in the previously defined ranges. If membranes with different pure gas selectivities are used in different membrane separation stages, then preferably the membranes of the first membrane separation stage do not have the lowest pure gas selectivity of the membranes used.
  • FIG. 4 Another preferred embodiment for adjusting the separation capacity of a membrane separation stage according to the invention is shown in Figures 4 and 5.
  • several membrane blocks (1) connected in parallel are used in a membrane separation stage. All previously described membrane blocks can be used here.
  • the use of several membrane blocks connected in parallel instead of enlarging the membrane blocks themselves, i.e. using four membrane blocks with 10 membrane separation units each instead of one block with 40 membrane separation units connected in parallel has advantages with regard to pressure control, in particular avoiding pressure losses, and a simplified rack design.
  • Figure 4 uses “0” membrane blocks (1) as shown in Figure 1, which are connected in parallel, with the index (0) indicating the number of membrane blocks (1) connected in parallel.
  • the respective membrane blocks (11) to (1 0 ) each have distribution lines (4i) to (4 0 ).
  • the ends of the distribution lines (4i) to (4 0 ) arranged on the side of the membrane separation units (2i) of the respective membrane blocks are connected to one another by gas lines (19a).
  • the ends of the distribution lines (4i) to (4 0 ) arranged on the side of the membrane separation units (2 n ) of the respective membrane blocks are each connected to one another by gas lines (19b).
  • Figure 4 only shows the feed gas lines (7) and (8), the distribution lines (4i) to (4 0 ) and the branches (5) in the respective distribution lines.
  • Feed lines (6) lead from the branches (5) to the individual membrane separation units (2), as shown in Figure 1.
  • the permeate and retentate processing systems are preferably designed as explained above, particularly preferably as shown in one of Figures 1 to 3.
  • the feed gas streams can be fed to such an interconnection of membrane blocks in different ways, as shown in Figure 4, in a non-exhaustive representation of possibilities.
  • Figure 4a shows a connection and a process in the downstream end of the first feed gas line (7) with the gas line (19a) on the side of Membrane separation unit (2i) of the first membrane block (1 i) and the downstream end of the second feed gas line (8) are connected to the gas line (19b) on the side of the membrane separation unit (2 n ) of the last membrane block (1 0 ).
  • Figure 4b shows a circuit and a method in which the downstream end of the first feed gas line (7) is connected to the gas line (19a) on the side of the membrane separation unit (2i) of the first membrane block (1i) and the downstream end of the second feed gas line (8) is connected to the gas line (19b) on the side of the membrane separation unit ( 2n ) of the first membrane block (1i).
  • Figure 4c shows a circuit in which the downstream end of the first feed gas line (7) is connected to the gas line (19a) arranged on the side of the membrane separation unit (2i) and the downstream end of the second feed gas line (8) is connected opposite, ie to the gas line (19b) arranged on the side of the membrane separation unit ( 2n ), each between two membrane blocks.
  • Figure 4d shows an interconnection in which the downstream end of the first feed gas line (7) is connected in the middle of the distribution line (4i) and the downstream end of the second feed gas line (8) is connected opposite, in the middle of the distribution line (4 0 ).
  • the system according to the invention is particularly preferably characterized in that the membrane separation stage comprises a plurality of membrane blocks (1), the gas distribution per membrane block (1) comprises a distribution line (4) with a plurality of branches (5) and feed lines (6), wherein a feed line (6) connects a branch (5) to a gas inlet (3) of a membrane separation unit (2), the distribution lines (4) of the respective membrane blocks (1) of the membrane separation stage are connected to one another by means of pipes (19a, 19b), and the downstream ends of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) are connected, independently of one another, at spatially separate locations, to a distribution line (4) or a branch (5), to a pipe (19a, 19b), wherein the connection points are arranged in such a way that two or more than two branches (5) and/or two or more than two gas inlets (3) are located between the connection points of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8).
  • the feed gas streams can be fed to such an interconnection of membrane blocks in different ways, as shown in Figure 5 in a non-exhaustive representation of possibilities.
  • Figure 5a shows a connection in which the downstream end of the first feed gas line (7) is connected to the distribution line (20a) on the side of the membrane separation unit (2i) of the first membrane block (1 i) and the downstream end of the second feed gas line (8) is connected to the distribution line (20b) on the side of the membrane separation unit (2 n ) of the membrane block (1 0 ).
  • Figure 5b shows a connection in which the downstream end of the first feed gas line (7) is connected to the distribution line (20a) on the side of the membrane separation unit (2i) of the first membrane block (1i) and the downstream end of the second feed gas line (8) is connected to the distribution line (20b) on the side of the membrane separation unit ( 2n ) of the first membrane block (1i).
  • Figure 5c shows a circuit in which the downstream end of the first feed gas line (7) is connected to the connecting line (20a) and the downstream end of the second feed gas line (8) is connected opposite, ie to the connecting line (20b) arranged on the side of the membrane separation unit (2 n ), in each case between two membrane blocks.
  • Figure 5d shows a circuit in which the downstream end of the first feed gas line (7) is connected to a connecting line (18) of the first membrane block (1 i) and the downstream end of the second feed gas line (8) opposite is connected to a connecting line (18) of the membrane block (1 0 ).
  • the system according to the invention is particularly preferably characterized in that the membrane separation stage comprises several membrane blocks (1), the gas distribution in the respective membrane block (1) comprises connecting lines (18) which connect the respective gas inlet (3) of a membrane separation unit (2) with the gas inlet(s) (3) of the membrane separation unit(s) (2) adjacent in the membrane block (1), the membrane blocks (1) of the membrane separation stage are connected to one another by means of pipes (20a, 20b), wherein the pipes (20a, 20b) in the respective membrane block are each connected to one or more connecting lines (18) and/or one or more Gas inletZ-inlets (3), preferably the pipeline (20a) in the respective membrane block (1) is connected to a connecting line (18) or a gas inlet (3) and the pipeline (20b) in the respective membrane block is connected to a different connecting line (18) or a different gas inlet (3), and the downstream end of the first feed gas line (7) and the downstream end of the second feed gas line (8) are connected, independently of one another, at spatially separate locations, to one or more connecting line(s) (18
  • FIG. 6 An inventive extension of the embodiment according to Figure 5 is shown in Figure 6.
  • the gas inlets (3i) and (3 n ) of the membrane blocks (11) to (1 0 ) connected to one another by the gas lines (20a) and (20b), but at the level of the membrane separation units, the gas inlets (32) to (3 n -i) of the membrane blocks (11) to (1 0 ) are connected to one another by further gas lines (20) to form a “full grid”.
  • the system for separating gases according to the invention is not limited to the simultaneous separation of two feed gas streams with different compositions.
  • the principle according to the invention can also be extended to several feed gas streams.
  • the system according to the invention preferably comprises one, two or three additional feed gas line(s) three (21), four and five, wherein the feed gas lines three (21), four and five are suitable for transporting one, two or three additional gas streams that differ in composition from the first and second feed gas streams, and wherein the additional feed gas line(s) three (21), four and five are connected to the gas distribution in such a way that the gas streams three (21) or three (21) and four or three (21), four and five can be fed to the membrane separation units by means of the gas distribution.
  • the feed gas lines three (21), four and five are preferably gas lines that are designed to transport one or more further feed gas streams containing CO2, which can originate, for example, from further CO2 gas sources, or one or more further feed gas streams containing CP and H2 and/or CO2, which can originate, for example, from further methanation reactors.
  • the plant and the method according to the invention thus have the advantage that gases from several gas sources and/or several methanation reactors can be separated simultaneously in just one gas processing plant. This significantly reduces the OPEX and CAPEX costs for gas processing and also increases the efficiency of gas processing.
  • the downstream ends of the additional feed gas lines are connected to one or more distribution lines (4), preferably between the connections of the feed gas lines (7) and (8).
  • An example of such an embodiment, with an additional third feed gas line (21), is shown in Figure 7a).
  • the downstream ends of the additional feed gas lines are connected to one or more connecting line(s) (18) and/or one or more gas inlet(s) (3).
  • the connection point(s) is/are located at one or more connecting line(s) (18) and/or gas inlet(s) (3) arranged between the connections of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8), which is/are different from the gas inlets (3) to which the first feed gas line (7) or the second feed gas line (8) are connected.
  • the additional feed gas line(s) is/are connected to one of the gas inlets (32) to (3 n -i) or to a connecting line (18) arranged therebetween. Examples of such embodiments, with an additional third feed gas line (21), are shown in Figures 7b) and 7c).
  • membrane blocks (1) according to the invention to each of which two feed gas lines through which feed gases with different compositions flow, are connected, are combined with one another.
  • the membrane blocks can be combined linearly, i.e. interconnected, and two feed gas streams can be supplied to each membrane block (11) to (1 0 ), where o corresponds to the consecutive number of the respective membrane block.
  • An example of such a system is shown in Figure 8.
  • the downstream ends of the feed gas lines (7) and (8) are connected to the distribution line (4i) of a first membrane block (11).
  • This first membrane block (11) is combined with a second membrane block (I2), with the downstream ends of the feed gas lines (8) and (21) being connected to the distribution line (42) of the second membrane block (I2).
  • Such a system can be expanded as required for further feed gas streams.
  • a plurality of membrane blocks (11) to ( 10 ) according to the invention can be combined, i.e. interconnected, to form a ring circuit, wherein preferably each membrane block (11) to ( 10 ) is connected to the downstream ends of two feed gas lines.
  • An example of such an arrangement is shown in Figure 9.
  • three membrane blocks (11), (12) and (13) are combined with the distribution lines (4i), (42) and (4s) to form a ring circuit.
  • the downstream ends of the feed gas lines (7) and (8) are connected to the distribution line (4i)
  • the downstream ends of the feed gas lines (7) and (21) are connected to the distribution line (42)
  • the downstream ends of the feed gas lines (8) and (21) are connected to the distribution line (4s).
  • Such ring circuits can be extended by further membrane blocks according to the invention, e.g. to a 4-way or 5-way circuit. It is also possible to combine the embodiments from Figures 7 to 9. For example, in the ring circuit from Figure 9, a fourth feed gas line could be fed to the distribution line (4i) between the connections of the feed gas lines (7) and (8).
  • Feed lines lead from the branches to the individual membrane separation units, as shown in Figure 1.
  • the permeate and retentate processing systems which are also not shown in Figures 7, 8 and 9, are preferably designed as explained above, particularly preferably as shown in one of Figures 1 to 3 and connected to one another in a similar way to the distribution lines.
  • the methanation reactor (34), the hydrogen source via the hydrogen line (35) and the gas source for a gas stream containing CO2 with the raw gas line (36); these are preferably connected to the system according to the invention as shown in Figure 12.
  • Figures 8 and 9 can of course also be implemented with membrane blocks from Figures 2 and 3, i.e., for example, with several connecting lines (18) per membrane block.
  • a person skilled in the art can easily derive corresponding embodiments from the previously described teaching of the invention.
  • the plant and the method according to the invention can, in the general embodiment described above but also in all preferred embodiments, comprise in one or more distribution line(s) and/or in one or more supply line(s) and/or in one or more connecting lines, one or more valves or other control devices with which the gas supply to the individual gas inlets of the membrane separation units can be controlled or influenced.
  • the system can be controlled or designed, for example, by means of valves or other control devices in such a way that one or more membrane separation units can be switched on or off when the gas volume supplied in the feed gas line changes.
  • shut-off and/or needle valves can be used as valves.
  • the gas flow in the gas distribution system can also be influenced and/or controlled using other regulators such as reducers, e.g. orifice plates.
  • the distribution system according to the invention can largely or completely regulate itself by the feed streams flowing towards each other, e.g. via the volume flow and/or mass flow and/or the pressure of the feed gas streams, without having to use controllable valves within a membrane block.
  • the system according to the invention therefore preferably contains valves for controlling the gas flows in only some or very particularly preferably in none of the distribution line(s) and/or supply line(s) and/or connecting line(s).
  • the membrane separation units contain simple manual valves in order to be able to quickly separate a defective membrane from the remaining membranes in the event of damage.
  • the permeate and retentate streams obtained in the membrane blocks according to the invention are preferably fed to one permeate and one retentate processing system per membrane block, as shown in Figures 1 to 3.
  • the permeate and retentate processing systems can comprise retentate and/or permeate collection pipes, as shown in Figures 1 and 2. Alternatively, they can contain retentate and/or permeate connecting lines between the retentate or permeate outlets of the respective membrane separation units of the respective membrane blocks. Combinations, e.g. the use of retentate connecting lines and permeate collection pipes, as shown in Figure 3, are also possible.
  • the retentate or permeate streams are fed to drain lines via the retentate and/or permeate collection pipes and/or the retentate and/or permeate connecting lines.
  • two locations preferably two locations as far apart as possible, particularly preferably both ends of a collection pipe, are connected to drain lines, as shown in Figures 1 and 2.
  • This makes it possible to discharge permeate or retentate streams that mainly consist of the permeate or retentate gas of the first feed stream from the drain lines arranged near the membrane separation unit (2i).
  • Permeate or retentate streams that mainly consist of the permeate or retentate gas of the second feed stream can be discharged by means of the drain lines arranged near the membrane separation unit ( 2n ).
  • a drain line near the retentate gas outlet (30i) of the membrane separation unit (2i) is preferably connected to a retentate gas outlet of a membrane separation unit or to a connecting line and a second drain line near the retentate gas outlet ( 30n ) of the membrane separation unit ( 2n ) is connected to a gas outlet of a membrane separation unit or to a connecting line.
  • Analogous designs, e.g. for the permeate streams, are easy for a person skilled in the art to implement.
  • retentate gas of the first and second feed streams of a membrane block (1) is combined, which according to the invention is preferably the case in the retentate separation stage arranged furthest downstream (see separation stage B) in Figure 11 B), only one of the two retentate gas outlets (30i) and ( 30n ) is used as a common retentate gas outlet or an alternative discharge line is used, e.g. in the middle of the retentate collection pipes, when using of retentate connecting lines, to a connecting line or a gas outlet of the membrane separation units (22) or (2 n -i) in order to recover the entire retentate streams as a mixture of the retentate gases of the first and second feed streams.
  • such further discharge lines are connected in the middle region of the membrane blocks (1).
  • the adjustment of the withdrawal quantities in the permeate or retentate streams can also be carried out, for example, via corresponding valves in the retentate gas lines (9) and/or the permeate gas lines (10) and/or the retentate collection pipe (11) and/or the permeate collection pipe (14) and/or the first retentate gas discharge line (12) and/or the second retentate gas discharge line (13) and/or the first permeate gas discharge line (15) and/or the second permeate gas discharge line (16) and/or the retentate connecting lines (32) and/or permeate connecting lines (33).
  • Valves are preferably used for this purpose in one permeate and all retentate gas discharge lines or particularly preferably in all permeate and all retentate gas discharge lines.
  • Controllable valves are very particularly preferably used for this purpose in all permeate and all retentate gas discharge lines.
  • the permeate or retentate collection pipe it is also possible for the permeate or retentate collection pipe to be connected to a discharge line at only one point; this is preferably the case for the retentate streams of the retentate separation stage arranged furthest downstream and/or for the permeate streams of the permeate separation stage arranged furthest downstream. In this case, all permeate or retentate streams are connected to the discharge line.
  • Retentate streams are combined in the respective collecting pipe and removed from the system as a combined mixed stream.
  • the same technical effects can be achieved by using retentate or permeate connecting lines instead of retentate or permeate collecting pipes.
  • one discharge line is connected to a retentate or permeate connecting line or to a retentate or permeate outlet of a membrane separation unit of a membrane block.
  • Corresponding designs are easy for a specialist to implement. It is also possible to connect several retentate or permeate discharge lines to one line in order to achieve the same technical effect.
  • Retentate streams, preferably all retentate streams, of the membrane separation units (2) of a membrane block (1) are fed to a retentate gas collection pipe (11) by means of retentate gas lines (9), wherein the retentate gas collection pipe (11) is connected to at least one first retentate gas outlet (12), preferably at least two retentate gas outlets (12) and (13), through which one or more retentate gas streams are discharged from the membrane separation stage in which they were generated, and/or Permeate streams, preferably all permeate streams, of the membrane separation units (2) of a membrane block (1) are fed to a permeate gas collecting pipe (14) with the aid of permeate gas lines (10), wherein the permeate gas collecting pipe (14) is connected to at least one first permeate gas outlet (15), preferably at least two permeate gas outlets (15) and (16), through which one or more permeate gas streams are discharged from the membrane separation stage in which they were generated.
  • retentate streams, preferably all retentate streams, of the membrane separation units of a membrane block are fed with the aid of retentate connection lines between the retentate gas outlets to one or more retentate discharge lines through which one or more retentate gas streams are discharged from the membrane block
  • the system in this case comprises retentate connection lines (32) between the retentate gas outlets (30) of the membrane separation units (2) of a membrane block (1) of the membrane separation stage, wherein at least one retentate connection line (32) or at least one retentate gas outlet (30) is also connected to at least one retentate gas outlet (12), preferably one or more retentate connection line(s) (32) and/or one or more retentate gas outlet(s) (30) with two retentate gas outlets are provided in a membrane block (1) of the membrane separation stage. (12) and (13), and/or
  • Permeate streams, preferably all permeate streams, of the membrane separation units of a membrane block are fed with the aid of permeate connecting lines between the permeate gas outlets to one or more permeate discharge lines through which one or more permeate gas streams are discharged from the membrane block, wherein the system in this case comprises permeate connecting lines (33) between the permeate gas outlets (31) of the membrane separation units (2) of a membrane block (1) of the membrane separation stage, wherein at least one permeate connecting line (33) or at least one permeate gas outlet (31) is connected to at least one permeate gas discharge line (15), preferably in a membrane block (1) of the membrane separation stage one or more permeate connecting line(s) (33) and/or one or more permeate gas outlet(s) (31) are connected to two retentate gas discharge lines (15) and (16).
  • the permeate and retentate streams of the respective membrane blocks of a membrane separation stage are preferably combined to form one or two permeate streams or one or two retentate streams per membrane separation stage.
  • all the permeate and retentate streams obtained in the first retentate gas outlet (12) of the respective membrane blocks (1) are first retentate streams are combined to form a first retentate stream of the membrane separation stage.
  • second retentate streams are also obtained in the second retentate gas outlet (13) of the respective membrane blocks (1) in the membrane blocks (1), these second retentate streams are preferably combined to form a second retentate stream of the membrane separation stage. The same procedure can be followed if further retentate streams are obtained in the respective membrane blocks.
  • the permeate streams of the respective membrane blocks (1) of a membrane separation stage are preferably treated analogously to that described above for the retentate streams.
  • the permeate and retentate streams obtained from a membrane separation stage according to the invention can be removed as a product stream, further processed or discarded, but at least one permeate and/or retentate stream is removed as a product stream or further processed.
  • at least two permeate streams or at least two retentate streams are generated, each of which is fed to a downstream membrane separation stage or returned to an upstream position.
  • one or more retentate streams are generated, particularly preferably one retentate stream, from which the first product stream(s) enriched as methane is/are withdrawn and preferably at least 2 permeate streams are generated, which are returned to an upstream position, preferably to a position upstream of the methanation reactor (34) and/or directly into the methanation reactor (34).
  • one or more retentate streams are preferably generated, which are returned to an upstream position, preferably to a position upstream of the methanation reactor (34) and/or directly into the methanation reactor (34), and one or more, preferably one, permeate streams are generated, which are removed as a second product stream or discarded. If the plant according to the invention or the process according to the invention does not contain a downstream permeate separation stage (see Figure 10), the permeate stream(s) of the first separation stage are processed analogously to the procedure described above for the most downstream permeate separation stage.
  • the plant according to the invention can comprise a membrane separation stage but also several interconnected membrane separation stages according to the invention, however at least one membrane separation stage according to the invention, comprising a membrane block (1) or several membrane blocks (1), which in turn each comprise several membrane separation units (2) connected in parallel, together with a gas distribution according to the invention which is designed such that
  • it comprises connecting lines (18) which each directly and immediately connect the gas inlets (3) of two adjacent membrane separation units (2) of a membrane block (1) to one another and/or one or more distribution line(s) (4) which contain one or more branches (5) which are each connected to a gas inlet (3) of a membrane separation unit (2) of a membrane block (1) by means of a separate feed line (6), wherein one or more branches (5) can additionally also have a connection option for a feed gas line, so that a feed gas line and a feed line (6) can be connected to the respective distribution line (4) at the same time by means of the branch(s) (5),
  • the membrane separation stage comprises several membrane blocks (1), it comprises pipes, preferably pipes (19a, 19b, 20a, 20b) which connect the membrane blocks (1) of the membrane separation stage to one another,
  • the downstream ends of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) are connected, independently of one another, at spatially separated locations, to a distribution line (4) or a connecting line (18) or a branch (5), or, if present, to a pipeline (19a, 19b, 20a, or 20b), or to a gas inlet (3), wherein the connection points are arranged such that two or more than two branches (5) and/or two or more than two gas inlets (3) are arranged between the connection points of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8).
  • the present invention also includes embodiments in which several membrane separation stages according to the invention are interconnected.
  • FIG 10 shows a 2-stage connection in which two membrane separation stages A and B according to the invention are connected on the retentate side.
  • a first feed gas stream containing CO2 and a second feed gas stream containing CH and H2 and/or CO2, which differ in their composition are fed via the feed gas lines (7) and (8) to the first membrane separation stage A, which is preferably designed as shown in Figure 1 and described above.
  • the two permeate streams obtained from the permeate collection pipe of the first membrane separation stage A are either removed as product streams, further processed or discarded using permeate gas outlets (15) and (16), independently of one another.
  • the two permeate streams can be treated the same or, independently of one another, differently. They can also be combined to form one permeate stream.
  • the two retentate streams obtained from the retentate collection tube of the first membrane separation stage A are separated by means of retentate gas outlets (12) and (13) as new feed streams to membrane separation stage B.
  • the two retentate streams obtained from the retentate collection pipe of the first membrane separation stage differ in their composition.
  • the retentate stream discharged in the retentate gas discharge line (12) mainly contains the retentate gas of the first feed stream and the second retentate stream discharged in the retentate gas discharge line (13) mainly contains the retentate gas of the second feed stream.
  • the retentate gases in both retentate streams can be the same or different in terms of their components. If they are the same, both retentate gas streams still differ in their content, ie in their quantitative composition.
  • Membrane separation stage B is preferably constructed as shown in Figure 1.
  • the two permeate streams obtained from the permeate collection pipe of the second membrane separation stage B are returned separately and independently of one another, preferably by means of the permeate gas outlets (22) and (23), or together to a position upstream of the methanation reactor (34) and/or into the methanation reactor (34), preferably to the feed gas line (7) upstream of the branch of the partial stream leading to the methanation reactor (34) shown in Figure 13.
  • the two retentate streams obtained from the retentate collection pipe of the second membrane separation stage B are removed or further processed separately and independently of one another, preferably by means of the retentate gas outlets (24) and (25), or together as either first product streams enriched as methane.
  • a partial pressure difference and thus usually a pressure difference between the retentate and permeate sides is necessary.
  • the pressure on the retentate side must be higher than on the permeate side. This can be ensured, for example, by using a compression unit P, preferably a compressor, to generate a feed gas stream with an increased pressure or by generating a negative pressure on the permeate side of the membrane, e.g. using a vacuum pump.
  • a compression unit P preferably a compressor
  • the permeate gas discharge lines (22) and (23) are returned to a feed gas line (7) and/or (8) under higher pressure or to the methanation reactor (34) under higher pressure, the permeate streams must be brought in compression units to the pressure of the unit to which they are returned.
  • the compression units P1 and P2 for the permeate gas discharge lines (22) and (23) can be designed the same or different.
  • a compression unit P preferably a compressor, is used in one or both of the permeate gas discharge lines (22) and/or (23). This design is preferred if one or both of the raw gas streams not shown in Figure 10 are already under sufficient pressure.
  • one or both of the permeate streams returned in the permeate gas discharge lines (22) and (23) can be fed upstream of the compression units P1 and P2 to one of the raw gas streams not shown in Figure 10 and the resulting mixed stream or the two resulting mixed streams can be compressed and thus the feed stream or the two feed streams can be generated in the feed gas lines (7) and/or (8).
  • a corresponding embodiment is shown in Figure 13.
  • one or both of the permeate streams recycled in the permeate gas outlets (22) and (23) in the compression units P1 and P2, respectively, can be fed directly to a compressor which generates one of the two feed streams in the feed gas lines (7) and (8).
  • the raw gas stream(s) have a lower pressure than the feed streams. This is the case with the biogas plant used as a CO2 gas source, which is particularly preferred according to the invention.
  • the partial pressure difference can also be generated or increased by a purge gas stream on the permeate side. This procedure is also known to the person skilled in the art.
  • Devices for pressure reduction in the permeate gas outlets (15) and (16) and/or (22) and (23) are useful for increasing the driving force but are less preferred due to the equipment complexity.
  • one or both of the membrane separation stages A and/or B in Figure 10 can also be designed as in the other preferred embodiments discussed above, in particular as shown in Figure 2 or 3.
  • connection according to Figure 10 can be varied in different ways. Examples include: one, preferably both, of the permeate streams obtained from membrane separation stage B are returned to the original feed stream of membrane separation stage A and at the same time the retentate streams obtained from membrane separation stage B are removed as a product stream, further processed or discarded, with the condition that at least one of the two permeate streams of membrane separation stage A is removed as a product stream. Further modifications of the 2-stage circuit can easily be found by a person skilled in the art based on the teaching of the invention.
  • the plant according to the invention and the method according to the invention are therefore particularly preferably characterized in that they comprise two membrane separation stages A and B, wherein both membrane separation stages A and B each comprise a membrane block (1) or several membrane blocks (1), each comprising several membrane separation units (2) connected in parallel, and that the gas distribution of the first membrane separation stage A is designed such that it connects the downstream ends of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) to the gas inlets (3) of the membrane separation units (2) of the first membrane separation stage A in such a way that in each membrane block (1) of the membrane separation stage A the first feed gas stream containing CO2 and the second feed gas stream containing CH4 and H2 and/or CO2, which differ in their composition, are fed to at least two different membrane separation units (2), the first membrane separation stage A is designed such that two mutually different retentate streams in a first retentate gas outlet (12) and a second retentate gas outlet (13) and/or two mutually different permeate streams are obtained in a first permeate gas outlet (15) and
  • the retentate separation stage B is designed such that two mutually different retentate streams are obtained in a first retentate gas outlet (24) and a second retentate gas outlet (25) or a combined retentate stream in a retentate gas outlet (24) (see Figure 11 B) and/or two mutually different permeate streams are obtained in a first permeate gas outlet (22) and a second permeate gas outlet (23).
  • Figure 1 1 A shows, as a further particularly preferred embodiment of the invention, a 3-stage connection in which three membrane separation stages according to the invention are connected to one another in such a way that the two retentate streams of the feed stream separation stage A serve as feed streams of the retentate separation stage B and the two Permeate streams from feed stream separation stage A are fed as feed streams to permeate separation stage C.
  • a first feed gas stream containing CO2 and a second feed gas stream containing CH4 and H2 and/or CO2, which differ in their composition, are fed via the feed gas lines (7) and (8) to the feed stream separation stage A, which is preferably designed as shown in Figure 1.
  • the two permeate streams obtained from the permeate collecting pipe of the feed stream separation stage A are fed via the permeate gas outlets (15) and (16) as new feed gas streams to the retentate separation stage C.
  • the two retentate streams obtained from the retentate collecting pipe of the feed stream separation stage A are fed via the retentate gas outlets (12) and (13) as new feed streams to the permeate separation stage B.
  • the two retentate gas streams obtained from the feed stream separation stage A differ in their composition. The same applies to the permeate gas streams obtained from the first feed stream separation stage A.
  • Retentate separation stage B is preferably constructed as shown in Figure 1.
  • the two retentate streams obtained from the retentate collection pipe of the second retentate separation stage B are removed separately and independently of one another, preferably by means of the retentate gas outlets (24) and (25), or together as first product streams enriched as methane, or are further processed.
  • the two permeate streams obtained from the permeate collection pipe of the retentate separation stage B are returned separately and independently of one another, preferably by means of the permeate gas outlets (22) and (23), or together to a position upstream of the methanation reactor (34) and/or into the methanation reactor (34), preferably to the feed gas lines (7) upstream of the branch shown in Figure 13 of the partial stream leading to the methanation reactor (34).
  • Permeate separation stage C is also constructed as shown in Figure 1.
  • the two permeate streams obtained from the permeate collection pipe of the third permeate separation stage C are either removed as second product streams, further processed or discarded separately and independently of one another, preferably by means of the permeate gas outlets (26) and (27), or together as one gas stream.
  • the two retentate streams obtained from the retentate collection pipe of the third permeate separation stage C are either removed as second product streams, further processed or discarded separately and independently of one another, preferably by means of the retentate gas outlets (28) and (29), or together to a position upstream of the methanation reactor (34) and/or into the Methanization reactor (34), preferably to the feed gas line (7) upstream of the branch of the partial stream leading to the methanation reactor (34) shown in Figure 13.
  • one, two or all three membrane separation stages A, B and/or C in Figures 11 A and B can also be designed as in the other preferred embodiments discussed above, in particular as shown in Figure 2 or 3.
  • the permeate gas discharge line (22) is preferably merged with the retentate gas discharge line (28) and fed to the compression unit P1 through a further gas line.
  • the permeate gas discharge line (23) is preferably merged with the retentate gas discharge line (29) and fed to the compression unit P2 through a further gas line.
  • a compressor can be arranged in one or both of the gas lines fed to the compression units P1 or P2. This design is preferred if one or both of the raw gas streams not shown in Figure 11 A are already under sufficient pressure.
  • one or more of the gas streams returned in the gas lines fed to the compression units P1 or P2 can be fed upstream of the compression units P1 or P2 to one of the raw gas streams not shown in Figure 11A and the resulting mixed stream or streams can be compressed and thus the feed stream or streams can be generated in the feed gas lines (7) and/or (8).
  • a corresponding embodiment is shown in Figure 13.
  • one or more of the gas streams returned in the gas lines supplied to the compression units P1 or P2 can be fed in the compression units P1 or P2 directly to a compressor which generates one of the two feed gas streams or feed streams in the feed gas lines (7) and/or (8).
  • the raw gas stream(s) has/have a lower pressure than the feed streams.
  • a lower pressure is the case in the biogas plant that is particularly preferably used according to the invention as a CO2 gas source.
  • the partial pressure difference can also be generated by a purge gas on the permeate side. This procedure is also known to the person skilled in the art.
  • Devices for reducing the pressure in the permeate gas outlets (15) and (16) and/or (22) and (23) and/or (26) and (27) are useful for increasing the driving force but are not preferred due to the equipment required.
  • a third permeate gas stream enriched with CO2 and H2 compared to the first retentate stream is obtained in the permeate gas outlet (22) and a fourth permeate gas stream enriched with H2 compared to the second retentate stream is obtained in the permeate gas outlet (23).
  • Both permeate gas streams can also contain methane.
  • the permeate gas streams from the membrane separation units of the retentate separation stage B are combined and returned to the first feed gas stream via a return line (39) upstream of the compression unit P (see Figure 13).
  • the retentate gas streams from the individual membrane separation units of the retentate separation stage B are combined to form a retentate product stream that has a very high methane content and a high methane purity and is removed as the first product stream.
  • a fifth permeate gas stream enriched with CO2 and H2 compared to the first permeate stream is obtained in the permeate gas outlet (26) and a sixth permeate gas stream enriched with H2 compared to the second permeate stream is obtained in the permeate gas outlet (27), which differs in its composition from the fifth permeate stream.
  • the permeate gas line (27) carrying the sixth permeate stream can either be integrated into the return line (39) or compressed separately by an alternative compression step for hydrogen-rich gas and thus also fed separately to the methanation reactor (34) in a staged reaction, for example.
  • the permeate gas line (26) carrying the fifth permeate stream can either be removed as a CO2-enriched second product stream, or further processed, or at least partially returned to the methanation step.
  • a CP-rich fifth retentate gas stream which may also contain CO2 and H2
  • a CP-rich sixth retentate gas stream which also contains H2 and differs in its composition from the fifth retentate stream, is obtained.
  • the retentate gas outlets (28) and (29) of the permeate separation stage C are each reduced to a gas outlet and merged to the common return line (39), or retentate gas outlets (28) are combined with the permeate gas outlet (22) and merged to the common return line (39), and the retentate gas outlets (29) are merged with the permeate gas outlet (23) and returned as previously described for the fourth permeate gas stream.
  • the permeate gas outlets (22) and (23) of the retentate separation stage B as well as the retentate gas outlets (28) and (29) of the permeate separation stage C are each reduced to a gas outlet and combined to form a common return line (39).
  • the retentate streams obtained from the retentate collection pipe of the retentate separation stage B are also taken together as a methane-enriched first product stream by combining the previous retentate gas streams (24) and (25) into a common retentate gas outlet, or are further processed.
  • the return line (39) is preferably integrated before the compression step (P) as shown in Figure 13.
  • the permeate gas line (27) carrying the hydrogen-enriched sixth permeate stream can either be integrated into the return line (39) or be compressed separately by an alternative compression step for hydrogen-rich gas and thus also be fed separately to the methanation step in a staged reaction, for example.
  • the permeate gas line (26) carrying the CO2-enriched fifth permeate stream can either be removed as a CO2-enriched second product stream, or further processed, or at least partially returned to the methanation step.
  • the plant and the method according to the invention are therefore particularly preferably characterized by it comprises three membrane separation stages A, B and C, wherein all three membrane separation stages A, B and C each comprise a membrane block (1) or several membrane blocks (1), each comprising several membrane separation units (2) connected in parallel, and the gas distribution of the feed stream separation stage A is designed such that it connects the downstream ends of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) to the gas inlets (3) of the membrane separation units (2) of the feed stream separation stage A such that in each membrane block (1) of the feed stream separation stage A the first feed gas stream containing CO2 and the second feed gas stream containing CH and H2 and/or CO2, which differ in their composition, are fed to at least two different membrane separation units (2), the feed stream separation stage A is designed such that two mutually different retentate streams in a first retentate gas outlet (12) and a second retentate gas outlet (13) and two mutually different Permeate streams are obtained in a first permeate gas discharge line (15) and a second permeate gas
  • the retentate separation stage B is designed such that two different retentate streams are obtained in a first retentate gas outlet (24) and a second retentate gas outlet (25) or a combined retentate stream in a retentate gas outlet (24) (see Figure 11 B) and/or two different permeate streams are obtained in a first permeate gas outlet (22) and a second permeate gas outlet (23) or a combined permeate stream in a permeate gas outlet (22) (see Figure 11 B) and/or the permeate separation stage C is designed such that two mutually different retentate streams in a first retentate gas outlet (28) and a second retentate gas outlet (29) or a combined retentate stream in a retentate gas outlet (28) (see Figure 11 B) and/or two mutually different permeate streams in a first permeate gas outlet (26) and a second permeate gas outlet (27) are obtained.
  • the membrane separation stages designed according to the invention can be combined to form any type of multi-stage circuit, particularly preferably 2-, 3-, 4- and 5-stage circuits, very particularly preferably 2-, 3- and 4-stage circuits.
  • the 3-stage circuit is most preferred within the scope of the present invention.
  • the system or method according to the invention can contain one compression unit P or several compression units P.
  • two compression units P1 and P2 are shown only as examples. These can also be particularly preferably combined to form one compression unit P, as shown by way of example in Figure 13.
  • membrane separation stages according to the invention which separate at least two different feed gas streams, can also be combined with “classical” membrane separation stages, which only separate one gas stream into a permeate and a retentate stream.
  • a classic membrane separation stage which only separates one feed stream can be used downstream of a first membrane separation stage according to the invention.
  • one of the permeate and/or retentate streams obtained from a membrane separation stage according to the invention could be fed to such a classic membrane separation stage.
  • Retentate streams can then be further processed in classical membrane separation stages.
  • the membrane separation stages included in the system according to the invention and the process according to the invention require a partial pressure difference between the retentate and permeate sides of the membranes. It therefore applies to all embodiments of the present invention that if the feed gas streams of the respective membrane separation stages do not have a sufficient partial pressure difference to the permeate side of the membrane separation stages, preferably a compression unit P, preferably a compressor, is used in the feed gas line and/or a vacuum pump on the permeate side of the membrane. Also preferably as Alternatively or in combination, purge gas can be fed into the permeate space to increase the partial pressure difference. This is known to those skilled in the art as the term sweep. Compressors are particularly preferably used only in one or more feed streams, upstream of the first separation stage according to the invention.
  • the plant and the method according to the invention are characterized in that they comprise a methanation reactor (34), a hydrogen source with a hydrogen line (35) and a gas source for a gas stream containing CO2 with a raw gas line (36), and that the upstream end of the first feed gas line (7) is connected to the raw gas line (36) of the gas source for a gas stream containing CO2, the upstream end of the second feed gas line (8) is connected to the product gas outlet of the methane-enriched product gas stream of the methanation reactor (34) or to a corresponding product gas outlet line of the methanation reactor (34), and the hydrogen gas inlet of the methanation reactor (34) is connected to the hydrogen source by means of a hydrogen line (35).
  • FIG. 13 A particularly preferred arrangement of the methanation reactor (34), the hydrogen source and its hydrogen line (35) and the gas source for a gas stream containing CO2 with its raw gas line (36) as well as the upstream end of the first feed gas line (7) and the second feed gas line (8) are shown in Figure 13.
  • the feed streams (7) and (8) are linked upstream with a common compression step (P) and a methanation reactor (34) to form an apparatus according to the invention.
  • the raw gas stream of the CO2 source is fed to a compression step (P) by means of the raw gas line (36) and one or more optional recycle streams, preferably one or more of the permeate streams from lines (22) and (23) and/or the retentate streams from lines (28) and (29) from the embodiments according to Figures 10, 11A or 11B.
  • the compressed gas stream from the first feed stream line (38) arranged upstream of the branch of the partial stream line (37) is divided into a feed stream for methanation in the partial stream line (37) and the first feed stream in the first feed stream line (7).
  • the product gas stream from the methanation which preferably contains CH4 as the main component and unreacted hydrogen and/or CO2 3, forms the second feed gas stream in the second feed stream line (8), which is connected to the product gas outlet of the methanation reactor (34).
  • the required amount of CO2 is fed to the methanation reactor (34) via the partial stream line (37).
  • the feed gas streams in the feed gas lines (7) and (8) also fluctuate in opposite directions. This means that if there is enough hydrogen available via the hydrogen line (35) to operate the methanation reactor (34) at maximum load, the maximum amount of the CO2-containing raw gas stream, but preferably not the entire Raw gas flow is supplied.
  • the first feed flow in the first feed flow line (7) is thereby correspondingly minimal and the second feed flow in the second feed flow line (8) is correspondingly maximal at maximum load of the methanation reactor (34). At minimum load of the methanation reactor (34) the conditions are reversed.
  • the first feed flow in the first feed flow line (7) is maximal and the second feed flow in the second feed flow line (8) is minimal.
  • the plant or the method of the present invention comprises one or more return line(s) which is/are suitable for returning one or more permeate streams from one or more membrane separation stage(s) and/or one or more retentate streams from one or more membrane separation stage(s) to the raw gas line (36) of the gas source for a gas stream containing CO2 and/or to the first feed gas line (7), preferably upstream of the branching point of the partial stream line (37), and/or to the methanation reactor (34) and/or to the hydrogen line (35) and/or to the pressure increasing device P and/or to the second feed gas line (8).
  • methanation reactor (34) All known methanation reactors can be used as methanation reactor (34) in the process according to the invention.
  • Various biological as well as various chemically catalyzed processes can be used.
  • Preferred hydrogen sources are i) steam reforming of methane, possibly with a subsequent shift reaction, ii) gasification or reforming of solid or liquid carbon sources such as coal or biomass, iii) thermochemical and photochemical or photobiological water splitting or iv) electrolysis.
  • Hydrogen electrolysis is preferred, in which particularly cost-effective, temporarily surplus and therefore particularly cost-effective, electrical power or particularly sustainable electricity generated from renewable sources such as wind power, photovoltaics or hydropower is used. In both cases, fluctuating amounts of hydrogen are produced.
  • CO2 sources such as Biogas
  • Biogas for example but not limited to fossil and industrial CO2 sources
  • the corresponding CO2 sources can be found in P. Bains et al., Progress in Energy and Combustion Science 63 (2017) 146 - 172 in Table 2 on page 150.
  • the CO2 source supplies a raw gas stream with a CO2 content of 3 to 100 vol.%, preferably 10 to 90 vol.%, particularly preferably 20 to 70 vol.% and most preferably 30 to 50 vol.%.
  • FIG 15 shows a preferred apparatus according to the invention.
  • the first and second feed gas streams in the feed gas lines (7) and (8) are generated as shown in Figure 13 and explained above.
  • the apparatus according to Figure 15 comprises a membrane separation stage with a membrane block according to the invention, which in turn comprises several membrane separation units (2i) to (227) connected in parallel and a gas distribution, which is designed as shown in Figure 1, but is shown in simplified form in Figure 15.
  • the system according to Figure 15 uses membrane separation units (2), each of which has two permeate gas outlets (31 a) and (31 b).
  • the permeate gas outlets are not shown in Figure 15 for the sake of simplicity.
  • one retentate stream, one permeate stream and one retentate permeate stream are obtained for each membrane separation unit, which are shown in Figure 15.
  • the respective permeate stream of each membrane separation unit (2) is withdrawn in countercurrent at the permeate gas outlet (31 a), which is arranged near the feed gas inlet (3).
  • These permeate streams are fed to a first permeate collection pipe, which is connected to two permeate gas discharge lines.
  • the part of the permeate stream formed in the first permeate collection pipe generated on the side of the membrane separation units (226) and (227) is returned via the return line (39) to a connection point to gas line (36) arranged upstream of the compression unit P, preferably a compressor.
  • the part of the permeate stream of the first permeate collection pipe generated on the side of the membrane separation units (2i) and (22) is discharged via the discharge line (15).
  • each membrane separation unit (2) is taken in cocurrent from the permeate gas outlet (31 b), which is arranged near the retentate gas outlet (30). These retentate permeate streams are fed to a second permeate collection pipe, which is connected to an additional permeate gas discharge line (15R). All retentate permeates of the individual membrane separation units (2) are brought together in the second permeate collection pipe and returned by means of the additional permeate gas discharge line (15R) to a connection point to gas line (36) arranged upstream of the compression unit P, preferably a compressor P.
  • the inventive embodiment according to Figure 15 is particularly advantageous for increasing the methane yield and thus for reducing methane slip.
  • the present invention comprises - as already indicated above - a process for the simultaneous purification of two or more gas streams which differ in their composition.
  • the process according to the invention is carried out in a plant according to the invention.
  • the process according to the invention particularly preferably comprises the steps: i) providing a first feed gas stream containing CO2, ii) providing a second feed gas stream containing H2 and CH, which differs in its composition from the first feed gas stream, preferably by means of a methanation reactor (34), particularly preferably by methanation of a partial stream of the raw gas stream originating from the CO2 gas source with hydrogen originating from the hydrogen source. iii) feeding the first and the second feed gas stream to a membrane separation stage, wherein
  • the membrane separation stage comprises one or more membrane blocks (1), and the membrane separation block (1) or the membrane separation blocks (1) each comprise/comprise several membrane separation units (2) connected in parallel,
  • the membrane separation stage has a gas distribution which comprises connecting lines (18) which each connect the gas inlets (3) of two adjacent membrane separation units (2) of a membrane block (1), preferably directly and immediately, and/or distribution lines (4) which contain several branches (5) which are each connected to the gas inlets (3) of the individual membrane separation units (2) of a membrane block (1) by means of separate feed lines (6), wherein one or more branches (5) can additionally also have a connection option for a feed gas line, so that a feed gas line and a feed line (6) can be connected to the distribution line (4) at the same time by means of the branch(es) (5),
  • the membrane separation stage if it comprises several membrane blocks (1), comprises pipes, preferably pipes (19a, 19b, 20a, 20b), which connect the membrane blocks (1) of the membrane separation stage to one another, and wherein the first and the second feed gas stream are fed independently of one another, at spatially separate locations, to a distribution line (4) or a connecting line (18) or a branch (5), or, if present, to a pipe or pipes which connect the membrane blocks (1) of a membrane separation stage to one another, preferably to a pipe or pipes (19a, 19b, 20a, 20b), or to a gas inlet (3), wherein the connection points of the first and second feed gas streams are arranged such that two or more than two branches (5) and/or two or more than two gas inlets (3) are arranged between the connection points, iv) feeding the first and second feed gas streams by means of the gas distribution to the gas inlets (3) of the membrane separation units (2) of the membrane separation stage, v) separating the gas mixtures fed through the gas inlets (3) to the membrane separation units (2) in
  • the process of the present invention additionally comprises the steps: vi) combining, preferably all, retentate streams of the membrane separation units (2) of a membrane block (1) to form one or more retentate gas streams, and/or vii) combining, preferably all, permeate streams of the membrane separation units (2) of a membrane block (1) to form one or more permeate gas streams.
  • the merging of the permeate and/or retentate streams can, as described above, preferably take place by means of permeate and/or retentate collection lines or via retentate and/or permeate connecting lines between the corresponding gas outlets of the membrane separation units.
  • the system and the method according to the invention can be used in particular in methanation processes in which a simultaneous separation of methanation extraction streams and partial streams of linked CO2 sources such as biogas by means of gas separation membranes is necessary.
  • methanation processes in which the gas streams to be separated can be subject to fluctuations in their respective volume flows and compositions, e.g. due to different amounts of hydrogen supplied and thus load conditions in the methanation step.
  • the pure gas selectivity is determined by applying at least technically pure gas to the membrane in the membrane module on the feed side or pressure side. The measurement is carried out at the operating temperature of the membrane separation stage in which the membrane is used and at a feed-side pressure of 7 bara. The permeate-side pressure is measured at the permeate outlet and should not be more than 300 mbar above a standard atmosphere. The volumetric permeate flow is measured and recorded in the steady state.
  • the clean gas selectivity Sel A/B of a faster permeating component A and a slower permeating component B relative to component A is then calculated from the ratio of the standard volume permeate flows l and V B related to the respective pressure difference p feed - p Bpermeat - the calculation shows formula (F1).
  • Examples 1 and 2 show that the two gas separations can be carried out much more effectively in one plant according to the invention instead of in two separate gas separation plants.
  • the module geometry used is as follows.
  • the outer diameter of the membrane hollow fiber is 415 pm and the wall thickness of the membrane hollow fibers is 74 pm.
  • the fiber length is 1 m and the module diameter is 0.16 m.
  • one membrane separation unit corresponds to one membrane module in the simulation.
  • the number of fibers is 76700.
  • the heat transfer coefficient of the fiber is 4 W/(m 2 K).
  • one membrane separation unit corresponds to one membrane module in the simulation.”
  • Example series 1 (example 1.1 to 1.9):
  • a separation system as shown in Figure 1 is used.
  • the first feed gas stream in the first feed gas line (7) consists of 50 vol-% carbon dioxide (CO2) and 50 vol-% methane (CHU).
  • the second feed gas stream in the second feed gas line (8) consists of 10 vol-% hydrogen (H2) and 90 vol-% CHU.
  • the two feed gas streams are fed to a membrane separation stage consisting of a membrane block (1) with 10 membrane separation units (MTE) (2i - 2io), as shown in Figure 1.
  • MTE membrane separation units
  • the permeates and retentates of the respective MTEs are fed via permeate gas lines (10i
  • the individual MTEs are each identical and contain polyimide hollow fiber membranes which are operated in countercurrent.
  • the two feed gas streams are fed at an identical feed gas temperature of 25°C via the feed gas line (7) and (8) to a distribution line (4) at its opposite ends and from there via the feed lines (61 - 610) to the respective MTEs (2i
  • the pressure of the retentate gas streams is kept at an identical pressure of 10.00 bara by means of valves in the retentate gas outlets (12) and (13).
  • the pressure of the feed gas streams in the feed lines (7) or (8) slightly different values of 10.08 to 10.1 bara arise due to pressure loss by varying the volume flows. Compositions, temperatures, volume flows (flows) and pressures of the two feed gas streams can be found in Tables 1 a and 1 b.
  • the pressure of the permeate gas streams is set to 1.01 bara by means of valves in the permeate gas outlets (15) and (16).
  • the respective MTEs have a separation capacity of 53000 GPU*m 2 for hydrogen (H2), 26700 GPU*m 2 for CO2 and 530 GPU*m 2 for CPU. Accordingly, the selectivities, i.e. the ratio of the permeances of the membrane used in the MTE, are 100 for H2/CH4 and 50.4 for CO2/CH4.
  • the sum of the volume flows of both feed gas flows is always 1000
  • the different feed gas streams flow unmixed into the MTEs and the retentate gas and permeate gas streams are also drawn off without mixing. This is ensured by appropriate pigs in the distribution line (4) or the permeate collection pipe (14) and the retentate collection pipe (11).
  • the pressure loss via the distribution line (4) and branches (5) is only a few mbar, which means that the feed gas is distributed almost ideally between the MTEs in terms of quantity.
  • the second feed gas stream is fed to the remaining MTEs (22 to 2io) via the feed lines (62 to 610), the retentate gas of the retentate gas lines (92 to 9io) is discharged exclusively via the retentate gas discharge line (13) and the permeate gas of the permeate gas lines (1 O2 to 1 Oio) is withdrawn exclusively via the permeate gas discharge line (16).
  • the separation result in all four gas outlets (retentate gas outlets (12) and (13) as well as permeate gas outlets (15) and (16)) is the ideal achievable purities and yields, where the product of purity and yield is maximum for the given feed conditions.
  • Table 2a Table 2b:
  • Table 2c Table 2d: Example series 2 (examples 2.1 to 2.8)
  • Example series 2 corresponds to example series 1, with the difference that the feed gas flows are now twice as high and correspondingly different purities and yields result.
  • the separation result in all four gas outlets (retentate gas outlets (12) and (13) and permeate gas outlets (15) and (16)) is the ideally achievable purities and yields at which the product of purity and yield is maximum for the given feed conditions.
  • a system is considered in which the first and the second feed gas stream of the example series 2 are fed separately from one another to a separate membrane separation stage 1 or 2, respectively.
  • Table 5b Table 6a: Table 6b:
  • Table 6c Table 6d: The results of Tables 6a to 6d show that when operating the MTEs in the partial load range - caused by the variations in the feed streams - a satisfactory separation result cannot be achieved despite using twice the number of MTEs compared to the example series 2 according to the invention.
  • the yields of CHU in the retentate collapse and the purities of CO2 and H2 in the permeate decrease sharply.
  • example 3 the advantageous interaction of the methanation reactor (34) and the membrane block (1) according to the invention is shown in simulation calculations of a system according to Figure 14.
  • the pressure loss conditions in the membrane block (1) are already shown in example series 1 and 2.
  • water produced during the reaction is assumed to be completely separated upstream of the membrane block, and a temperature of 25°C is set in the feed gas streams to the membrane block.
  • the same membranes or membrane separation units as in examples 1 and 2 are used.
  • a second feed gas flow is obtained in the reactor outlet pipe of the methanation reactor (34), which simultaneously represents the second feed gas line (8), with the following composition: 12% H2, 5% CO2 and 83% CH4.
  • the volume flow in the second feed gas line (8) is variable according to the load condition.
  • the pressure in the second feed gas line (8) is 17 bar.
  • the load conditions are determined by the pressure supplied to the methanation reactor (34) via the hydrogen line. (35) supplied amount of pure H2 is specified.
  • a biogas stream in the raw gas line (36) of 10228 Nm 3 /h is present with the following composition: 55% CHU and 45% CO2.
  • a compressor unit (P) compresses the biogas stream and the returned permeate stream of the second feed stream from the return line (39) to 17 bara.
  • the CO2-rich permeate stream of the first feed stream is discharged via discharge line (15).
  • the retentate streams are discharged as a common product gas stream in the retentate outlet (12).
  • the aim is to obtain a product gas stream (12) with more than 95% CH4 despite the different load conditions.
  • the membrane block according to the invention contains 27 parallel membrane separation units (2i to 227) which are designed as in example series 1 & 2.
  • the pressure in all permeate streams is 1.3 bara.
  • Table 7 summarizes the results for the three very different load conditions.
  • the single-stage membrane block in Example 3 achieves the necessary purities of more than 95 vol% CPU in the product gas stream in the retentate discharge line (12) over the load range considered, with methane yields of more than 91% in the product gas stream, based on the methane supplied via the two feed gas streams in the feed gas lines (7) and (8).
  • the resulting distribution of the MTE with respect to the two feed gas streams is given in Table 7 as the contact point between the two adjacent MTEs.
  • load case (i) the 24 MTEs 2i to 224 are supplied with gas from the feed gas line (7) and the 3 MTEs 225 to 227 are supplied with gas from the feed gas line (8).
  • load case (iii) the situation is reversed. Only 3 MTEs 2i to 2a are supplied with gas from the feed gas line (7) and the 24 MTEs 2 to 227 are supplied with gas from the feed gas line (8). Accordingly, in example 3, the 21 MTEs 24 to 224 are used by the two different feed gas streams. Without the circuitry according to the invention, 21 additional or 78% more MTEs would have to be installed to fulfill the same separation task, which would mean considerably higher investment costs but also a significantly increased space requirement.
  • Distribution line if there are several membrane blocks and thus several distribution lines in a membrane separation stage, these are indexed from (4i) to (4 0 ), where o corresponds to the consecutive number and the number o to the number of distribution lines contained in a membrane separation stage
  • Retentate gas lines of the parallel connected membrane separation units of a membrane block are indexed from (9i) to (9 n ), where the index n corresponds to the consecutive number and the number n corresponds to the number of parallel connected membrane separation units

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Apparatur und ein Verfahren zur simultanen Auftrennung mehrerer Gasströme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen mittels Gasseparationsmembranen, wobei die jeweils der Apparatur bzw. dem Verfahren zugeführten Gasströme in ihren jeweiligen Volumenströmen und Zusammensetzungen Schwankungen unterliegen können.

Description

Apparat und Verfahren zur simultanen Behandlung verschiedener schwankender Gasströme in Bereich der Methanisierung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Apparatur und ein Verfahren zur simultanen Auftrennung mehrerer Gasströme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen mittels Gasseparationsmembranen, wobei die jeweils der Apparatur bzw. dem Verfahren zugeführten Gasströme in ihren jeweiligen Volumenströmen und Zusammensetzungen Schwankungen unterliegen können und mindestens einer der zugeführten Ströme CO2 enthält und mindestens ein weiterer Strom aus dem Ausgangsstrom einer Methanisierung entnommen ist und Methan sowie noch Reste an Wasserstoff enthält.
Unter Methanisierung wird die Umsetzung von Wasserstoff (H2) mit Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Methan (CH4) verstanden. Diese Umsetzung erlaubt es CO2 wieder in den chemischen Stoffkreislauf zurückzuführen und ist daher aus Nachhaltigkeitsgründen interessant.
Der für die Methanisierung notwendige Wasserstoff kann aus verschiedenen Quellen stammen. Bei der Bereitstellung von Wasserstoff mittels Wasserstoffelektrolyse kann der Wasserstoff einerseits besonders kostengünstig aus, zeitweise überschüssigem und damit besonderes kostengünstigem, elektrischen Strom und andererseits besonders nachhaltig mit Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wasserkraft gewonnen werden. In beiden Fällen ergeben sich schwankende Mengen an Wasserstoff.
Wird einem Methanisierungsschritt eine schwankende Menge an Wasserstoff zu geführt, da z.B. der Aufwand für eine komplette Nivellierung der Zufuhrmenge zu hoch ist, so hat dies Auswirkungen auf den Bedarf, d.h. die der Methanisierung zugeführte Menge, an CO2 Ferner schwanken die Menge und/oder Zusammensetzung des Entnahmestroms des Methanisierungsschritts.
In der WQ2015 / 0I7875 wird ein Prozess beschrieben, in dem der in seiner Menge und seinem Volumen schwankende, CO2 und CPU enthaltende, Produktgasstrom einer Biogasanlage sowie ein Wasserstoffstrom einer Methanisierung zugeführt und anschließend der Produktgasstrom der Methanisierung mittels Membranseparation aufgetrennt werden. Mittels der Membranseparation wird vom Zielprodukt Methan nicht umgesetzter Wasserstoff oder auch nicht umgesetztes CO2 abgetrennt. Im Fall einer ex-situ Direktmethanisierung von Biogas, d.h. der Methanisierung von ggf. vorgereinigtem aber nicht oder nur wenig bzgl. CO2 behandeltem Biogas in einem separatem Methanisierungsschritt, bedeutet eine schwankende Zufuhrmenge zur Methanisierung, dass auch die Zufuhrmenge des methanisierten Gases zur membranbasierten Gasseparation Schwankungen unterliegt. Das Problem der wechselnd hohen Edukt- und Produktströme wird über aufwendige Gas- bzw. Flüssigspeicher gelöst. Alternative Ansätze für die Behandlung unterschiedlicher, schwankender Gasströme mit Gasseparationsmembranen sind Verfahren, in denen entweder separate Membrantrennstufen für die verschiedenen Gasströme vorgesehen werden, oder in denen die Ströme gemischt und als ein Mischstrom einer Membrantrennstufe zugeführt werden, womit das angestrebte Trennergebnis nicht oder nur mit deutlichen Mehraufwand erreicht werden kann. Zudem müssen die Schwankungen in den Gasströmen bzgl. Menge oder Zusammensetzung mit ggf. starken Eingriffen in Betriebsparameter wie Druck, Temperatur und Membranfläche kompensiert werden. Das Vorsehen entsprechender Überkapazitäten oder Gasspeicher ist teuer.
So wird z.B. in der US 2020/0254383 eine Anlage zur Auftrennung von Gasgemischen offenbart, welche nur eine Feedgasleitung aufweist. Diese Anlage ist nicht in der Lage zwei verschiedene, schwankende Gasströme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Volumenströmen effizient und ohne aufwendige Steuerungs- und Regelungstechnik zu behandeln.
Es besteht daher ein hoher Bedarf an effizienten Apparaturen und Verfahren zur simultanen Auftrennung mehrerer Gasströme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen im Bereich der Methanisierung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher eine neue Apparatur und ein neues Verfahren bereitzustellen, welches die Nachteile der Apparaturen und Verfahren des Standes der Technik nicht oder nur in verringertem Maße aufweisen.
Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine neue Apparatur und ein neues Verfahren bereitzustellen, in denen die Behandlung schwankender Gasströme in Prozessen in denen sowohl ein Produktstrom eines Methanisierungsreaktors, enthaltend CPU und H2, als auch ein weiterer, CO2 enthaltender Gasstrom, aufgetrennt werden müssen, mit einem möglichst einfachen Apparat bzw. einfachen Verfahren, bevorzugt mit möglichst reduzierten Überkapazitäten bzgl. Membranfläche und / oder Gasspeicher und / oder Kompressorleistung und / oder Temperaturregelung und/oder Druckregelung, erreicht werden kann.
Eine weitere, spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine neue Apparatur und ein neues Verfahren bereitzustellen, welches ohne aufwendige Steuerungsund Regelungstechnik auskommt.
Eine weitere, spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine neue Apparatur und ein neues Verfahren bereitzustellen, welche eine sehr hohe Flexibilität im Hinblick auf die Verwendung der nach der Auftrennung erhaltenen Gasströme aufweist. Eine weitere, spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine neue Apparatur und ein neues Verfahren bereitzustellen, welche für den Einsatz regenerativer Energien, welche nur in stark schwankenden Mengen verfügbar sind, geeignet ist und dadurch einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten.
Eine weitere, spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine neue Apparatur und ein neues Verfahren bereitzustellen, welche es erlauben, ggf. stark gegenläufig schwankende Gasströme, für möglichst jeden Betriebspunkt, mit einer möglichst einfachen Apparatur auf die gewünschten Zielreinheiten der jeweiligen Produktströme zu bringen.
Eine weitere, spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine neue Apparatur und ein neues Verfahren bereitzustellen, welche es erlauben, in ihrer Zusammensetzung und/oder ihrem Volumenschwankende Produktgasströme einer Methanisierung effizienter aufzutrennen als Verfahren des Standes der Technik, wobei gleichzeitig hohe Methanreinheiten und Methanausbeuten im Methanproduktstrom erzielbar sein sollen.
Die erfindungsgemäße Apparatur und Anlage soll es ermöglichen über eine breite Bandbreite an Volumenstromschwankungen des CO2 enthaltenden und des aus der Methanisierung stammenden Rohgasstroms, diese in Methan-angereicherte Produktströme mit gleichbleibender Methanausbeute und Reinheit. Sowohl die Methanausbeute als auch die Methanreinheit des Methan-angereicherten Produktstroms sollen je nach Bedarf einstellbar sein.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Beispiele, Ansprüche und Abbildungen.
Die Erfinder haben nun überraschend gefunden, dass die genannten Aufgaben mit einer Apparatur nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 20 gelöst werden können. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Die erfindungsgemäße Apparatur und das Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass zwei oder mehr Feedgasströme, welche sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, einer Membrantrennstufe zugeführt werden, wobei der erste Feedgastrom CO2 enthält und ein zweiter Feedgasstrom ein Entnahmestrom eines Methanisierungsschritts ist, der sich in seiner Zusammensetzung vom ersten Feedgasstrom unterscheidet und der neben Methan noch nicht umgesetzten Wasserstoff und/oder CO2 enthält, die Membrantrennstufe einen Membranblock oder mehrere Membranblöcke enthält, der Membranblock oder die Membranblöcke jeweils mehrere, parallel verschaltete, Membrantrenneinheiten umfasst / umfassen, die Feedgasströme an räumlich voneinander getrennten Stellen, einer Gasverteilung zugeführt werden, so dass zwei oder bevorzugt mehr als zwei Membrantrenneinheiten zwischen den Anschlussstellen der Feedgasströme angeordnet sind.
Beispielhaft an einem Membranblock, dem zwei Feedgasströme 1 und 2 zugeführt werden, näher erläutert, bedeutet dies, dass einer oder mehreren Membrantrenneinheit(en) des Membranblocks, durch das erfindungsgemäße Gasverteilungssystem, der Feedgasstrom 1 mit einer Zusammensetzung 1 , wobei eine Komponente CO2 ist, und einer oder mehreren davon unterschiedlichen Membrantrenneinheit(en) des Membranblocks, durch das erfindungsgemäße Gasverteilungssystem, der Feedgasstrom 2, welcher ein Entnahmestrom eines Methanisierungsschritts ist, mit der Zusammensetzung 2, wobei neben Methan noch CO2 und/oder Wasserstoff enthalten ist/sind, zugeführt wird/werden. Wiederum weiteren, von den zuvor genannten Membrantrenneinheiten unterschiedlichen, Membrantrenneinheiten des Membranblocks können, durch das erfindungsgemäße Gasverteilungssystem, auch Mischgasströme, enthaltend, bevorzugt bestehend aus, einem Gemisch der Feedgasströme 1 und 2, zugeführt werden. Bevorzugt werden möglichst wenigen, besonders bevorzugt keinen, Membrantrenneinheiten des Membranblocks Mischgasströme und möglichst vielen entweder der Feedstrom 1 oder der Feedstrom 2 zugeführt.
Durch das erfindungsgemäße Gasverteilungssystem kann die Anzahl der Membrantrenneinheiten, denen die jeweilig unterschiedlichen Gasströme zugeführt werden, eingestellt oder auch aktiv gesteuert bzw. geregelt werden. Bevorzugt erfolgt die Einstellung durch den Volumenstrom oder Massenstrom der jeweiligen Feedgasströme und/oder durch den Eingangsdruck der Feedgasströme relativ zueinander. Das bedeutet z.B., dass wenn der Volumenstrom und/oder Massenstrom und/oder Druck eines Feedgasstroms abnimmt, dieser in den jeweiligen Membranblöcken weniger Membrantrenneinheiten zugeführt wird und gleichzeitig ein anderer Feedgasstrom dafür mehr Membrantrenneinheiten zugeführt wird. Erfolgt die Steuerung über die Drücke der Feedgasströme, so ist der erfindungsgemäß anwendbare Bereich des Differenzdrucks zwischen den Feedgasströmen limitiert auf Differenzdrücke welche darin resultieren, dass jeder Feedgasstrom mindestens einer Membrantrenneinheit des Membranblocks zugeführt wird. Wird der Differenzdruck nämlich zu groß, so könnte der Feedgasstrom mit dem geringeren Druck vollständig aus der Membrantrennstufe verdrängt werden.
Die erfindungsgemäße Apparatur und das erfindungsgemäße Verfahren weisen den Vorteil auf, dass bei gegenläufigem Kapazitätsbedarf der aufzutrennenden Feedgasströme flexibel und schnell reagiert und die Trennkapazitäten in den Trennstufen und Membranblöcken immer optimal genutzt werden können. Ein besonders großer Vorteil der erfindungsgemäßen Apparatur und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Steuerung und Regelung ohne großen apparativen und regelungstechnischen Aufwand, wie z.B. eine hohe Anzahl von automatischen Ventilen, erreicht werden kann und mehr von einem Feedgasstrom als von einem anderen Feedgasstrom behandelt werden kann.
Das erfindungsgemäße Gasverteilungssystem hat zudem den Vorteil, dass es derart ausgestaltet werden kann, dass die aufzureinigenden Gasströme ohne bzw. lediglich mit einer geringen Vermischung den jeweiligen Membrantrenneinheiten zugeführt werden können. Dies ermöglicht eine Beschickung der verschiedenen Membrantrenneinheiten mit aufzutrennenden Feedgasströmen in deren ursprünglicher bzw. weitgehend ursprünglicher Zusammensetzung. Ein solches System hat wiederum den Vorteil, dass unterschiedliche Feedgasströme innerhalb ein und dergleichen Installation weitestgehend separat behandelt werden können.
Durch die Möglichkeit den einzelnen Membrantrenneinheiten unterschiedlichen Gasströme in deren ursprünglicher bzw. weitgehend ursprünglicher Zusammensetzung zuzuführen, werden in den unterschiedlichen Membrantrenneinheiten in Zusammensetzung und/oder Volumenstrom unterschiedliche Permeat- und Retentatströme erhalten.
Die erfindungsgemäße Apparatur und das erfindungsgemäße Verfahren kommen ohne aufwendige Zusatzgerätschaften bzw. mit deutlich weniger bzw. mit kleineren Zusatzgerätschaften, wie z.B. Pufferbehälter und/oder Druckspeicher zum Abfangen von Schwankungen der unterschiedlichen aufzureinigenden Gasströme aus. Sie weisen somit erhebliche wirtschaftliche Vorteile auf. Die erfindungsgemäße Apparatur bzw. das Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese Schwankungen mit minimalem apparativem Aufwand ausgeglichen werden können, so dass in ihrem Volumenstrom, und/oder Zusammensetzung konstante Produktströme erhalten werden können.
Sinkt z.B. der Druck des ersten Feedgasstroms, im Rahmen des erfindungsgemäß zulässigen Bereichs für den Differenzdruck zum zweiten Feedgasstrom, ab, so führt dies in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich dazu, dass dieser Feedgasstrom weniger Membrantrenneinheiten zugeführt wird und der zweite Feedgasstrom dafür mehr Membrantrenneinheiten zugeführt wird. Keine Membrantrenneinheit muss unter Teillast gefahren werden und die Permeat- und Rete ntatd rücke können konstant gehalten werden.
Würde man hingegen eine Apparatur wie im Vergleichsbeispiel 1 verwenden, d.h. den ersten Feedgasstrom einer ersten Membrantrennstufe und den zweiten Feedgasstrom einer zweiten Membrantrennstufe zuführen, und würde der Druck im 1 . Feedgasstrom sinken, so würde dies ein gleichzeitiges Absinken des Drucks der Retentatgasströme der ersten Membrantrennstufe nach sich ziehen und eine zweite Komprimierungseinheit, bevorzugt ein zweiter Kompressor, zur Rekomprimierung dieser Retentatgasströme müsste verwendet werden.
Sinkt z.B. die Menge des ersten Feedgasstroms ab, so führt dies in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich dazu, dass dieser Feedgasstrom weniger Membrantrenneinheiten zugeführt wird und gleichzeitig der zweite Feedgasstrom mehr Membrantrenneinheiten zugeführt wird. Keine Membrantrenneinheit muss unter Teillast gefahren werden und die Permeat- und Retentatdrücke können konstant gehalten werden. Würde man hingegen eine Apparatur verwenden in der der erste Feedgasstrom einer ersten Membrantrennstufe und den zweiten Feedgasstrom einer zweiten Membrantrennstufe zugeführt werden, und die Menge im 1.
Feedgasstrom würde sinken, so müsste die Trennkapazität der ersten Membrantrennstufe angepasst werden. Mögliche Maßnahmen wären das Wegschalten von Membrantrenneinheiten durch Ventile, Anpassung der Betriebstemperatur, Erhöhung des Permeatdrucks oder Reduzierung des Retentatdrucks. Eine Reduzierung des Retentatdrucks ließe sich noch mit relativ geringem Aufwand umsetzten, jedoch würde ein Absinken des Drucks der Retentatgasströme häufig eine zweite Komprimierungseinheit, bevorzugt einen zweiten Kompressor oder Booster, zur Rekomprimierung der Retentatgasströme notwendig machen, da bei weiterer Verwendung des Retentats häufig ein konstanter Druck der Retentatgasströme benötigt wird.
Die erfindungsgemäße Apparatur und das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere vorteilhaft zur Steigerung des Einsatzes regenerativer Energien, da diese häufig nur in stark schwankenden Mengen verfügbar sind. Sie leisten dadurch einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz.
Weitere nicht explizit genannte Vorteile ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Beispiele, Ansprüche und Abbildungen.
Einzelne Merkmale, die nachfolgend im Zusammenhang mit konkreten Ausführungsbeispielen angeben und/oder dargestellt sind, sind nicht auf diese Ausführungsbeispiele oder die Kombination mit den übrigen Merkmalen dieser Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der technischen Möglichkeiten, mit jeglichen anderen Varianten, auch wenn sie in den vorliegenden Unterlagen nicht gesondert behandelt sind, kombiniert werden.
Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren und Abbildungen der Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche oder gleich oder ähnlich wirkende Komponenten. Anhand der Darstellungen in der Zeichnung werden auch solche Merkmale deutlich, die nicht mit Bezugszeichen versehen sind, unabhängig davon, ob solche Merkmale nachfolgend beschrieben sind oder nicht. Andererseits sind auch Merkmale, die in der vorliegenden Beschreibung enthalten, aber nicht in der Zeichnung sichtbar oder dargestellt sind, ohne weiteres für einen Fachmann verständlich.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage zur Auftrennung von Gasgemischen, enthaltend a. eine erste Feedgasleitung (7), die geeignet bzw. derart ausgestaltet ist, einen ersten Feedgasstrom, welcher CO2 enthält zu transportieren, und eine zweite Feedgasleitung (8) die geeignet bzw. derart ausgestaltet ist, einen zweiten, in der Zusammensetzung vom ersten Feedgasstrom unterschiedlichen, Feedgasstrom, enthaltend CH4 und H2 und/oder CO2, zu transportieren, b. Eine Membrantrennstufe, umfassend einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1), wobei der Membranblock (1) / die Membranblöcke (1) jeweils mehrere parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2) umfasst / umfassen, wobei o jede Membrantrenneinheit (2) jeweils einen Gaseinlass (3) oder mehrere Gaseinlässe (3) und Gasseparationsmembranen aufweist und das durch den Gaseinlass (3) oder die Gaseinlässe (3) zugeführte Gasgemisch mittels der Gasseparationsmembranen in einen Retentatgasstrom oder mehrere Retentatströme und einen Permeatgasstrom oder mehrere Permeatgasströme auftrennt, und o jede Membrantrenneinheit (2) jeweils einen Retentatgasauslass (30) oder mehrere Retentatgasauslässe (30) für den Retentatgasstrom bzw. die Retentatströme, welche(r) jeweils bevorzugt an eine Retentatgasleitung (9) angeschlossen oder mittels einer oder mehreren Retentatverbindungsleitung(en) (32) mit einem oder zwei RetentatgasauslassZ-auslässen (30) der benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2) des gleichen Membranblocks (1) verbunden ist, und einen Permeatgasauslass (31) oder mehrere Permeatgasauslässe (31) für den Permeatgasstrom bzw. die Permeatgasströme, der/die jeweils bevorzugt an eine Permeatgasleitung (10) angeschlossen oder mittels einer oder mehreren Permeatverbindungsleitung(en) (33) mit einem oder zwei Permeatgasauslass/- auslässen (31) der benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2) des gleichen Membranblocks (1) verbunden ist, aufweist, und c. eine Gasverteilung, die derart ausgestaltet ist, dass
• sie Verbindungsleitungen (18), die jeweils die Gaseinlässe (3) zweier benachbarter Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1), bevorzugt direkt und unmittelbar, miteinander verbinden, umfasst, und/oder eine oder mehrere Verteilleitung(en) (4), die jeweils mehrere Abzweigungen (5) enthält/enthalten, die jeweils mittels separater Zuführleitungen (6) mit den Gaseinlässen (3) der einzelnen Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) verbunden sind, umfasst, wobei eine oder mehrere Abzweigung(en) (5) zusätzlich auch noch eine Anschlussmöglichkeit für eine Feedgasleitung aufweisen können, so dass mittels der Abzweigung(en) (5) jeweils gleichzeitig eine Feedgasleitung und eine Zuführleitung (6) an die jeweilige Verteilleitung (4) angeschlossen sein können,
• sie, sofern die Membrantrennstufe mehrere Membranblöcke (1) umfasst, Rohrleitungen, bevorzugt Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b) umfasst, die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbinden,
• die stromabwärts liegenden Enden der erste Feedgasleitung (7), der zweiten Feedgasleitung (8), sowie optional weitere Feedgasleitungen, unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, jeweils an eine Verteilleitung (4) oder eine Verbindungsleitung (18) oder eine Abzweigung (5), oder, sofern vorhanden, an eine Rohrleitung die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbindet, bevorzugt eine Rohrleitung (19a, 19b, 20a oder 20b), oder an einen Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2), bevorzugt unmittelbar und direkt, angeschlossen sind, wobei die Anschlussstellen derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr als zwei Abzweigungen (5) und/oder zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeordnet sind, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Methanisierungsreaktor (34), eine Wasserstoffquelle mit einer Wasserstoffleitung (35) und eine Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom mit einer Rohgasleitung (36) enthält und dass das stromaufwärts liegenden Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der mit der Rohgasleitung (36) der Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom, das stromaufwärts liegenden Ende der zweiten Feedgasleitung (8) mit dem Produktgasauslass des methanangereicherten Produktgasstroms des Methanisierungsreaktors (34) oder mit einer entsprechenden Produktgasausgangsleitung des Methanisierungsreaktors (34), und der Wasserstoffgaseinlass des Methanisierungsreaktors (34) mit der Wasserstoffquelle mittels einer Wasserstoffleitung (35) verbunden sind.
Die Anzahl der Abzweigungen (5) und/oder Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) beträgt bevorzugt mindestens 3, besonders bevorzugt mindestens 4, ganz besonders bevorzugt mindestens 5, speziell bevorzugt mindestens 7 und ganz speziell bevorzugt mindestens 9. Die Obergrenze kann z.B. der Anzahl der Membrantrenneinheiten pro Block entsprechen, kann sich aber bei mehreren Membranblöcken pro Membrantrennstufe auch noch weiter erhöhen, wie z.B. in Abbildung 4a und 5a gezeigt. Werden einer erfindungsgemäßen Membrantrennstufe mehr als zwei Feedgasleitungen zugeführt, werden die Anschlussstellen der Feedgasleitungen räumlich bevorzugt derart angeordnet, dass zwei oder mehr als zwei Abzweigungen (5) und/oder zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellender von jeweils zwei Feedgasleitungen angeordnet sind. Beispiele dafür finden sich in den Abbildungen 4 bis 9.
Unter einer „Leitung“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Rohrleitungen verstanden durch die Gasströme fließen.
Unter „einer Rohrleitung, die unmittelbar und direkt an eine andere Rohrleitung angeschlossen ist“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass ein Gasstrom, in dem Moment, in dem er aus der ersten der beiden unmittelbar und direkt aneinander angeschlossenen Rohrleitung austritt, in die zweite der unmittelbar und direkt aneinander angeschlossenen Rohrleitung eintritt, d.h. keine dritte Rohrleitung, zwischen der ersten und zweiten Rohrleitung passieren muss.
Eine Membrantrenneinheit ist im Wesentlichen charakterisiert durch das Vorhandensein technisch nutzbarer Anschlüsse für das druckseitige Zuführen eines zu trennenden Gasstroms (Gaseinlass (3)), dem so genanntem Feed bzw. Feedstrom bzw. Feedgas bzw. Feedgasstrom, zum Membranmaterial sowie für das Abführen von Gas(en) druckseitig (Retentatgasauslass (30)), dem so genannten Retentat bzw. Retentatgas bzw. Retentatgasstrom bzw. Retentatstrom, und für das Abführen von Gas(en), welche(s) durch das Membranmaterial permeiert ist/sind (Permeatgasauslass (31) bzw. Permeatgasauslässe (31a) und (31 b)), dem sogenannten Permeat bzw. Permeatgas bzw. Permeatgasstrom bzw. Permeatstrom. Im Fall einer Triebkrafterzeugung durch Spülgas gibt es die permeatseitige Anschlussmöglichkeit für ein solches. Bevorzugt ist, dass druckseitige Konzentrations-, Druck- und Temperaturprofile entlang der jeweiligen Hauptströmungsrichtung kontinuierlich sind, und dass das Permeat ohne Zwischenschritt in einem gemeinsamen Permeatraum wie z.B. einem Gehäuse oder einem Permeatrohr der jeweiligen Membrantrenneinheit anfällt.
Bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Membrantrenneinheiten (2) einen Permeatgasauslass (31) auf. Besonders bevorzugt ist dieser Permeatgasauslass (31) so an der Membrantrenneinheit (2) angeordnet, dass das Permeat aus der Membrantrenneinheit (2) im Gegenstrom entnommen wird, d.h. Permeatgasauslass (31) ist bevorzugt nahe dem Feedgaseinlass (3) angeordnet.
Ebenfalls bevorzugt können in den Anlagen und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung Membrantrenneinheiten (2) eingesetzt werden, welche zwei Permeatgasauslässe (31 a) und (31 b) aufweisen. Besonders bevorzugt sind diese Permeatgasauslässe (31 a) und (31 b) so auf der Permeatseite der Membrantrenneinheit (2) angeordnet, dass das Permeat an zwei merklich unterschiedlichen Positionen der Membrantrenneinheit (2) entnommen wird. Ganz besonders bevorzugt sind die Permeatgasauslässe (31 a) und (31 b) so an der Membrantrenneinheit (2) angeordnet, dass ein Teil des Permeats über Permeatgasauslass (31 a) vorwiegend im Gegenstrom und dabei nahe dem Feedgaseinlass (3) und der andere Teil über Permeatgasauslass (31 b) vorwiegend im Gleichstrom und dabei nahe dem Retentatgasauslass (30) entnommen wird. Der Permeatstrom, der nahe dem Retentatgasauslass (30) über Permeatgasauslass (31 b) überwiegend im Gleichstrom abgezogen wird, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Rete ntat permeat bezeichnet. Das Retentatpermeat weist gegenüber dem Permeat, welches im Gegenstrom über Permeatgasauslass (31 a) abgezogen wird, in der Regel eine geringere Reinheit der am schnellsten permeierenden Komponente bzw. der konzentrationsmäßig dominierende schneller permeierenden Komponente auf. Das Permeat aus Permeatgasauslass (31 a) und das Retentatpermeat aus Permeatgasauslass (31 b) können unabhängig voneinander weiterverarbeitet werden. Ein Beispiel hierfür wird in Abbildung 15 gezeigt.
Bevorzugte Membrantrenneinheit sind nachfolgende Ausführungsformen
A. ein Gasseparationsmodul
B. ein mit einer Gasseparationskartusche oder mehreren seriell verschalteten Gasseparationskartuschen bestücktes Gehäuse, wobei in der Ausführungsform mit mehreren seriell verschalteten Gasseparationskartuschen die Membrantrenneinheit bevorzugt derart ausgestaltet ist, dass entweder der Retentatgasauslass der jeweiligen Gasseparationskartusche mit dem Gaseinlass der jeweils stromabwärts folgenden Gasseparationskartusche mittels einer Gasleitung direkt verknüpft ist und die Permeate aller Gasseparationskartuschen in einem direkt kommunizierenden Gasraum, z.B. dem Gehäuseraum, anfallen oder der Retentatgasauslass der jeweiligen Gasseparationskartusche mit dem Gaseinlass der jeweils stromabwärts folgenden Gasseparationskartusche mittels eines kommunizierenden Gasraums, wie z.B. dem Gehäuseraum, verknüpft ist und jede Kartusche ein Permeatsammelrohr aufweist, welches mit dem Permeatsammelrohr der jeweils stromabwärts folgenden Gasseparationskartusche mittels einer Gasleitung direkt verknüpft ist
C. mehrere seriell verschaltete Gasseparationsmodule, wobei der Retentatgasauslass des jeweiligen Gasseparationsmoduls mit dem Gaseinlass des jeweils stromabwärts folgenden Gasseparationsmoduls mittels einer Gasleitung direkt verknüpft ist und die Membrantrenneinheit derart ausgestaltet ist, z.B. mittels eines Permeatrohrs der jeweiligen Membrantrenneinheit, dass die Permeate aller Gasseparationsmodule der Membrantrenneinheit zusammengeführt werden,
D. mehrere seriell verschaltete, mit einer Gasseparationskartusche oder mehreren seriell verschalteten Gasseparationskartuschen bestückte, Gehäuse, wobei jedes einzelne Gehäuse bevorzugt wie für Ausführungsform B. beschrieben ausgestaltet ist und die seriell verschalteten Gehäuse derart ausgestaltet sind, dass der Retentatgasauslass des jeweiligen Gehäuses jeweils mit dem Gaseinlass des jeweils stromabwärts folgenden Gehäuses mittels einer Gasleitung direkt verknüpft ist und die Membrantrenneinheit derart ausgestaltet ist, z.B. mittels eines Permeatrohrs der jeweiligen Membrantrenneinheit, das die Permeate aller Gehäuse der Membrantrenneinheit zusammengeführt werden.
Bevorzugte Gasseparationskartuschen sowie mit einer oder mehreren, seriell verschalteten Gasseparationskartuschen bestückte Gehäuse, werden in der EP 3307424 B1 offenbart. Der Inhalt dieser Patentschrift wird hiermit in den Inhalt dieser Beschreibung einbezogen.
Gasseparationsmodule unterscheiden sich dadurch von Gasseparationskartuschen, dass sie eine komplette Separationseinheit, inklusive druckfestem Gehäuse darstellen. Kartuschen hingegen werden in separaten, druckfesten Gehäusen, bevorzugt in fest in die Separationsanlage eingebaute Gehäuse eingesetzt, dabei kann/können in das Gehäuse eine Kartusche aber auch mehrere seriell hintereinander geschaltete Kartuschen eingesetzt werden. Kartuschen haben den Vorteil, dass bei ihrem Austausch niedrigere Kosten anfallen als bei Modulen, da das kostspielige, druckfeste Gehäuse nicht mit ersetzt werden muss.
Während im Bereich der Biogasaufbereitung in der Regel kleinvolumige Kartuschen oder Module verwendet werden, werden z.B. im Bereich der Aufreinigung von Erdgas großvolumige Kartuschen oder Module benötigt, um große Gasmengen bewältigen zu können. Ferner werden in diesem Einsatzgebiet Kartuschen und Module benötigt, die bei höheren Feedgasdrücken, vorzugsweise von 30 bis 100 bar, verwendet werden können.
Gasseparationsmodule und -kartuschen können Flachmembranen enthalten, die z.B. um ein zentral angeordnetes Permeatrohr gewickelt sind.
Daneben gibt es Kartuschen bzw. Module umfassend Hohlfasermembranen. Beispiele dafür finden sich in US 3422008, US 3455460, US 3475331 , US 4207192, US 4210536, US 4220489, US 4430219, US 4631128, US 4715953, US 4865736, US 4881955, US 5084073, US 5160042, US 5299749, US 5411662, US 5702601 , US 5837032, US 5837033, US 5897729, US 7410580, US 7998254, US 8747980, US 8778062. Der Inhalt dieser Publikationen wird hiermit explizit in den Inhalt der vorliegenden Beschreibung mit einbezogen.
In Rahmen der vorliegenden Erfindung können im Prinzip alle dem Fachmann bekannten Membrantrenneinheiten verwendet werden. Bevorzugte Membrantrenneinheiten werden in der US 2016/0151744, der US 10,933,378, der US2018/0221824 beschrieben. Der Inhalt dieser Publikationen wird hiermit explizit in den Inhalt der vorliegenden Beschreibung mit einbezogen. Eine erfindungsgemäße Membrantrennstufe umfasst einen „Membranblock“ oder mehrere „Membranblöcke“ wobei der Membranblock bzw. die Membranblöcke wiederum jeweils mehrere parallel verschaltete Membrantrenneinheiten umfassen. Bevorzugt umfasst jeder Membranblock einer erfindungsgemäßen Membrantrennstufe mindestens zwei, besonders bevorzugt mehr als 5, ganz besonders bevorzugt mehr als 10 Membrantrenneinheiten. Die Anzahl Membrantrenneinheiten pro Membranblock richtet sich nach den Gasquellen und insbesondere dem zu verarbeitenden Gasvolumen. Der Einsatz von mehreren hundert Membrantrenneinheiten ist im Bereich der Gasseparation mit Membranen möglich.
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst zudem eine „Gasverteilung“. Bevorzugt ist die Gasverteilung derart ausgestaltet, dass die Feedgasströme mittels der Gasverteilung derart den Membrantrenneinheiten des Membranblocks bzw. der jeweiligen Membranblöcke zugeführt werden, dass sie innerhalb eines Membranblocks in einer Rohrleitung aufeinander zufließen und/oder in einer oder mehreren Rohrleitungen, die die Membranblöcke einer Membrantrennstufe miteinander verbinden, aufeinander zufließen.
„In einer Rohrleitung aufeinander zufließen“ umfasst dabei folgende Ausführungsformen (nicht abschließende Auflistung): zwei Gasströme fließen in ein und demselben Rohr aufeinander zu, an einen Gaseinlass einer Membrantrenneinheit, eines Membranblocks, einer erfindungsgemäßen Membrantrennstufe, sind zwei Verbindungsleitungen angeschlossen. Zwei Feedgasströme fließen durch die beiden Verbindungsleitungen aufeinander zu und treffen sich im Gaseinlass in einer erfindungsgemäßen Verteilleitung, die Abzweigungen enthält, fließen zwei Feedgasströme aufeinander zu und treffen zwischen zwei Abzweigungen oder an einer Abzweigung aufeinander in einer erfindungsgemäßen Gasleitung, die mehrere Membranblöcke einer Membrantrennstufe miteinander verbindet und daher Abzweigung zu den jeweiligen Membranblöcken aufweist, fließen zwei Feedgasströme aufeinander zu und treffen zwischen zwei Abzweigungen oder an einer Abzweigung aufeinander.
Besonders bevorzugt werden die Feedgasströme mittels der Gasverteilung derart den Membrantrenneinheiten des Membranblocks bzw. der jeweiligen Membranblöcke zugeführt, dass mindestens zwei Membrantrenneinheiten eines Membranblocks, besonders bevorzugt jeweils mindestens zwei Membrantrenneinheiten von mehreren Membranblöcken einer Membrantrennstufe, ganz besonders bevorzugt jeweils mindestens zwei Membrantrenneinheiten in allen Membranblöcken einer Membrantrennstufe, jeweils in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Gasströme zugeführt. In den beiden zuvor beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen sind Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) daher besonders bevorzugt, unabhängig voneinander, räumlich derart angeordnet, dass der erste Feedgasstrom und der zweite Feedgasstrom innerhalb eines Membranblocks (1) oder mehrerer Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe, bevorzugt in einer oder mehreren Verteilleitung(en) (4) und/oder in Verbindungsleitung(en) (18) und/oder innerhalb der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbindet/verbinden, bevorzugt innerhalb der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b), aufeinander zufließen, und/oder dass in einem Membranblock (1), bevorzugt in mehreren Membranblöcken (1), besonders bevorzugt in allen Membranblöcken (1), der Membrantrennstufe jeweils mindestens zwei verschiedenen Membrantrenneinheiten (2) Gasströme zugeführt werden, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden.
Die erfindungsgemäße Gasverteilung ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die Feedgasströme wie zuvor beschrieben aufeinander zufließen, so dass es Kontaktstellen in der erfindungsgemäßen Anlage gibt, an denen die der Gasverteilung zugeführten Feedgasströme aufeinandertreffen. An diesen Kontaktstellen kann es zu gewissen Durchmischungen der Feedgasströme kommen. Erfindungsgemäß bevorzugt soll die Durchmischung weitgehend unterbunden und/oder geregelt werden können. Dies kann durch geeignete, ergänzende konstruktive Maßnahmen der erfindungsgemäßen Anlage an den potenziellen Kontaktpunkten erfolgen. Bevorzugte konstruktive Maßnahmen sind Reduzierung der Leitungsquerschnitte und/oder Verlängerung der Leitungsabschnitte und/oder Einbringen von statischen Mischern und/oder Einsatz von Molchen in den Gasleitungen. Als Molche können passive Molche, d.h. Molche deren Position in den Gasleitungen der Gasverteilung durch die Eigenschaften der Feedgasströme, z.B. deren Druck oder olumenstrom, gesteuert wird, oder aktiv gesteuerte Molche, d.h. Molche deren Position in den Gasleitungen der Gasverteilung, z.B. mittels eines Magneten, unabhängig von den Eigenschaften der Feedströme festgelegt wird, verwendet werden. Bevorzugt werden passive Molche eingesetzt.
Die in den Membrantrenneinheiten eines Membranblocks erzeugten Permeatströme können vollständig zu einem Permeatgasstrom zusammengeführt und danach entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen werden, oder zum Teil zusammengeführt werden, wodurch mehrere Permeatgasströme erhalten werden, welche danach unabhängig voneinander entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen werden, oder zum Teil zusammengeführt werden, wodurch ein oder mehrere Permeatgasstrom/- strömen erhalten wird/werden, welche(r) danach unabhängig voneinander entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen wird/werden, und zum Teil einzeln entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen werden, oder alle einzeln entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen werden.
Bevorzugt werden die Permeatgasströme derart zusammengeführt, dass die erhaltene Anzahl der Permeatgasströme der Anzahl der Feedgasströme entspricht und die Zusammensetzung der Permeatgasströme maximal unterschiedlich ist. Besonders bevorzugt werden alle Permeatgasströme der Membrantrenneinheiten eines Membranblocks, denen ein identischer Feedgasstrom zugeführt wurde, zusammengeführt. Dies führt zu maximal unterschiedlichen Permeatgasströmen, wie in Beispiel 1 und 2 gezeigt werden wird. Werden einigen Membrantrenneinheiten eines Membranblocks Mischgasströme aus verschiedenen Feedgasströmen zugeführt, so werden die in diesen Membrantrenneinheiten erhaltenen Permeatströme bevorzugt aufgeteilt und die Teilströme jeweils mit einem der zuvor beschriebenen Permeatgasströme, die aus den Membrantrenneinheiten gewonnen wurden, denen ein reiner Feedgasstrom zugeführt wurde, zusammengeführt, wie in Beispiel 2 gezeigt werden wird.
Analog kann mit den Retentatströmen verfahren werden. Das führt zu einer sehr hohen Flexibilität der erfindungsgemäßen Apparatur und des Verfahrens im Hinblick auf die erhaltenen Gasströme aus einem einzigen System.
Weiterverarbeiten umfasst in der erfindungsgemäßen Apparatur und im erfindungsgemäßen Verfahren ist auch ein Weiterverarbeiten innerhalb der Apparatur bzw. des Verfahrens. Das bedeutet, dass Permeat- und/oder Retentatströme einer Membrantrennstufe weiteren Trennstufen stromabwärts der sie erzeugenden Trennstufe zugeführt werden können. Stromabwärts angeordneten Trennstufen können dabei entweder mehrere Permeat- oder Retentatströme der stromaufwärts angeordneten Trennstufe getrennt voneinander zugeführt werden oder es kann einer stromabwärts angeordneten Trennstufen nur ein Permeat- oder Retentatstrom als Feedstrom oder ein aus mehreren Permeat- oder Retentatströme der stromaufwärts angeordneten Trennstufe zusammengeführter Feedstrom zugeführt werden. Entsprechende Beispiele für die getrennte Zuführung von mehreren Permeat- oder Retentatströmen der stromaufwärts angeordneten Trennstufe zu einer stromabwärts angeordneten Trennstufe finden sich in den Abbildungen 10 und 11 A sowie 11 B, wo die Retentatströme der Feedstromtrennstufe A der Retentattrennstufe B zugeführt und in Abbildung 11 A und B die Permeatströme der Feedstromtrennstufe A der Permeattrennstufe C zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, dass Permeat- und/oder Retentatströme zu Prozessschritten stromaufwärts der sie erzeugenden Trennstufe zugeführt werden. Dies wird ebenfalls in den Abbildungen 10 und 11 A sowie 11 B gezeigt. In Abbildung 10 werden die Permeatströme (22) und (23) und in der Abbildung 11 A und B die Permeatströme (22) und (23) sowie die die Retentatströme (28) und (29) zu entsprechenden Feedströmen zurückgeführt.
Besonders bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren CO2 reiche Permeatoder Retentatströme zur ersten Feedgasleitung (7) bzw. zum ersten Feedgasstrom zurückgeführt, besonders bevorzugt zu stromaufwärts einer stromaufwärts der ersten Feedgasleitung (7) oder in der ersten Feedgasleitung (7) angeordneten Komprimierungseinheit P.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Anlage daher eine oder mehrere Komprimierungseinheit(en) P. Besonders bevorzugt ist/sind die Komprimierungseinheit(en) P stromaufwärts der Feedgasleitung (7), ganz besonders bevorzugt stromaufwärts der Abzweigungsstelle der Teilstromleitung (37) von der Feedgasleitung (7)angeordnet, oder in der Feedgasleitung (7) stromabwärts der Abzweigungsstelle der Teilstromleitung (37) von der Feedgasleitung (7)angeordnet, wobei in diesem Fall bevorzugt eine weitere Komprimierungseinheit P in Teilstromleitung (37) und/oder in der Wasserstoffleitung (35) angeordnet ist.
Bevorzugte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Anlage und des Verfahrens sowie das allgemeine erfindungsgemäße Grundprinzip wird nachfolgend anhand der speziellen Ausführungsformen gemäß Abbildungen 1 bis 15 näher erläutert. In den Abbildungen 1 bis 9 werden verschiedene Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Gasverteilung näher betrachtet. Zur Vereinfachung der Zeichnungen werden dort die an den stromaufwärts liegenden Enden ersten Feedgasleitung (7) und zweiten Feedgasleitung (8) angeordneten Teile der erfindungsgemäßen Apparatur, wie z.B. der Methanisierungsreaktor (34), die Wasserstoffquelleund Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom in diesen Zeichnungen nicht gezeigt. Ein Beispiel für eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Apparatur an den stromaufwärts liegenden Enden ersten Feedgasleitung (7) und zweiten Feedgasleitung (8) wird in Abbildung 13 gezeigt.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Membrantrennstufe einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1), mit jeweils einer Verteilleitung (4) mit mehreren Abzweigungen (5) und Zuführleitungen (6), wobei jeweils eine Zuführleitung (6) jeweils eine Abzweigung (5) mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) verbindet, und die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und zweiten Feedgasleitung (8) sind, getrennt voneinander und unabhängig voneinander, bevorzugt an strömungswegweise möglichst weit voneinander entfernten Stellen, mit der /den Verteilleitung(en) (4) und/oder Abzweigungen (5), besonders bevorzugt mit den jeweils gegenüberliegenden Enden der Verteilleitung(en) (4), verbunden.
Ein Beispiel dieser ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage bzw. des Verfahrens ist in Abbildung 1 dargestellt. Dieses umfasst einen Membranblock (1) umfassend mehrere, parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2i) bis (2n), wobei der Index n der fortlaufenden Nummer und die Zahl n der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten des Membranblocks (1) entspricht, mit jeweils einem Gaseinlass (3i) bis (3n). Die Gaseinlässe (3i) bis (3n) der Membrantrenneinheiten (2i) bis (2n), sind mittels einer erfindungsgemäßen Gasverteilung miteinander verbunden.
Die Gasverteilung umfasst eine Verteilleitung (4) mit mehreren Abzweigungen (5), Zuführleitungen (61) bis (6n), die die jeweiligen Abzweigungen (5) mit den Gaseinlässen (3i) bis (3n) der Membrantrenneinheiten (2i) bis (2n) verbinden, und ist in Abbildung 1 derart ausgestaltet, dass die stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), getrennt voneinander, mit den jeweils gegenüberliegenden Enden der Verteilleitung (4), verbunden sind.
Als Abwandlung zu Abbildung 1 können das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) und/oder der zweiten Feedgasleitung (8), getrennt voneinander, auch an einer anderen Stelle mit der Verteilleitung (4) oder einer Abzweigung (5) verbunden werden, wobei die Anbindungsstellen bevorzugt strömungswegweise möglichst weit voneinander entfernt liegen. Besonders bevorzugt werden die erste Feedgasleitung (7) und/oder die zweite Feedgasleitung (8) mit je einem Ende der Verteilleitung (4), verbunden.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer Anlage gemäß Abbildung 1 ausgeführt, fließen im erfindungsgemäßen Membranblock (1) der erste und der zweite Feedgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, in der Verteilleitung (4) aufeinander zu und treffen dort aufeinander. Nur an der Stelle an der die beiden Gasströme sich treffen, findet eine Vermischung der Gasströme statt.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Grundprinzips wird folgendes Beispiel unter vereinfachenden Annahmen betrachtet. Zu den wesentlichen vereinfachenden Annahmen gehören:
• ein symmetrischer und identischer Aufbau aller sich wiederholenden Apparateabschnitte
• der Druckverlust beim Strömen der beiden unterschiedlichen Feedgasströme hängt nicht von Dichte, Viskosität und Temperatur ab
• der druckseitige Druckverlust für alle Membrantrenneinheiten ist identisch
Bei gleichem Druck und Volumenstrom des ersten und zweiten Feedgasstroms treffen sich die beiden Gasströme in diesem Beispiel in der Mitte der Verteilleitung (4). Das bedeutet, dass der erste Feedgasstrom den Membrantrenneinheiten (2i) und 22) zugeführt und dort in Retentatströme sowie Permeatströme aufgetrennt wird. Entsprechend wird der zweite Feedgasstrom den Membrantrenneinheiten (2n-i) und (2n) zugeführt und dort in Retentatströme sowie Permeatströme aufgetrennt, welche sich in ihrer Zusammensetzung von den Permeat- und Retentatgasströmen, welche in den Membrantrenneinheiten (2i) und (22) erzeugt werden unterscheiden. Weiteren in der Mitte des Membranblocks (1) angeordneten Membrantrenneinheiten wird ggf. ein Gemisch aus dem ersten und zweiten Feedgasstrom zugeführt. Sinkt nun z.B. der Druck oder der Volumenstrom des ersten Feedgasstroms, so verschiebt sich der Punkt des Zusammentreffens der beiden Feedgasströme in der Verteilleitung (4) in Richtung des Endes der Verteilleitung an welchem der erste Feedgasstrom zugeführt wird. Dadurch werden nun zu mehr Membrantrenneinheiten der zweiten Feedgasstrom und weniger Membrantrenneinheiten der erste Feedgasstrom zugeführt.
Bevorzugt wird durch Reduzierung der Leitungsquerschnitte und/oder Verlängerung der Leitungsabschnitte der Verteilleitung (4) und/oder Einbringen von statischen Mischern und/oder Einsatz von Molchen zwischen den unterschiedlichen Gasströmen in der Verteilleitung (4) an potenziellen Kontaktpunkten der Feedgasströme deren Durchmischung auf das gewünschte Maß reduziert bzw. verhindert. Bevorzugt werden passive Molche eingesetzt.
Die Retentatströme aus den Membrantrenneinheiten (2i) bis (2n) werden im Verfahren und der Anlage gemäß Abbildung 1 in Retentatgasleitungen (9i) bis (9n) einem Retentatgassammelrohr (11) zugeführt. An dessen, in der Nähe von Membrantrenneinheit (2i) angeordnetem, ersten Ende wird durch entsprechend eingestellte Entnahmemenge ein, hauptsächlich mit dem Retentatgas des ersten Feedgasstroms angereicherter, erster Rete ntatgasstrom erhalten, der einer ersten Retentatgasableitung (12) zugeführt wird. An dem, in der Nähe der Membrantrenneinheit (2n) angeordneten, zweiten Ende des Retentatgassammelrohres (11) wird ein, hauptsächlich mit dem Retentatgas des zweiten Feedgasstroms angereicherter, zweiter Rete ntatgasstrom erhalten, der einer zweiten Retentatgasableitung (13) zugeführt wird.
Analog werden die Permeatströme der Membrantrenneinheiten (2i) bis (2n) in Permeatgasleitungen (10i) bis (1 On) im Membranblock (1) in Abbildung 1 einem Permeatgassammelrohr (14) zugeführt. An dessen, in der Nähe von Membrantrenneinheit (2i) angeordnetem, ersten Ende wird durch entsprechend eingestellte Entnahmemengen ein, hauptsächlich mit dem Permeatgas des ersten Feedgasstroms angereicherter, erster Permeatgasstrom erhalten, der der ersten Permeatgasableitung (15) zugeführt wird. An dem, in der Nähe von Membrantrenneinheit (2n) angeordnetem, zweiten Ende des Permeatgassammelrohres (14) wird ein, hauptsächlich mit dem Permeatgas des zweiten Feedgasstroms angereicherter, zweiter Permeatgasstrom erhalten, der der zweiten Permeatgasableitung (16) zugeführt wird.
Ähnlich wie in der Verteilleitung (4) können auch im Retentatsammelrohr (11) ergänzende Maßnahmen, an den potentiellen Kontaktpunkten der Retentatströme der verschiedenen Membrantrenneinheiten, insbesondere an dem Kontaktpunkt an dem sich die hauptsächlich mit dem Retentatgas des ersten Feedgasstroms angereicherten Retentatströme mit den hauptsächlich mit dem Retentatgas des zweiten Feedgasstroms angereicherten Retentatströme treffen, umgesetzt werden, um eine Vermischung der jeweiligen Ströme zu minimieren oder zu verhindern bzw. um die entsprechenden Entnahmemengen einzustellen. Geeignete Maßnahmen währen Reduzierung der Leitungsquerschnitte und/oder Verlängerung der Leitungsabschnitte und/oder Einsatz von Molchen, wobei hier vorzugsweise aktiv gesteuerte Molche zum Einsatz kommen.
Analog können auch im Permeatsammelrohr (14) ergänzende Maßnahmen, an den potentiellen Kontaktpunkten der Permeatströme der verschiedenen Membrantrenneinheiten, insbesondere, an dem Kontaktpunkt an dem sich die hauptsächlich mit dem Permeatgas des ersten Feedgasstroms angereicherten Permeatströme mit den hauptsächlich mit dem Permeatgas des zweiten Feedgasstroms angereicherten Permeatströme treffen, umgesetzt werden, um eine Vermischung der jeweiligen Ströme zu minimieren oder zu verhindern bzw. um die entsprechenden Entnahmemengen einzustellen. Geeignete Maßnahmen währen Reduzierung der Leitungsquerschnitte und/oder Verlängerung der Leitungsabschnitte und/oder Einsatz von Molchen, wobei hier vorzugsweise aktiv gesteuerte Molche zum Einsatz kommen.
Die Einstellung der Entnahmemengen in den Permeat- oder Retentatströmen kann z.B. auch über entsprechende Ventile in den Retentatgasleitungen (9) und/oder den Permeatgasleitungen (10) und oder dem Retentatsammelrohr (11) und/oder dem Permeatsammelrohr (14) und/oder der ersten Retentatgasableitung (12) und/oder der zweiten Retentatgasableitung (13) und/oder der ersten Permeatgasableitung (15) und/oder zweiten Permeatgasableitung (16) und/oder bei der, weiter unten beschriebenen, Ausführungsform, den Retentatverbindungsleitungen (32) und/oder den Permeatverbindungsleitungen (33) erfolgen. Bevorzugt werden hierzu Ventile in jeweils einer Permeat- und allen Retentatgasableitungen oder besonders bevorzugt in allen Permeat- und allen Retentatgasableitungen verwendet. Ganz besonders bevorzugt werden hierzu steuerbare Ventile in allen Permeat- und allen Retentatgasableitungen verwendet.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Membrantrennstufe einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke, mit jeweils mehreren Verbindungsleitungen (18), welche jeweils den Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) mit dem/den GaseinlassZ-einlässen (3) der im Membranblock (1) benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2), verbinden, und die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) sowie der zweiten Feedgasleitung (8) sind, getrennt voneinander und unabhängig voneinander, jeweils mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) oder mehreren Gaseinlässen (3) von Membrantrenneinheiten (2) und/oder mit einer Verbindungsleitung (18) oder mehreren Verbindungsleitungen (18) verbunden.
Ein Beispiel dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage und des Verfahrens ist in Abbildung 2 dargestellt. Der dort dargestellte Membranblock (1) umfasst mehrere, parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2i) bis (2n), wobei der Index n der fortlaufenden Nummer und die Zahl n der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten des Membranblocks (1) entspricht, mit jeweils einem Gaseinlass (3i) bis (3n). Die Membrantrenneinheiten (2i) bis (2n) sind mittels einer erfindungsgemäßen Gasverteilung miteinander verbunden.
In der Anlage bzw. dem Verfahren gemäß Abbildung 2 umfasst die Gasverteilung Verbindungsleitungen (18), welche jeweils den Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) mit den Gaseinlässen (3) beider benachbarten Membrantrenneinheiten bzw. bei den an den jeweiligen Enden eines Membranblocks (1) angeordneten Membrantrenneinheiten (2i) und (2n) mit jeweils dem Gaseinlass (3) einer benachbarten Membrantrenneinheit, verbinden. Das stromabwärts liegende Ende der Feedgasleitung (7) ist in Abbildung 2 an Gaseinlass (3i) und das stromabwärts liegende Ende der Feedgasleitung (8) an Gaseinlass (3n) angebunden. Von dort werden der erste und der zweite Feedgasstrom durch die Verbindungsleitungen (18), aufeinander zufließend, auf die zwischen den Membrantrenneinheiten (2i) und (2n) angeordneten Membrantrenneinheiten verteilt.
In seiner Funktion entspricht der Membranblock gemäß Abbildung 2 dem Membranblock aus Abbildung 1 mit dem Unterschied, dass die Abzweigungen (5) der Anlage aus Abbildung 1 , in Abbildung 2 in die Gaseinlässe (3) integriert sind. Bevorzugt sind in der Ausführungsform nach Abbildung 2 die in Abbildung 1 als unabhängige Bauteile ausgefügten Abzweigungen (5), Zuleitung
(6) und Gaseinlässe (3), konstruktiv als Bestandteil des Druckgehäuses der jeweiligen Membrantrenneinheit ausgeführt. Die Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Grundprinzip zu Abbildung 1 treffen somit auch auf die Ausführungsform nach Abbildung 2 analog zu.
Die Ausführungsform gemäß Abbildung 2 kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden. Z.B. ist es möglich die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitung
(7) und /oder Feedgasleitung (8) nicht an die Gaseinlässe (3i) und (3n) der Membrantrenneinheiten (2i) und (2n) anzuschließen, sondern stattdessen an Gaseinlässen von dazwischen angeordneten Membrantrenneinheiten anzuschließen, z.B. an die Gaseinläsen (32) und /oder (3n-i). Der erste Feedgasstrom würde in diesem Fall über eine Verbindungsleitung (18) vom Gaseinlass (32) zum Gaseinlass (3i) der Membrantrenneinheit (2i) weitergeleitet und über eine andere Verbindungsleitung (18) zum Gaseinlass (3a) der Membrantrenneinheit (2s). In dieser Ausführungsform würden also auf jeden Fall in Membrantrenneinheiten (2i) und (22) der erste Feedgasstrom aufgetrennt. Eine weitere erfindungsgemäße Abwandlung der Ausführungsform gemäß Abbildung 2 ist derart ausgestaltet, dass die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitung (7) und /oder der Feedgasleitung (8) nicht an die Gaseinlässe (3i) bzw. (3n) der Membrantrenneinheiten (2i) und (2n), sondern eine oder beide Feedgasleitung(en) an Verbindungsleitung (18) angeschlossen werden, z.B. kann Feedgasleitung (7) an die Verbindungsleitung (18) zwischen den Gaseinlässen der Membrantrenneinheiten (2i) und /oder (2i) angeschlossen werden.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind Ausführungsformen der Apparatur und des Verfahrens, welche eine möglichst geringe Vermischung der Feedströme erzeugen, um die jeweils einzelne Membraneinheit in der möglichst ursprünglichen Zusammensetzung der jeweiligen Feedströme zu beschicken. Bevorzugt wird daher an potenziellen Kontaktpunkten der Feedgasströme durch Reduzierung der Leitungsquerschnitte und/oder Verlängerung der Leitungsabschnitte der Verbindungsleitung (18) und/oder Einbringen von statischen Mischern und/oder Einsatz von Molchen zwischen den unterschiedlichen Gasströmen in der Verbindungsleitung (18) die Durchmischung der Feedgasströme und auf das gewünschte Maß reduziert bzw. eingestellt. Bevorzugt werden passive Molche eingesetzt.
Die retentat- und permeatseitige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage gemäß Abbildung 2, d.h. die erfindungsgemäße Weiterverarbeitung der Retentat- und Permeatströme, erfolgt analog wie für Abbildung 1 beschrieben.
Weitere Abwandlungen sind für den Fachmann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips leicht auffindbar.
Die erfindungsgemäße Anlage und das Verfahren umfassen daher besonders bevorzugt einen Membranblock (1) umfassend eine Gasverteilung, wobei die Gasverteilung im jeweiligen Membranblock (1) Verbindungsleitungen (18) umfasst, welche jeweils einen Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) mit dem/den GaseinlassZ-einlässen (3) der im Membranblock (1) benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2), verbindet. Die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitungen, sind getrennt und unabhängig voneinander, jeweils mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) oder mehreren Gaseinlässen (3) von Membrantrenneinheiten (2) und/oder mit einer Verbindungsleitung (18) oder mehreren Verbindungsleitungen (18) verbunden. Bevorzugt werden durch die Verbindungsleitungen die beiden Feedgasströme dann aufeinander zufließend den einzelnen Membrantrenneinheiten zugeführt.
Des Weiteren ist es vorteilhaft und erstrebenswert einen zu hohen Druckverlust in der Gasverteilung zu vermeiden. Schließlich ist ein möglichst niedriger apparativer und operativer Aufwand für die Steuerung und Regelung des Systems vorteilhaft. Die Ausführungsformen nach Abbildungen 1 bis 2 weisen all diese Vorteile auf und sind daher besonders bevorzugt. In einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Prinzip des Zusammenfassens von Abzweigungen (5) und Zuleitungen (6), welches oben am Beispiel der Abbildung 2 erläutert wurde, auf das Retentat- und/oder das Permeatverarbeitungssystem übertragen. Statt, wie in wie in Abbildung 1 und 2 gezeigt, die Retentatströme der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) über Retentatgasleitungen (9) mit einem Retentatgassammelrohr (11) zu verbinden, werden in dieser Ausführungsform die Retentatgasauslässe (30) der Membrantrenneinheiten (2) mit Retentatverbindungsleitungen (32) verbunden. Die Retentatgasableitungen (12) und (13) werden an einem Retentatgasauslass (30) oder an einer Retentatverbindungsleitung (32) angeschlossen. Bevorzugt wird die Retentatgasableitungen (12) am Retentatgasauslass (30i) oder konstruktiv an einen Retentatgasauslass oder eine Retentatverbindungsleitung in dessen Nähe und die Retentatgasableitungen (13) am Retentatgasauslass (30n) oder konstruktiv an einen Retentatgasauslass oder eine Retentatverbindungsleitung in dessen Nähe angeschlossen. Eine entsprechende Ausführungsform in Kombination mit dem Gasverteilungssystem nach Abbildung 2 wird in Abbildung 3 gezeigt. Analog kann das Retentatverarbeitungssystem nach Abbildung 3 aber auch mit einem Gasverteilungssystem nach Abbildung 1 kombiniert werden.
Analog wie zuvor für das Retentatverarbeitungssystem beschrieben, kann auch mit dem Permeatverarbeitungssystem verfahren werden. Sowohl Ausführungsformen mit Retentat- und Permeatsammelrohr in einem Membranblock, als auch mit Retentat- und Permeatverbindungsleitungen in einem Membranblock, als auch mit Retentatsammelleitung und Permeatverbindungsleitungen in einem Membranblock, als auch mit Retentatverbindungsleitung und Permeatsammelleitung in einem Membranblock, sind von der vorliegenden Erfindung umfasst. Auch Kombinationen der Ausführungsformen in denen z.B. ein Teil der Retentatgase eines Membranblocks einer Retentatsammelleitung zugeführt und ein anderer über Retentatverbindungsleitungen abgeführt wird, sind von der vorliegenden Erfindung umfasst und von einem Fachmann leicht auffindbar. Gleiches gilt für entsprechende Kombinationen für die Permeatströme im Membranblock.
Die zuvor beschriebenen erfindungsgemäße Anlagen und bevorzugten Ausgestaltungsformen davon können skaliert werden in dem die Zahl „n“ der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten (2) in einem Membranblock (1) erhöht oder verringert wird. So kann ohne Veränderung der Membrantrenneinheiten selbst die Trennkapazität jedes Membranblocks (1) und somit jeder Membrantrennstufe angepasst werden.
Alternativ oder additiv können auch die Membrantrenneinheiten selbst variiert werden, z.B. in dem die Membrantrennfläche und/oder die Selektivität der Membranen und/oder die Permeabilität der Membranen angepasst wird.
Es ist zudem möglich, in einem Membranblock (1) unterschiedliche Membranen in den Membrantrenneinheiten (2) einzusetzen. Je nach Zusammensetzung der zu trennenden Feedgasströme kann es sinnvoll sein, für einen ersten Feedgasstrom optimierte Membranen in den Membrantrenneinheiten einzusetzen, in denen ausschließlich oder hauptsächlich der erste Feedgasstrom aufgetrennt wird, und für einen zweiten Feedgasstrom optimierte Membranen in den Trennstufen einzusetzen, in denen ausschließlich oder hauptsächlich der zweite Feedgasstrom aufgetrennt wird.
Besonders bevorzugt werden in den erfindungsgemäßen Membrantrenneinheiten Membranen eingesetzt, die eine höhere Permeabilität für Kohlendioxid und für Wasserstoff als für Methan aufweisen. Solche Membranen reichern CP im Retentat an und CO2 und H2 im Permeat an. Bevorzugt werden Membranen, die eine Trennschicht aus einem glasartigen Polymer enthalten, d. h. ein Polymer mit einem Glasübergangspunkt bei einer Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur der Membrantrennstufe, verwendet. Besonders bevorzugte Polymere sind Polyetherimid, Polycarbonat, Polyamid, Polybenzoxazol, Polybenzimidazol, Polysulfon oder Polyimid. Ganz besonders bevorzugt umfasst die Gastrennungsmembran mindestens 80 Gew.-% eines Polyimids oder einer Mischung von Polyimiden.
Bevozugte Membranen mit mindestens 50 Gew.-% eines Polyimid, werden hergestellt durch Umsetzung eines Dianhydrids ausgewählt aus der Gruppe umfassend 3,4,3',4'Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid, 1 ,2,4,5-Benzoltetracarbonsäuredianhydrid, 3,4,3',4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid, Oxydiphthalsäuredianhydrid,
Sulfonyld iphthaldianhydrid , 1 ,1 ,1 ,3,3,3-Hexafluor-2,2propylidendiphthaldianhydrid und Mischungen davon, mit einem Diisocyanat, ausgewählt aus der gruppe umfassend 2,4-Toluoldiisocyanat, 2, 6- Toluoldiisocyanat, 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat, 2,4,6-Trimethyl-1 ,3-phenylendiisocyanat, 2,3,5,6-Tetramethyl-1 ,4-phenylendiisocyanat und Mischungen davon. Besonders bevorzugt wird das Dianhydrid ausgewählt aus 3,4,3',4'benzophenontetracarbonsäuredianhydrid und 1 , 2,4,5- Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und Mischungen davon. Besonders bevorzugt wird das Diisocyanat ausgewählt aus 2,4-Toluoldiisocyanat, 2,6-Toluoldiisocyanat, 4,4'- Methylendiphenyldiisocyanat und Gemischen davon. Ganz besonders bevorzugte Polyimide sind bei der Evonik Fibres GmbH erhältlich unter der Handelsbezeichnung P84 Typ 70, ein Polyimid mit der CAS-Nummer 9046-51-9 und hergestellt aus 3,4,3',4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid und einem Gemisch aus 64 mol-% 2,4-Toluoldiisocyanat, 16 mol-% 2,6-Toluoldiisocyanat und 20 mol-% 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat, und unter der Handelsbezeichnung P84® HT, ein Polyimid mit der CAS-Nummer 134119-41-8 und hergestellt aus einem Gemisch von 60 mol-% 3,4,3',4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid und 40 mol-% 1 , 2,4,5- Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und einem Gemisch aus 80 mol-% 2,4-Tolyuoldiisocyanat und 20 mol-% 2,6-Toluoldiisocyanat. Die Gastrennungsmembranen dieser Ausführungsform wurden vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre, wie in WO 2014/202324 A1 beschrieben, wärmebehandelt, um ihre Langzeitstabilität im erfindungsgemäßen Verfahren zu verbessern.
Ebenfalls besonders bevorzugt werden in den erfindungsgemäßen Membrantrenneinheiten
Gastrennungsmembran mit mindestens 50 Gew.-% eines Blockcopolyimids, wie in WO 2015/091122 auf Seite 6, Zeile 20 bis Seite 16, Zeile 4 beschrieben sind, eingesetzt. Der Inhalt der WO 2015/091122 wir hiermit explizit in den Inhalt der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen. Das Blockcopolyimid umfasst vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% Polyimidblöcke mit einer Blocklänge von 5 bis 1000, bevorzugt von 5 bis 200.
Die erfindungsgemäße verwendeten Membran kann eine Flachmembran oder eine Hohlfasermembran sein und ist vorzugsweise eine asymmetrische Hohlfasermembran, umfassend eine dichte Polyimidschicht auf einem porösen Träger. Der Begriff "dichte Schicht" bezieht sich hier auf eine Schicht, die im Wesentlichen keine Makroporen umfasst, die sich durch die Schicht erstrecken, und der Begriff "poröser Träger" bezieht sich hier auf ein Trägermaterial, dessen Makroporen sich durch den Träger erstrecken. Die asymmetrische Hohlfasermembran kann hergestellt werden, indem eine poröse Hohlfaser mit einem Polyimid beschichtet wird, um eine dichte Polyimidschicht auf dem Träger zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die asymmetrische Hohlfasermembran eine Membran, die in einem Phaseninversionsverfahren hergestellt wird, indem sie sich mit einer ringförmigen Zweikomponenten-Spinndüse dreht, wobei eine Lösung eines Polyimids durch die ringförmige Öffnung und eine Flüssigkeit, die ein Nichtlösungsmittel für das Polyimid enthält, durch die zentrale Öffnung geleitet wird.
Die erfindungsgemäß verwendete Membran umfasst vorzugsweise eine dichte Trennschicht eines glasartigen Polymers, beschichtet mit einer dichten Schicht eines gummiartigen Polymers, wobei gummiartiges Polymer eine höhere Gasdurchlässigkeit aufweist als das glasartige Polymer. Die bevorzugten Gastrennungsmembranen, die eine Polyimid-Trennschicht umfassen, sind vorzugsweise mit einem Polydimethylsiloxan-Elastomer beschichtet.
Da die erfindungsgemäße Gasverteilung - wie zuvor beschrieben - die Zufuhr der Feedgasströme bzw. Gemischen davon, zu den einzelnen Trennstufen, bevorzugt abhängig von Eigenschaften der Feedgasströme, wie z.B. abhängig vom aktuellen Volumenstrom und/oder Massenstrom und/oder Druck des jeweiligen Feedgasstroms regelt, kann es vorkommen, dass Membrantrenneinheiten zu einem Zeitpunkt des Betriebs der Anlage bzw. des Verfahrens ein Gasgemisch mit dem ersten Feedgasstrom als Hauptanteil und zu einem späteren Zeitpunkt ein Gasgemisch mit dem zweiten Feedgasstrom als Hauptanteil zugeführt werden. Daher ist es bevorzugt in allen Membrantrenneinheiten (2) einer Trennstufe (1) die gleichen Membranen einzusetzen.
Alternativ oder additiv kann die Kapazität und die Selektivität der Membrantrenneinheiten durch die Betriebstemperatur angepasst werden. In einer bevorzugten Ausführung haben die Feedgasströme unterschiedliche Eintrittstemperaturen. Ein gezieltes Regeln der Betriebstemperatur kann z.B. zum Erreichen von Vorgabewerten bzgl. der Zusammensetzung eines oder mehrerer Retentat- und/oder Permeatgase oder der Ausbeute von mind, einer Gaskomponente genutzt werden.
Besonders bevorzugt weisen die erfindungsgemäß verwendeten Membranen in der ersten
Membrantrennstufe der erfindungsgemäßen Anlage eine Reingasselektvität, bei Betriebstemperatur der jeweiligen Membrantrennstufe, für CO2/CH4 von 20 bis 600, bevorzugt 20 bis 150, besonders bevorzugt 30 bis 120 und ganz besonders bevorzugt 30 bis 90 und/oder eine Reingasselektvität, bei Betriebstemperatur der jeweiligen Membrantrennstufe, für H2/CH4 von 40 bis 1200, bevorzugt 40 bis 300, besonders bevorzugt 60 bis 240 und ganz besonders bevorzugt 60 bis 180, auf. Umfasst die erfindungsgemäße Anlage mehr als eine Membrantrennstufe, so weisen bevorzugt alle Membranen in allen Membrantrennstufen Reingasselektivitäten in den zuvor definierten Bereichen auf. Werden in unterschiedlichen Membrantrennstufen Membranen mit unterschiedlichen Reingasselektivitäten verwendet, so weisen bevorzugt die Membranen der ersten Membrantrennstufe nicht die niedrigste Reingasselektivität der verwendeten Membranen auf.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zur Anpassung der Trennkapazität einer erfindungsgemäßen Membrantrennstufe wird in Abbildungen 4 und 5 dargestellt. Hier werden in einer Membrantrennstufe jeweils mehrere, parallel verschaltete, Membranblöcke (1) verwendet. Alle zuvor beschriebenen Membranblöcke können hierbei verwendet werden. Die Verwendung von mehreren, parallel verschalteten, Membranblöcken anstelle einer Vergrößerung der Membranblöcke selbst, d.h. Verwendung von vier Membranblöcken mit je 10 Membrantrenneinheiten anstelle eines Blocks mit 40 parallel verschalteten Membrantrenneinheiten, hat Vorteile im Hinblick auf die Drucksteuerung, insbesondere Vermeidung von Druckverlusten, und auf ein vereinfachtes Rackdesign.
In Abbildung 4 werden „0“ Membranblöcke (1) nach Abbildung 1 verwendet, die parallel verschaltet sind, wobei der Index (0) die Anzahl der parallel verschalteten Membranblöcke (1) angibt. Dabei weisen die jeweiligen Membranblöcke (11) bis (10) jeweils Verteilleitungen (4i) bis (40) auf. Die auf der Seite der Membrantrenneinheiten (2i) der jeweiligen Membranblöcke angeordneten Enden der Verteilleitungen (4i) bis (40) sind miteinander durch Gasleitung (19a) verbunden. Ebenso sind die auf der Seite der Membrantrenneinheiten (2n) der jeweiligen Membranblöcke angeordneten Enden der Verteilleitungen (4i) bis (40) jeweils miteinander durch Gasleitung (19b) verbunden. In Abbildung 4 sind zur Vereinfachung lediglich die Feedgasleitungen (7) und (8), die Verteilleitungen (4i) bis (40) und die Abzweigungen (5) in den jeweiligen Verteilleitungen dargestellt. Von den Abzweigungen (5) gehen jeweils Zuführleitungen (6), so wie in Abbildung 1 gezeigt zu den einzelnen Membrantrenneinheiten (2). Die in Abbildung 4 ebenfalls nicht dargestellten Permeat- und Retentatverarbeitungssysteme werden bevorzugt wie weiter oben erläutert ausgeführt, besonders bevorzugt wie in einer der Abbildungen 1 bis 3 gezeigt.
Die Feedgasströme können, wie in Abbildung 4, in einer nicht abschließenden Darstellung von Möglichkeiten, dargestellt, einer derartigen Verschaltung von Membranblöcken auf unterschiedliche Art und Weise zugeführt werden.
Abbildung 4a zeigt eine Verschaltung und ein Verfahren in der/dem dasistromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der Gasleitung (19a) auf der Seite von Membrantrenneinheit (2i) des ersten Membranblocks (1 i) und das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8) mit der Gasleitung (19b) auf der Seite von Membrantrenneinheit (2n) des letzten Membranblocks (10) verbunden sind.
Abbildung 4b zeigt eine Verschaltung und ein Verfahren in der/dem das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der Gasleitung (19a) auf der Seite von Membrantrenneinheit (2i) des ersten Membranblocks (1 i) und das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8) mit der Gasleitung (19b) auf der Seite von Membrantrenneinheit (2n) des ersten Membranblocks (1 i) verbunden sind.
Abbildung 4c zeigt eine Verschaltung in der das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der, auf der Seite von Membrantrenneinheit (2i) angeordneten, Gasleitung (19a) und das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8) gegenüber, d.h. mit der, auf der Seite von Membrantrenneinheit (2n) angeordneten, Gasleitung (19b), jeweils zwischen zwei Membranblöcken, verbunden sind.
Abbildung 4d zeigt eine Verschaltung in der das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) in der Mitte der Verteilleitung (4i) und das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8) gegenüber, in der Mitte der Verteilleitung (40), angebunden sind.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Anlage besonders bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die Membrantrennstufe mehrere Membranblöcke (1) umfasst, die Gasverteilung pro Membranblock (1) eine Verteilleitung (4) mit mehreren Abzweigungen (5) und Zuführleitungen (6) umfasst, wobei jeweils eine Zuführleitung (6) eine Abzweigung (5) mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) verbindet, die Verteilleitungen (4) der jeweiligen Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe mittels Rohrleitungen (19a, 19b) miteinander verbunden sind, und die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, an eine Verteilleitung (4) oder eine Abzweigung (5), an eine Rohrleitung (19a, 19b) angeschlossen sind, wobei die Anschlussstellen derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr als zwei Abzweigungen (5) und/oder zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeordnet sind.
In Abbildung 5 werden „o“ Membranblöcke nach Abbildung 2 verwendet, die parallel verschaltet sind. Dabei sind die Membraneinlässe (3i) der Membrantrenneinheiten (2i) der jeweiligen Membranblöcke (11) bis (10) (in Abbildung 5 durch gestrichelte Ellipsen angedeutet) jeweils miteinander durch Gasleitung (20a) verbunden. Ebenso sind auf der gegenüberliegenden Seite die Membraneinlässe (3n) der jeweiligen Membranblöcke (11) bis (10) jeweils miteinander durch Gasleitung (20b) verbunden. In Abbildung 5 sind zur Vereinfachung lediglich die Feedgasleitungen (7) und (8), sowie die Verbindungsleitungen (18) und die Gaseinlässe (3) dargestellt. Die in Abbildung 5 nicht dargestellten Permeat- und Retentatverarbeitungssysteme werden bevorzugt, wie weiter oben erläutert, ausgeführt, besonders bevorzugt wie in einer der Abbildungen 1 bis 3 gezeigt.
Die Feedgasströme können, wie in Abbildung 5 in einer nicht abschließenden Darstellung von Möglichkeiten dargestellt, einer derartigen Verschaltung von Membranblöcken auf unterschiedliche Art und Weise zugeführt werden.
Abbildung 5a zeigt eine Verschaltung in der das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der Verteilleitung (20a) auf der Seite der Membrantrenneinheit (2i) des ersten Membranblocks (1 i) und das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8) mit der Verteilleitung (20b) auf der Seite der Membrantrenneinheit (2n) des Membranblocks (10) verbunden sind.
Abbildung 5b zeigt eine Verschaltung in der das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der Verteilleitung (20a) auf der Seite der Membrantrenneinheit (2i) des ersten Membranblocks (1 i) und das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8) mit der Verteilleitung (20b) auf der Seite der Membrantrenneinheit (2n) des ersten Membranblocks (1 i) verbunden sind.
Abbildung 5c zeigt eine Verschaltung in der das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der Verbindungsleitung (20a) und das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8) gegenüber, d.h. mit, der auf der Seite der Membrantrenneinheit (2n) angeordneten, Verbindungsleitung (20b), jeweils zwischen zwei Membranblöcken, verbunden sind.
Abbildung 5d zeigt eine Verschaltung in der das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit einer Verbindungsleitung (18) des ersten Membranblocks (1 i) und das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8) gegenüber, mit einer Verbindungsleitung (18) des Membranblocks (10), verbunden sind.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Anlage besonders bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die Membrantrennstufe mehrere Membranblöcke (1) umfasst, die Gasverteilung im jeweiligen Membranblock (1) Verbindungsleitungen (18) umfasst, welche den jeweils den Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) mit dem/den Gaseinlass/- einlässen (3) der im Membranblock (1) benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2), verbinden, die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe mittels Rohrleitungen (20a, 20b) miteinander verbunden sind, wobei die Rohrleitungen (20a, 20b) im jeweiligen Membranblock jeweils mit einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18) und/oder einem oder mehreren GaseinlassZ-einlässen (3) verbunden sind, bevorzugt ist die Rohrleitung (20a) im jeweiligen Membranblock (1) mit einer Verbindungsleitung (18) oder einem Gaseinlass (3) und die Rohrleitung (20b) im jeweiligen Membranblock mit einer davon verschiedenen Verbindungsleitung (18) oder einem davon verschiedenen Gaseinlass (3) verbunden, und das stromabwärts liegende Ende der ersten Feedgasleitung (7) sowie das stromabwärts liegende Ende der zweiten Feedgasleitung (8), unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, an eine oder mehrere Verbindungsleitung(en) (18) oder an eine oder mehrere Rohrleitung (20a, 20b), oder an einen oder mehrere GaseinlassZ-einlässe (3) angeschlossen sind, wobei die Anschlussstellen derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeordnet sind.
Eine erfindungsgemäße Erweiterung der Ausführungsform nach Abbildung 5 wird in Abbildung 6 dargestellt. In Ergänzung zu Abbildung 5 sind hier nicht nur die Gaseinlässe (3i) und (3n) der Membranblöcke (11) bis (10) miteinander durch die Gasleitungen (20a) und (20b) jeweils miteinander verbunden, sondern auf der Ebene der Membrantrenneinheiten sind die Gaseinlässe (32) bis (3n-i) der Membranblöcke (11) bis (10) miteinander durch weitere Gasleitungen (20) zu einem „Vollgitter“ miteinander verbunden.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Trennung von Gasen ist nicht auf die gleichzeitige Auftrennung von zwei Feedgasströmen mit unterschiedlicher Zusammensetzung beschränkt. Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch auf mehrere Feedgasströme erweitert werden.
Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anlage eine, zwei oder drei zusätzliche, Feedgasleitung(en) drei (21), vier und fünf, wobei die Feedgasleitungen drei (21), vier und fünf geeignet sind einen, zwei oder drei zusätzliche, vom ersten und zweiten Feedgasstrom in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche, Gasströme zu transportieren und wobei die zusätzliche(n) Feedgasleitung(en) drei (21), vier und fünf so mit der Gasverteilung verbunden sind, dass die Gasströme drei (21) oder drei (21) und vier oder drei (21), vier und fünf mittels der Gasverteilung den Membrantrenneinheiten zugeführt werden können. Bei den Feedgasleitungen drei (21), vier und fünf handelt es sich bevorzugt um Gasleitungen, die derart ausgestaltet sind einen oder mehrere weitere Feedgasström enthaltend CO2, die beispielweise von weiteren CO2 Gasquellen stammen können, oder eine oder mehrere weitere Feedgasströme, enthaltend CP und H2 und/oder CO2, die z.B. von weiteren Methanisierungsreaktoren stammen können, zu transportieren. Die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren haben somit den Vorteil, dass Gase mehrerer Gasquellen und/oder mehrerer Methanisierungsreaktoren gleichzeitig in nur einer Gasaufbereitungsanlage aufgetrennt werden können. Dies reduziert die OPEX und CAPEX Kosten für die Gasaufbereitung signifikant und erhöht zudem die Effizienz der Gasaufbereitung. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform werden die stromabwärts liegenden Enden der zusätzlichen Feedgasleitungen an eine oder mehrere Verteilleitung(en) (4), bevorzugt zwischen den Anschlüssen der Feedgasleitungen (7) und (8), angeschlossen. Ein Beispiel für eine solche Ausgestaltungsform, mit einer zusätzlichen dritten Feedgasleitung (21), ist in Abbildung 7a) gezeigt.
In einer zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsform werden die stromabwärts liegenden Enden der zusätzlichen Feedgasleitungen an eine oder mehrere Verbindungsleitung(en) (18) und/oder einen oder mehrere GaseinlassZ-einlässe (3) angeschlossen. Bevorzugt befindet/befinden sich die Anschlussstelle(n) an einer oder mehrere zwischen den Anschlüssen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeordneten Verbindungsleitung(en) (18) und/oder GaseinlassZ-einlässe (3), der sich von den Gaseinlässen (3) unterscheidet, an die die erste Feedgasleitung (7) bzw. die zweiten Feedgasleitung (8) angeschlossen sind. Besonders bevorzugt werden der / die zusätzliche Feedgasleitung(en) an einem der Gaseinlässe (32) bis (3n-i) oder einer dazwischen angeordneten Verbindungsleitung (18) angeschlossen. Beispiele für solche Ausgestaltungsformen, mit einer zusätzlichen dritten Feedgasleitung (21), sind in den Abbildungen 7b) und 7c) gezeigt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsform werden mehrere erfindungsgemäße Membranblöcke (1), an die jeweils zwei Feedgasleitungen, durch die Feedgase mit unterschiedlicher Zusammensetzung fließen, angeschlossen sind, miteinander kombiniert.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Membranblöcke linear kombiniert, d.h. verschaltet, und dabei jedem Membranblock (11) bis (10), wobei o der fortlaufenden Nummer des jeweiligen Membranblocks entspricht, je zwei Feedgasströme zugeführt werden. Ein Beispiel für eine solche Anlage ist in Abbildung 8 gezeigt. Hier werden die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitungen (7) und (8) mit der Verteilleitung (4i), eines ersten Membranblocks (11) verbunden. Dieser erste Membranblock (11) ist kombiniert mit einem zweiten Membranblock (I2), wobei die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitungen (8) und (21) mit der Verteilleitung (42), des zweiten Membranblocks (I2) verbunden sind. Ein solches System lässt sich beliebig für weitere Feedgasströme erweitern.
In einer ebenfalls bevorzugten, alternativen Ausführungsform können mehrere erfindungsgemäße Membranblöcke (11) bis (10) zu einer Ringschaltung kombiniert, d.h. verschaltet werden, wobei bevorzugt jeder Membranblock (11) bis (10) mit den stromabwärts liegenden Enden von zwei Feedgasleitungen verbunden ist. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in Figur 9 gezeigt. Hier werden drei Membranblöcke (11), (I2) und (I3) mit den Verteilleitungen (4i), (42) und (4s) zu einer Ringschaltung kombiniert. Mit der Verteilleitung (4i) sind die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitungen (7) und (8), mit der Verteilleitung (42) die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitungen (7) und (21) und mit der Verteilleitung (4s) die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitungen (8) und (21) verbunden. Derartige Ringschaltungen lassen sich um weitere erfindungsgemäße Membranblöcke, z.B. zu einer 4-fach oder 5-fach-Verschaltung erweitern. Es ist ebenfalls möglich die Ausführungsformen aus den Abbildungen 7 bis 9 miteinander zu kombinieren. So könnte z.B. in der Ringschaltung aus Abbildung 9 der Verteilleitung (4i), zwischen den Anschlüssen der Feedgasleitungen (7) und (8) noch eine vierte Feedgasleitung zugeführt werden.
In den Abbildungen 7, 8 und 9 sind zur Vereinfachung lediglich die Feedgasleitungen (7), (8) und (21), sowie die Verteilleitungen (4i) bis (4s) und die Abzweigungen (5) dargestellt. Von den Abzweigungen gehen jeweils Zuführleitungen, so wie in Abbildung 1 gezeigt, zu den einzelnen Membrantrenneinheiten. Die in den Abbildung 7, 8 und 9 ebenfalls nicht dargestellten Permeat- und Retentatverarbeitungssysteme werden bevorzugt wie weiter oben erläutert ausgeführt, besonders bevorzugt wie in einer der Abbildungen 1 bis 3 gezeigt ausgeführt und analog zu den Verteilleitungen miteinander verbunden. Ebenfalls nicht gezeigt sind der Methanisierungsreaktor (34), die Wasserstoffquelle mittels der Wasserstoffleitung (35) und die Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom mit der Rohgasleitung (36), die werden bevorzugt wie in Abbildung 12 gezeigt mit der erfindungsgemäßen Anlage verbunden.
Die Ausführungsformen der Abbildungen 8 und 9 können natürlich auch mit Membranblöcken aus den Abbildungen 2 und 3, d.h. z.B. mit mehreren Verbindungsleitungen (18) pro Membranblock ausgeführt werden. Entsprechende Ausgestaltungsformen sind für einen Fachmann anhand der zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Lehre leicht ableitbar.
Die erfindungsgemäße Anlage und das Verfahren können in der zuvor beschriebenen allgemeinen aber auch in allen bevorzugten Ausführungsformen in einer oder mehreren Verteilleitung(en) und/oder in einer oder mehreren Zufuhrleitung und/oder in einer oder mehreren Verbindungsleitung, ein oder mehrere Ventile oder sonstige Steuereinrichtungen umfassen, mit denen die Gaszufuhr zu den einzelnen Gaseinlässen der Membrantrenneinheiten gesteuert oder beeinflusst werden kann.
Die Anlage kann z.B. mittels der Ventile oder der sonstigen Steuereinrichtungen derart gesteuert werden bzw. ausgestaltet sein, dass eine oder mehrere Membrantrenneinheiten bei Veränderung des zugeführten Gasvolumens in Feedgasleitung zu- oder abgeschaltet werden können.
Als Ventile können Absperr- und/oder Nadelventile zum Einsatz kommen. Der Gasfluss im Gasverteilungssystem kann aber auch über andere Regulatoren wie Reduzierungen, z.B. Lochblenden, beeinfluss und/oder gesteuert werden.
Insbesondere in den Ausführungsformen mit Verteilleitungen und/oder Verbindungsleitungen kann sich das erfindungsgemäße Verteilsystem, dadurch, dass die Feedströme aufeinander zufließen, z.B. über den Volumenstrom und/oder Massenstrom und/oder den Druck der Feedgasströme, weitgehend bis vollständig selbst regeln, ohne dass innerhalb eines Membranblocks steuerbare Ventile eingesetzt werden müssen. Im Vergleich zu einer, rein mittels Ventilen gesteuerten, Gasverteilung, kann die Anzahl der kostspieligen, steuerbaren Ventile somit sehr stark reduziert werden, bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Anlage daher nur in einigen oder ganz besonders bevorzugt in keiner, der Verteilleitung(en) und/oder Zufuhrleitung(en) und/oder Verbindungsleitung(en) Ventile zum Steuern der Gasströme. In eine ebenfalls bevorzugten Ausführungsform enthalten die Membrantrenneinheiten jedoch einfache manuelle Ventile, um im Schadensfall eine defekte Membran schnell von den restlichen Membranen separieren zu können.
Die in den erfindungsgemäßen Membranblöcken erhaltenen Permeat- und Retentatströme werden bevorzugt, wie in den Abbildungen 1 bis 3 gezeigt, jeweils einem Permeat- und einem Retentatverarbeitungssystem pro Membranblock zugeführt. Die Permeat- und Retentatverarbeitungssysteme können, wie in Abbildungen 1 und 2 gezeigt, Retentat- und/oder Permeatsammelrohre umfassen. Alternativ können sie Retentat- und/oder Permeatverbindungsleitungen, zwischen den Retentat bzw. Permeatauslässen der jeweiligen Membrantrenneinheiten der jeweiligen Membranblöcke, enthalten. Kombinationen, z.B. die Verwendung von Retentatverbindungsleitungen und Permeatsammelrohren, so wie in Abbildung 3 gezeigt sind ebenfalls möglich.
Über die Retentat- und/oder Permeatsammelrohre und/oder die Retentat- und/oder Permeatverbindungsleitungen werden die Retentat- bzw. Permeatströme Abflussleitungen zugeführt. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind zwei Stellen, bevorzugt zwei möglichst weit voneinander entfernte Stellen, besonders bevorzugt beide Enden eines Sammelrohrs mit Abflussleitungen verbunden, so wie in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt. Dies ermöglicht es aus den in der Nähe der Membrantrenneinheit (2i) angeordneten Abflussleitungen Permeat- bzw. Retentatströme abzuführen, die hauptsächlich aus dem Permeat- bzw. Retentatgas des ersten Feedstroms bestehen. Mittels des in der Nähe der Membrantrenneinheit (2n) angeordneten Abflussleitungen können Permeat- bzw. Retentatströme abgeführt werden, die hauptsächlich aus dem Permeat- bzw. Retentatgas des zweiten Feedstroms bestehen. Die gleichen technischen Effekte können bei der Verwendung von Retentat- bzw. Permeatverbindungsleitungen an Stelle von Retentat- bzw. Permeatsammelrohren erzielt werden. In diesem Fall wird bevorzugt eine Abflussleitung in der Nähe des Retentatgasauslasses (30i) der Membrantrenneinheit (2i) an einen Retentatgasauslass einer Membrantrenneinheit oder an eine Verbindungsleitung angeschlossen und eine zweite Abflussleitung in der Nähe des Retentatgasauslasses (30n) der Membrantrenneinheit (2n) an einen Gasauslass einer Membrantrenneinheit oder an eine Verbindungsleitung angeschlossen. Entsprechend analoge Ausgestaltungen, z.B. für die Permeatströme, sind für einen Fachmann leicht auszuführen.
Wird das Retentatgas des ersten und des zweiten Feedstroms eines Membranblocks (1) zusammengeführt, was erfindungsgemäß bevorzugt bei der am weitesten stromabwärts angeordneten Retentattrennstufe der Fall ist (siehe Trennstufe B) in Abbildung 11 B), wird nur einer der beiden Retentatgasauslässe (30i) und (30n) als gemeinsamer Retentatgasauslass genutzt oder es wird eine alternative Abflussleitung z.B. in der Mitte der Retentatsammelrohre, bei Verwendung von Retentatverbindungsleitungen, an eine Verbindungsleitung oder einen Gasauslass der Membrantrenneinheiten (22) oder (2n-i) angeschlossen werden, um die gesamten Retentatströme als Gemisch der Retentatgase des ersten und des zweiten Feedstroms zu gewinnen. Bevorzugt werden solche weiteren Abflussleitungen eher im mittleren Bereich der Membranblöcke (1) angeschlossen.
Die Einstellung der Entnahmemengen in den Permeat- oder Retentatströmen kann z.B. auch über entsprechende Ventile in den Retentatgasleitungen (9) und/oder den Permeatgasleitungen (10) und oder dem Retentatsammelrohr (11) und/oder dem Permeatsammelrohr (14) und/oder der ersten Retentatgasableitung (12) und/oder der zweiten Retentatgasableitung (13) und/oder der ersten Permeatgasableitung (15) und/oder der zweiten Permeatgasableitung (16) und/oder den Retentatverbindungsleitungen (32) und/oder Permeatverbindungsleitungen (33) erfolgen. Bevorzugt werden hierzu Ventile in jeweils einer Permeat- und allen Retentatgasableitungen oder besonders bevorzugt in allen Permeat- und allen Retentatgasableitungen verwendet. Ganz besonders bevorzugt werden hierzu steuerbare Ventile in allen Permeat- und allen Retentatgasableitungen verwendet.
In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist es auch möglich, dass das Permeat- oder das Retentatsammelrohr nur an einer Stelle mit einer Abflussleitung verbunden ist, bevorzugt ist dies bei den Retentatströmen der am weitesten stromabwärts angeordneten Retentattrennstufe und/oder bei den Permeatströmen der am weitesten stromabwärts angeordneten Permeattrennstufe der Fall. In diesem Fall werden alle Permeat- bzw.
Retentatströme im jeweiligen Sammelrohr vereinigt und als jeweils ein vereinigter Mischstrom aus dem System entnommen. Die gleichen technischen Effekte können bei der Verwendung von Retentat- bzw. Permeatverbindungsleitungen an Stelle von Retentat- bzw. Permeatsammelrohren erzielt werden. In diesem Fall wird die eine Abflussleitung an einer Retentat- oder Permeatverbindungsleitung oder an einem Retentat- oder Permeatauslass einer Membrantrenneinheit einen Membranblocks angeschlossen. Entsprechende Ausgestaltungen sind für einen Fachmann leicht auszuführen. Ebenfalls ist es möglich mehrere Retentat oder Permeatabflussleitungen zu einer Leitung zu verbinden, um den gleichen technischen Effekt zu erzielen.
Besonders bevorzugt werden in den erfindungsgemäßen Anlagen und Verfahren
Retentatströme, bevorzugt alle Retentatströme, der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) mit Hilfe von Retentatgasleitungen (9) einem Retentatgassammelrohr (11) zugeführt, wobei das Retentatgassammelrohr (11) mit mindestens einer ersten Retentatgasableitung (12), bevorzugt mindestens zwei Retentatgasableitungen (12) und (13) verbunden ist, durch die ein oder mehrere Retentatgasströme, aus der Membrantrennstufe, in der sie erzeugt wurden, abgeführt werden, und/oder Permeatströme, bevorzugt alle Permeatströme, der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) mit Hilfe von Permeatgasleitungen (10) einem Permeatgassammelrohr (14) zugeführt werden, wobei das Permeatgassammelrohr (14) mit mindestens einer ersten Permeatgasableitung (15), bevorzugt mindestens zwei Permeatgasableitungen (15) und (16) verbunden ist, durch die ein oder mehrere Permeatgasströme, aus der Membrantrennstufe, in der sie erzeugt wurden, abgeführt werden.
Ebenfalls besonders bevorzugt werden in den erfindungsgemäßen Anlagen und Verfahren Retentatströme, bevorzugt alle Retentatströme, der Membrantrenneinheiten eines Membranblocks, mit Hilfe von Retentatverbindungsleitungen zwischen den Retentatgasauslässen, einer oder mehreren Retentatabflussleitungen zugeführt, durch die ein oder mehrere Retentatgasströme aus dem Membranblock, abgeführt werden, wobei die Anlage in diesem Fall Retentatverbindungsleitungen (32) zwischen den Retentatgasauslässen (30) der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe umfasst, wobei mindestens eine Retentatverbindungsleitung (32) oder mindestens ein Retentatgasaulass (30) zudem mit mindestens einer Retentatgasableitung (12) verbunden ist, bevorzugt sind in einem Membranblock (1) der Membrantrennstufe eine oder mehrere Retentatverbindungsleitung(en) (32) und/oder eine oder mehrere Retentatgasaulass/Retentatgasauslässe (30) mit zwei Retentatgasableitungen (12) und (13) verbunden, und/oder
Permeatströme, bevorzugt alle Permeatströme, der Membrantrenneinheiten eines Membranblocks mit Hilfe von Permeatverbindungsleitungen zwischen den Permeatgasauslässen, einer oder mehreren Permeatabflussleitungen zugeführt, durch die ein oder mehrere Permeatgasströme aus dem Membranblock, abgeführt werden, wobei die Anlage in diesem Fall Permeatverbindungsleitungen (33) zwischen den Permeatgasauslässen (31) der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe umfasst, wobei mindestens eine Permeatverbindungsleitung (33) oder mindestens ein Permeatgasaulass (31) mit mindestens einer Permeatgasableitung (15) verbunden ist, bevorzugt sind in einem Membranblock (1) der Membrantrennstufe eine oder mehrere Permeatverbindungsleitung(en) (33) und/oder ein oder mehrere Permeatgasaulass/Permeatgasauslässe (31) mit zwei Retentatgasableitungen (15) und (16) verbunden.
Werden in der erfindungsgemäßen Anlage bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren Membrantrennstufen mit mehreren Membranblöcken pro Membrantrennstufe verwendet, so werden die Permeat- und Retentatströme der jeweiligen Membranblöcke einer Membrantrennstufe bevorzugt zu einem oder zwei Permeatströmen bzw. einem oder zwei Retentatströmen pro Membrantrennstufe zusammengeführt. Dabei werden bevorzugt alle in der ersten Retentatgasableitung (12) der jeweiligen Membranblöcke (1) erhaltenen ersten Retentatströme zu einem ersten Retentatstrom der Membrantrennstufe zusammengeführt.
Werden in den Membranblöcken (1) auch zweite Retentatströme in der zweiten Retentatgasableitung (13) der jeweiligen Membranblöcke (1 ) erhaltenen, so werden diese zweiten Retentatströme bevorzugt zu einem zweiten Retentatstrom der Membrantrennstufe zusammengeführt. Analog kann verfahren werden, wenn in den jeweiligen Membranblöcken weitere Retentatströme erhalten werden.
Mit den Permeatströmen der jeweiligen Membranblöcke (1 ) einer Membrantrennstufe wird bevorzugt analog verfahren wie zuvor für die Retentatströme beschrieben.
Die aus einer erfindungsgemäßen Membrantrennstufe erhaltenen Permeat- und Retentatströme können als Produktstrom entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen werden, wobei jedoch mindestens ein Permeat- und/oder Retentatstrom als Produktstrom entnommen oder weiterverarbeitet wird. Besonders bevorzugt werden in jeder, stromaufwärts der am weitesten stromabwärtsliegenden Retentattrennstufe (Retentattrennstufe B in Abbildungen 10, 11A und B) und stromaufwärts der am weitesten stromabwärtsliegenden Permeattrennstufe (Permeattrennstufe C in Abbildung 11A und B) angeordneten, Membrantrennstufe mindestens zwei Permeatströme oder mindestens zwei Retentatströme erzeugt, die jeweils einer stromabwärts liegenden Membrantrennstufe zugeführt oder an eine stromaufwärts liegende Position zurückgeführt werden. In der am weitesten stromabwärtsliegenden Retentattrennstufe (Trennstufe B in Abbildungen 10, 11 A und B) werden bevorzugt ein oder mehrere Retentatströme, besonders bevorzugt ein Retentatstrom, erzeugt, der/die als Methan angereicherte(r) erste(r) Produktstrom/Produktströme entnommen wird / werden und bevorzugt mindestens 2 Permeatströme erzeugt, die an eine stromaufwärts liegende Position zurückgeführt werden, bevorzugt an eine Position stromaufwärts des Methanisierungsreaktors (34) und/oder direkt in den Methanisierungsreaktor (34). In der am weitesten stromabwärtsliegenden Permeatrennstufe (Trennstufe C in Abbildung 11A und B) werden bevorzugt ein oder mehrere Retentatströme erzeugt, die an eine stromaufwärts liegende Position zurückgeführt werden, bevorzugt an eine Position stromaufwärts des Methanisierungsreaktors (34) und/oder direkt in den Methanisierungsreaktor (34), und ein oder mehrere, bevorzugt ein Permeatstrom, der als zweiter Produktstrom entnommen oder verworfen wird, erzeugt. Sollte in der erfindungsgemäßen Anlage bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren keine stromabwärtsliegenden Permeatrennstufe (siehe Abbildung 10) enthalten sein, so wird mit dem/den PermeatstromZ-strömen der ersten T rennstufe analog verfahren wir zuvor für die am weitesten stromabwärtsliegenden Permeatrennstufe beschrieben.
Wie zuvor angedeutet kann die erfindungsgemäße Anlage eine Membrantrennstufe aber auch mehrere miteinander verschaltete, erfindungsgemäße Membrantrennstufen umfassen, wobei jedoch mindestens eine erfindungsgemäße Membrantrennstufe, umfassend einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1), welcher / welche wiederum jeweils mehrere parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2) umfasst / umfassen, zusammen mit einer erfindungsgemäßen Gasverteilung die derart ausgestaltet ist, dass
• sie Verbindungsleitungen (18), die jeweils die Gaseinlässe (3) zweier benachbarter Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) direkt und unmittelbar miteinander verbinden, umfasst und/oder eine oder mehrere Verteilleitung(en) (4), die eine oder mehrere Abzweigung(en) (5) enthalten, die jeweils mittels einer separaten Zuführleitung (6) mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) verbunden sind, umfasst, wobei eine oder mehrere Abzweigung(en) (5) zusätzlich auch noch eine Anschlussmöglichkeit für eine Feedgasleitung aufweisen können, so dass mittels der Abzweigung(en) (5) gleichzeitig eine Feedgasleitung und eine Zuführleitung (6) an die jeweilige Verteilleitung (4) angeschlossen sein können,
• sie, sofern die Membrantrennstufe mehrere Membranblöcke (1) umfasst, Rohrleitungen, bevorzugt Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b) umfasst, die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbinden,
• die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, an eine Verteilleitung (4) oder eine Verbindungsleitung (18) oder eine Abzweigung (5), oder, sofern vorhanden, an eine Rohrleitung (19a, 19b, 20a, oder 20b), oder an einen Gaseinlass (3) angeschlossen sind, wobei die Anschlussstellen derart angeordnet sind, dass in zwei oder mehr als zwei Abzweigung(en) (5) und/oder zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeordnet sind, verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, in denen mehrere erfindungsgemäße Membrantrennstufen miteinander verschaltet sind.
So zeigt Abbildung 10 eine 2-stufiuge Verschaltung in der zwei erfindungsgemäße Membrantrennstufen A und B retentatseitig verschaltet sind. In der Anlage nach Abbildung 10 werden ein erster, CO2 enthaltender Feedgasstrom und ein zweiter, CH und H2 und/oder CO2 enthaltender Feedgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, mittels der Feedgasleitungen (7) und (8) der ersten Membrantrennstufe A zugeführt, welche bevorzugt wie in Abbildung 1 gezeigt und weiter oben beschrieben ausgestaltet ist. Die beiden aus dem Permeatsammelrohr der ersten Membrantrennstufe A erhaltenen Permeatströme werden mittels Permeatgasableitungen (15) und (16), unabhängig voneinander, entweder als Produktströme entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen. Die beiden Permeatströme können dabei gleich oder, unabhängig voneinander, unterschiedlich behandelt werden. Sie können auch zu einem Permeatstrom zusammengeführt werden. Die beiden aus dem Retentatsammelrohr der ersten Membrantrennstufe A erhaltenen Retentatströme werden mittels Retentatgasableitungen (12) und (13) als neue Feedströme der Membrantrennstufe B zugeführt. Wie oben zu Abbildung 1 erläutert, unterscheiden sich die beiden aus dem Retentatsammelrohr der ersten Membrantrennstufe erhaltenen Retentatströme in ihrer Zusammensetzung. Der in der Retentatgasableitung (12) abgeführte Retentatstrom enthält hauptsächlich das Retentatgas des ersten Feedstroms und der in der Retentatgasableitung (13) abgeführte zweite Retentatstrom hauptsächlich das Retentatgas des zweiten Feedstroms. Die Retentatgase in beiden Retentatströmen können im Hinblick auf ihre Komponenten gleich oder unterschiedlich sein. Sind sie gleich unterscheiden sich beide Retentatgasströme dennoch im Gehalt, d.h. in ihrer mengenmäßigen Zusammensetzung.
Da sich die beiden Retentatströme der Membrantrennstufe A in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, gilt für die zweite Membrantrennstufe B die gleiche Voraussetzung wie für die Membrantrennstufe A, d.h. ihr werden zwei Feedgasströme zugeführt, wobei sich der zweite Feedgasstrom vom ersten in seiner Zusammensetzung unterscheidet. Membrantrennstufe B ist bevorzugt wie in Abbildung 1 gezeigt aufgebaut. Die beiden aus dem Permeatsammelrohr der zweiten Membrantrennstufe B erhaltenen Permeatströme werden, getrennt und unabhängig voneinander, bevorzugt mittels der Permeatgasableitungen (22) und (23), oder gemeinsam an eine Position stromaufwärts des Methanisierungsreaktors (34) und/oder in den Methanisierungsreaktor (34) zurückgeführt, bevorzugt zur Feedgasleitung (7) stromaufwärts der in Abbildung 13 gezeigten Abzweigung des zum Methanisierungsreaktor (34) führenden Teilstroms. Die beiden aus dem Retentatsammelrohr der zweiten Membrantrennstufe B erhaltenen Retentatströme werden, getrennt und unabhängig voneinander, bevorzugt mittels der Retentatgasableitungen (24) und (25), oder gemeinsam entweder als Methan angereicherte erste Produktströme entnommen oder weiterverarbeitet.
Für den Betrieb einer Membrantrenneinheit ist eine Partialdruckdifferenz und damit in der Regel eine Druckdifferenz zwischen der Retentat- und der Permeatseite notwendig. Der Druck auf der Retentatseite muss höher sein als auf der Permeatseite. Dies kann z.B. dadurch sichergestellt werden, dass mittels einer Komprimierungseinheit P, bevorzugt mittels eines Kompressors, ein Feedgasstrom mit einem erhöhten Druck erzeugt wird oder in dem auf der Permeatseite der Membran ein Unterdrück, z.B. mittels einer Vakuumpumpe, erzeugt wird. Entsprechende Technologien sind dem Fachmann bekannt. Für die Verschaltung nach Abbildung 10 bedeutet dies, dass der Druck in den Permeatgasableitungen (22) und (23) in der Regel niedriger ist als in den Feedgasleitungen (7) und (8). Werden die Permeatgasableitungen (22) und (23) zu einer unter höheren Druck stehenden Feedgasleitung (7) und/oder (8) oder in den unter höherem Druck stehenden Methanisierungsreaktor (34) zurückgeführt, so müssen die Permeatströme in Komprimierungseinheiten auf den Druck der Einheit zu der sie zurückgeführt werden gebracht werden. Die Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 für die Permeatgasableitungen (22) und (23) können gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein. So ist es z.B. möglich, dass in einem oder beiden der Permeatgasableitungen (22) und/oder (23) eine Komprimierungseinheit P, bevorzugt ein Kompressor, eingesetzt wird. Diese Ausgestaltungsform wird man bevorzugt wählen, wenn einer oder beide der in Abbildung 10 nicht dargestellten Rohgasströme bereits unter ausreichendem Druck steht.
Alternativ können einer oder beide der in den Permeatgasableitungen (22) und (23) zurückgeführten Permeatströme stromaufwärts der Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 jeweils einem der, in Abbildung 10 nicht gezeigten, Rohgasstrom zugeführt und der so entstandene Mischstrom bzw. die so entstandenen beiden Mischströme komprimiert und damit der Feedstrom bzw. die beiden Feedströme in den Feedgasleitungen (7) und/oder (8) erzeugt werden. Eine entsprechende Ausführungsform wird in Abbildung 13 gezeigt.
In einer weiteren Alternative kann einer oder können beide der in den Permeatgasableitungen (22) und (23) zurückgeführten Permeatströme in den Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 direkt einem Kompressor, der einen der beiden Feedströme in den Feedgasleitungen (7) und (8) erzeugt, zugeführt werden.
Die beiden letztgenannten Alternativen werden bevorzugt angewandt, wenn der oder die Rohgasströme einen niedrigeren Druck als die Feedströme aufweisen. Dies ist bei der erfindungsgemäß besonders bevorzugt verwendeten Biogasanlage als CO2 Gasquelle der Fall. Alternativ bzw. ergänzend kann die Partialdruckdifferenz auch durch einen Spülgasstrom auf der Permeatseite erzeugt bzw. erhöht werden. Auch diese Vorgehensweise ist dem Fachmann bekannt.
Einrichtungen zur Druckerreduktion in den Permeatgasableitungen (15) und (16) und/oder (22) und (23) sind zur Erhöhung der Triebkraft sinnvoll aber aufgrund des apparativen Aufwands weniger bevorzugt.
Alternativ aber ebenfalls bevorzugt können eine oder beide der Membrantrennstufen A und/oder B in Abbildung 10 auch wie in den anderen weiter oben diskutierten bevorzugten Ausführungsformen, insbesondere wie Abbildung 2 oder 3 gezeigt, ausgestaltet sein.
Die Verschaltung nach Abbildung 10 kann auf verschiedene Weisen variiert werden. Beispielhaft seien hier genannt: einer, bevorzugt beide der aus der Membrantrennstufe B erhaltenen Permeatströme werden zum jeweils ursprünglichen Feedstrom der Membrantrennstufe A zurückgeführt wird/werden und gleichzeitig die aus Membrantrennstufe B erhaltenen Retentatströme, als Produktstrom entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen werden, mit der Bedingung, dass mindestens einer der beiden Permeatströme der Membrantrennstufe A als Produktstrom entnommen wird Weitere Abwandlungen der 2-stufigen Verschaltung sind für einen Fachmann anhand der erfindungsgemäßen Lehre leicht auffindbar.
Besonders bevorzugt sind die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren daher dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Membrantrennstufen A und B umfassen, wobei beide Membrantrennstufen A und B jeweils einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1), umfassend jeweils mehrere parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2), umfassen, und dass die Gasverteilung der ersten Membrantrennstufe A derart ausgestaltet ist, dass sie die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) mit den Gaseinlässen (3) der Membrantrenneinheiten (2) der ersten Membrantrennstufe A derart verbindet, dass in jedem Membranblock (1) der Membrantrennstufe A der erste, CO2 enthaltende Feedgasstrom und der zweite, CH4 und H2 und/oder CO2 enthaltende Feedgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, mindestens zwei verschiedenen Membrantrenneinheiten (2) zugeführt werden, die erste Membrantrennstufe A derart ausgestaltet ist, dass zwei voneinander verschiedene Retentatströme in einer ersten Retentatgasableitung (12) und einer zweiten Retentatgasableitung (13) und /oder zwei voneinander verschiedene Permeatströme in einer ersten Permeatgasableitung (15) und einer zweiten Permeatgasableitung (16) oder ein gemeinsamer Permeatstrom in einer ersten Permeatgasableitung (15) erhalten werden, die beiden Retentatströme der ersten Membrantrennstufe A der zweiten Membrantrennstufe B als Feedströme zugeführt werden und die Gasverteilung der zweiten Membrantrennstufe B derart ausgestaltet ist, dass sie die erste Retentatgasableitung (12) und die zweite Retentatgasableitung (13) mit den Gaseinlässen (3) der Membrantrenneinheiten (2) der zweiten Membrantrennstufe B derart verbindet, dass in jedem Membranblock (1) der zweiten Membrantrennstufe B mindestens zwei verschiedenen Membrantrenneinheiten (2) Gasströme zugeführt werden, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden.
Besonders bevorzugt ist die Retentattrennstufe B derart ausgestaltet, dass zwei voneinander verschiedene Retentatströme in einer ersten Retentatgasableitung (24) und einer zweiten Retentatgasableitung (25) oder ein zusammengeführter Retentatstrom in einer Retentatgasableitung (24) (siehe Abbildung 11 B) und /oder zwei voneinander verschiedene Permeatströme in einer ersten Permeatgasableitung (22) und einer zweiten Permeatgasableitung (23) erhalten werden.
Abbildung 1 1 A zeigt als weitere besonders bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform eine 3-stufige Verschaltung, in der drei erfindungsgemäße Membrantrennstufen derart miteinander verschaltet sind, dass die beiden Retentatströme der Feedstromtrennstufe A als Feedströme der Retentattrennstufe B und die beiden Permeatströme der Feedstromtrennstufe A als Feedströme der Permeattrennstufe C zugeführt werden.
Dabei werden ein erster, CO2 enthaltender Feedgasstrom und ein zweiter, CH4 und H2 und/oder CO2 enthaltender Feedgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, mittels der Feedgasleitungen (7) und (8) der Feedstromtrennstufe A zugeführt, welche bevorzugt wie in Abbildung 1 gezeigt ausgestaltet ist. Die beiden aus dem Permeatsammelrohr der Feedstromtrennstufe A erhaltenen Permeatströme werden mittels der Permeatgasableitungen (15) und (16) als neue Feedgasströme der Retentattrennstufe C zugeführt. Die beiden aus dem Retentatsammelrohr der Feedstromtrennstufe A erhaltenen Retentatströme werden mittels der Retentatgasableitungen (12) und (13) als neue Feedströme der Permeattrennstufe B zugeführt. Wie oben zu Abbildungen 1 und 10 erläutert, unterscheiden sich die beiden aus der Feedstromtrennstufe A erhaltenen Retentatgasströme in ihrer Zusammensetzung. Gleiches gilt für die aus der ersten Feedstromtrennstufe A erhaltenen Permeatgasströme.
Da sich die beiden Retentatströme der Feedstromtrennstufe A in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, gilt für die Retentattrennstufe B die gleiche Voraussetzung wie für die Feedstromtrennstufe A, d.h. ihr werden zwei Feedgasströme zugeführt, wobei sich der zweite Feedgasstrom vom ersten in seiner Zusammensetzung unterscheidet. Retentattrennstufe B ist bevorzugt wie in Abbildung 1 gezeigt, aufgebaut. Die beiden aus dem Retentatsammelrohr der zweiten Retentattrennstufe B erhaltenen Retentatströme werden, getrennt und unabhängig voneinander, bevorzugt mittels der Retentatgasableitungen (24) und (25), oder gemeinsam als Methan angereicherte erste Produktströme entnommen, oder weiterverarbeitet. Die beiden aus dem Permeatsammelrohr der Retentattrennstufe B erhaltenen Permeatströme werden, getrennt und unabhängig voneinander, bevorzugt mittels der Permeatgasableitungen (22) und (23), oder gemeinsam an eine Position stromaufwärts des Methanisierungsreaktors (34) und/oder in den Methanisierungsreaktor (34) zurückgeführt, bevorzugt zur Feedgasleitungen (7) stromaufwärts der in Abbildung 13 gezeigten Abzweigung des zum Methanisierungsreaktor (34) führenden Teilstroms.
Da sich die beiden Permeatströme der Feedstromtrennstufe A in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, gilt für die Permeattrennstufe C die gleiche Voraussetzung wie für die Feedstromtrennstufe A, d.h. ihr werden zwei Feedgasströme zugeführt, wobei sich der zweite Feedgasstrom vom ersten in seiner Zusammensetzung unterscheidet. Permeattrennstufe C ist ebenfalls wie in Abbildung 1 gezeigt aufgebaut. Die beiden aus dem Permeatsammelrohr der dritten Permeattrennstufe C erhaltenen Permeatströme werden, getrennt und unabhängig voneinander, bevorzugt mittels der Permeatgasableitungen (26) und (27), oder gemeinsam als ein Gasstrom, entweder als zweite Produktströme entnommen, weiterverarbeitet oder verworfen. Die beiden aus dem Retentatsammelrohr der dritten Permeattrennstufe C erhaltenen Retentatströme werden, getrennt und unabhängig voneinander, bevorzugt mittels der Retentatgasableitungen (28) und (29), oder gemeinsam an eine Position stromaufwärts des Methanisierungsreaktors (34) und/oder in den Methanisierungsreaktor (34) zurückgeführt, bevorzugt zur Feedgasleitung (7) stromaufwärts der in Abbildung 13 gezeigten Abzweigung des zum Methanisierungsreaktor (34) führenden Teilstroms.
Alternativ aber ebenfalls bevorzugt, können eine, zwei oder alle drei Membrantrennstufen A, B und/oder C in Abbildungen 11 A und B auch wie in den anderen, weiter oben diskutierten, bevorzugten Ausführungsformen, insbesondere wie Abbildung 2 oder 3 gezeigt, ausgestaltet sein.
Für die Verschaltung nach Abbildung 11A und B gilt das gleiche wie für Abbildung 10, d.h. der Druck in den Permeatgasableitungen (22) und (23) sowie in den Retentatgasableitungen (28) und (29) ist niedriger als in den Feedgasleitungen (7) und (8). Werden die Permeatgasableitungen (22) und (23) und/oder die Retentatgasableitungen (28) und (29) zu einer unter höheren Druck stehenden Feedgasleitung (7) und/oder (8) oder in den unter höherem Druck stehenden Methanisierungsreaktor (34) zurückgeführt, so müssen die Permeatströme bzw. Retentatströme in diesen Leitungen in Komprimierungseinheiten auf den Druck der Einheit zu der sie zurückgeführt werden gebracht werden. Die Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 können gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein.
So wird bevorzugt die Permeatgasableitungen (22) mit der Retentatgasableitung (28) zusammengeführt und durch eine weitere Gasleitung der Komprimierungseinheit P1 zugeführt. Die Permeatgasableitungen (23) wird bevorzugt mit der Retentatgasableitung (29) zusammengeführt und durch eine weitere Gasleitung der Komprimierungseinheit P2 zugeführt.
In einem oder beiden der den Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 zugeführten Gasleitungen kann ein Kompressor angeordnet sein. Diese Ausgestaltungsform wird man bevorzugt wählen, wenn einer oder beide der in Abbildung 11 A nicht dargestellten Rohgasströme bereits unter ausreichendem Druck steht.
Alternativ kann / können einer oder mehrere der in den zu den Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 zugeführten Gasleitungen zurückgeführten Gastströme stromaufwärts der Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 jeweils einem der, in Abbildung 11A nicht gezeigten, Rohgasstrom zugeführt und der so entstandene Mischstrom bzw. die so entstandenen Mischströme komprimiert und damit der Feedstrom / die Feedströme in den Feedgasleitungen (7) und/oder (8) erzeugt werden. Eine entsprechende Ausführungsform wird in Abbildung 13 gezeigt.
In einer weiteren Alternative kann/können einer oder mehrere der in den zu den Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 zugeführten Gasleitungen zurückgeführten Gasströme in den Komprimierungseinheiten P1 bzw. P2 direkt einem Kompressor, der einen der beide Feedgasstrom bzw. Feedströme in den Feedgasleitungen (7) und/oder (8) erzeugt, zugeführt werden.
Die beiden letztgenannten Alternativen werden bevorzugt angewandt, wenn der oder die Rohgasstrom / -ströme einen niedrigeren Druck als die Feedströme aufweist/aufweisen. Dies ist bei der erfindungsgemäß besonders bevorzugt verwendeten Biogasanlage als CO2 Gasquelle der Fall. Alternativ kann die Partialdruckdifferenz auch durch einen Spülgas auf der Permeatseite erzeugt werden. Auch diese Vorgehensweise ist dem Fachmann bekannt.
Einrichtungen zur Druckreduktion in den Permeatgasableitungen (15) und (16) und/oder (22) und (23) und/oder (26) und (27) sind zur Erhöhung der Triebkraft sinnvoll aber aufgrund des apparativen Aufwands nicht bevorzugt.
Weitere Abwandlungen der 3-stufigen Verschaltung sind für einen Fachmann anhand der erfindungsgemäßen Lehre leicht auffindbar.
Im bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Abbildung 11 B wird in einer Feedstromtrennstufe A in der Permeatgasableitung (15) ein im Vergleich zum ersten Feedgasstrom mit CO2 und H2 angereicherter erster Permeatgasstrom und in der Permeatgasableitung (16) ein im Vergleich zum zweiten Feedgasstrom mit H2 angereicherter zweiter Permeatgasstrom erhalten. Beide Permeatgasströme enthalten zudem Methan und werden als Feedströme der Permeattrennstufe C zugeführt. Ferner werden in der Feedstromtrennstufe A in der ersten Retentatgasableitung (12) ein im Vergleich zum ersten Feedgasstrom mit CPU angereicherter erster Retentatgasstrom, welcher zudem CO2 enthält, und in der in zweiten Retentatgasableitung (13) ein im Vergleich zum zweiten Feedgasstrom mit CPU angereicherter zweiter Retentatgasstrom, welcher zudem H2 enthält und sich in seiner Zusammensetzung vom ersten Retentatgasstrom unterscheidet, erhalten, welche der Retentattrennstufe B als Feedgasstrom zugeführt werden. In der Retentattrennstufe B werden in der Permeatgasableitung (22) ein im Vergleich zum ersten Retentatstrom mit CO2 und H2 angereicherter dritter Permeatgasstrom und in der Permeatgasableitung (23) ein im Vergleich zum zweiten Retentatstrom mit H2 angereicherter vierter Permeatgasstrom erhalten. Beide Permeatgasströme können zudem Methan enthalten. Die Permeatgasströme der Membrantrenneinheiten der Retentattrennstufe B werden vereinigt und zum ersten Feedgasstrom, mittels Rückführleitung (39), stromaufwärts der Komprimierungseinheit P (siehe Abbildung 13) zurückgeführt. Ferner werden die Retentatgasströme der einzelnen Membrantrenneinheiten der Retentattrennstufe B zu einem Retentatproduktstrom vereinigt, der einen sehr hohen Methangehalt und eine hohe Methanreinheit aufweist und als erster Produktstrom entnommen wird. In der Permeatrennstufe C wird in der Permeatgasableitung (26) ein im Vergleich zum ersten Permeatstrom mit CO2 und H2 angereicherter fünfter Permeatgasstrom und in der Permeatgasableitung (27) ein im Vergleich zum zweiten Permeatstrom mit H2 angereicherter sechster Permeatgasstrom erhalten, der sich in seiner Zusammensetzung vom fünften Permeatstrom unterscheidet. Die den sechsten Permeatstrom führende Permeatgasleitung (27) kann entweder in die Rückführleitung (39) eingebunden werden oder durch einem alternativen Kompressionsschritt für wasserstoffreiches Gas separat komprimiert werden und damit auch separat dem Methanisierungsreaktor (34) bei z.B. gestufter Reaktionsführung zugeführt werden. Die den fünften Permeatstrom führende Permeatgasleitung (26) kann entweder als CO2 angereicherter zweiter Produktstrom entnommen, oder weiterverarbeitet, oder mind, teilweise in den Methanisierungsschritt zurückgeführt werden. Ferner werden in der Permeattrennstufe C in der ersten Retentatgasableitung (28) ein CP reicher fünfter Retentatgasstrom, welcher zudem CO2 und H2 enthalten kann, und in der in zweiten Retentatgasableitung (29) ein CP reicher sechster Retentatgasstrom, welcher zudem H2 enthält und sich in seiner Zusammensetzung vom fünften Retentatstrom unterscheidet, erhalten. Bevorzugt werden die Retentatgasableitungen (28) und (29) der Permeattrennstufe C jeweils zu einer Gasableitung reduziert und zur gemeinsamen Rückführleitung (39) zusammengeführt oder Retentatgasableitungen (28) wird mit der Permeatgasableitung (22) vereinigt und zur gemeinsamen Rückführleitung (39) zusammengeführt und die Retentatgasableitungen (29) wird mit der Permeatgasableitung (23) zusammengeführt und wie zuvor für den vierten Permeatgasstrom beschrieben zurückgeführt.
Alternativ aber ebenfalls bevorzugt werden in einer dreistufigen Verschaltung, welche in Abbildung 11 B dargestellt ist, die Permeatgasableitungen (22) und (23) der Retentattrennstufe B als auch die Retentatgasableitungen (28) und (29) der Permeattrennstufe C jeweils zu einer Gasableitung reduziert und zur gemeinsamen Rückführleitung (39) zusammengeführt. Dem Retentatsammelrohr der Retentattrennstufe B erhaltenen Retentatströme werden auch durch Zusammenfassen der bisherigen Retentatgasströme (24) und (25) auf eine gemeinsame Retentatgasableitung gemeinsam als Methan angereicherter erster Produktstrom entnommen, oder weiterverarbeitet. Die Rückführleitung (39) wird bevorzugt wie in Abbildung 13 dargestellt vor dem Kompressionsschritt (P) eingebunden. Die den Wasserstoff angereicherten sechsten Permeatstrom führende Permeatgasleitung (27) kann entweder in die Rückführleitung (39) eingebunden werden oder durch einem alternativen Kompressionschritt für wasserstoffreiche Gas separat komprimiert werden und damit auch separat dem Methansierungsschritt bei z.B. gestufter Reaktionsführung zugeführt werden. Die den CO2 angereicherten fünften Permeatstrom führende Permeatgasleitung (26) kann entweder in als CO2 angereicherter zweiter Produktstrom entnommen, oderweiterverarbeitet, oder mind, teilweise in den Methanisierungsschritt zurückgeführt werden.
In einer ebenfalls bevorzugten Alternative zu Figur 11 B, ist es möglich die Retentatrennstufe B durch eine herkömmliche Retentattrennstufe, die nu einen Feedgasstrom verarbeiten kann, zu ersetzen. Durch Zusammenfassen des ersten und zweiten Retentatstroms der Feedstromtrennstufe A, d.h. durch Zusammenführen der Retentatableitungen 12 und 13, wird dabei ein einziger Feedstrom erzeugt, der einer konventionellen Retentatrennstufe B zugeführt wird, welche einen Retentatstrom und einen Permeatstrom erzeugt, die dann wie in Abbildung 11 B gezeigt verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren daher dadurch gekennzeichnet sie drei Membrantrennstufen A, B und C umfasst, wobei alle drei Membrantrennstufen A, B und C jeweils einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1), umfassend jeweils mehrere parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2), umfassen, und die Gasverteilung der Feedstromtrennstufe A derart ausgestaltet ist, dass sie die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) mit den Gaseinlässen (3) der Membrantrenneinheiten (2) der Feedstromtrennstufe A derart verbindet, dass in jedem Membranblock (1) der Feedstromtrennstufe A der erste, CO2 enthaltende Feedgasstrom und der zweite, CH und H2 und/oder CO2 enthaltende, Feedgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, mindestens zwei verschiedenen Membrantrenneinheiten (2) zugeführt werden, die Feedstromtrennstufe A derart ausgestaltet ist, dass zwei voneinander verschiedene Retentatströme in einer ersten Retentatgasableitung (12) und einer zweiten Retentatgasableitung (13) und zwei voneinander verschiedene Permeatströme in einer ersten Permeatgasableitung (15) und einer zweiten Permeatgasableitung (16) erhalten werden, die beiden Retentatströme der Feedstromtrennstufe A der Retentattrennstufe B als Feedströme zugeführt werden, wobei die Retentatgasableitungen (12) und (13) mit der Gasverteilung der Retentattrennstufe B verbunden sind, die beiden Permeatströme der Feedstromtrennstufe A der Permeattrennstufe C als Feedströme zugeführt werden, wobei die Permeatgasableitungen (15) und (16) mit der Gasverteilung der Permeattrennstufe C verbunden sind, die Gasverteilung der Retentattrennstufe B derart ausgestaltet ist, dass sie die erste Retentatgasableitung (12) und die zweite Retentatgasableitung (13) mit den Gaseinlässen (3) der Membrantrenneinheiten (2) der Retentattrennstufe B derart verbindet, dass in jedem Membranblock (1) der Retentattrennstufe B mindestens zwei verschiedenen Membrantrenneinheiten (2) Gasströme zugeführt werden, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, und die Gasverteilung der Permeattrennstufe C derart ausgestaltet ist, dass sie die erste Permeatgasableitung (15) und die zweiten Permeatgasableitung (16) mit den Gaseinlässen (3) der Membrantrenneinheiten (2) der Permeatbrantrennstufe C derart verbindet, dass in jedem Membranblock (1) der dritten Permeattrennstufe C mindestens zwei verschiedenen Membrantrenneinheiten (2) Gasströme zugeführt werden, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden.
Besonders bevorzugt ist die Retentattrennstufe B derart ausgestaltet, dass zwei voneinander verschiedene Retentatströme in einer ersten Retentatgasableitung (24) und einer zweiten Retentatgasableitung (25) oder ein zusammengeführter Retentatstrom in einer Retentatgasableitung (24) (siehe Abbildung 11 B) und /oder zwei voneinander verschiedene Permeatströme in einer ersten Permeatgasableitung (22) und einer zweiten Permeatgasableitung (23) erhalten werden oder ein zusammengeführter Permeastrom in einer Permeatgasableitung (22) (siehe Abbildung 11 B) und/oder die Permeattrennstufe C derart ausgestaltet ist, dass zwei voneinander verschiedene Retentatströme in einer ersten Retentatgasableitung (28) und einer zweiten Retentatgasableitung (29) oder ein zusammengeführter Retentatstrom in einer Retentatgasableitung (28) (siehe Abbildung 11 B) und /oder zwei voneinander verschiedene Permeatströme in einer ersten Permeatgasableitung (26) und einer zweiten Permeatgasableitung (27) erhalten werden.
Wie zuvor beispielhaft anhand von 2- und 3-stufigen Verschaltungen gezeigt, können die erfindungsgemäß ausgestalteten Membrantrennstufen zu jeder beliebigen Art von mehrstufigen Verschaltungen, besonders bevorzugt 2-, 3-, 4- und 5-stufigen Verschaltungen, ganz besonders bevorzugt 2-, 3- und 4-stufigen Verschaltungen kombiniert werden. Die 3-stufige Verschaltung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung am meisten bevorzugt.
Dier erfindungsgemäße Anlage bzw. das Verfahren kann eine Kompressionseinheit P oder mehrere Kompressionseinheiten P enthalten. In den Abbildungen 10 und 11 A sind lediglich beispielhaft zwei Kompressioneinheiten P1 und P2 gezeigt. Diese können ebenfalls besonders bevorzugt zu einer Kompressionseinheit P, wie in Abbildung 13 beispielhaft gezeigt, zusammengefasst werden.
In erfindungsgemäßen Anlagen können erfindungsgemäße Membrantrennstufen, welche mindestens zwei voneinander unterschiedliche Feedgasströme auftrennen, auch mit „klassischen“ Membrantrennstufen kombiniert werden, die nur einen Gasstrom in einen Permeat- und einen Retentatstrom auftrennen.
So kann stromabwärts einer ersten erfindungsgemäßen Membrantrennstufe eine klassische Membrantrennstufen, die nur einen Feedstrom auftrennt verwendet werden. So könnte z.B. einer der aus einer erfindungsgemäßen Membrantrennstufe erhaltenen Permeat- und/oder Retentatströme einer solchen klassischen Membrantrennstufe zugeführt werden. Ferner ist es - wie oben bereits erläutert - möglich, die erfindungsgemäßen Membrantrennstufen derart auszugestalten, dass jeweils nur ein Permeat und/oder nur ein Retentatstrom, erhalten wird. Diese Permeat- bzw.
Retentatströme können dann in klassischen Membrantrennstufen weiterverarbeitet werden.
Wie für die speziellen Ausführungsformen gemäß Abbildungen 10 und 11A und 11 B bereits ausgeführt, benötigen die in der erfindungsgemäßen Anlage und dem erfindungsgemäßen Verfahren umfassten Membrantrennstufen eine Partialdruckdifferenz zwischen Retentat- und Permeatseite der Membranen. Es gilt somit für sämtliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dass sollten die Feedgasströme der jeweiligen Membrantrennstufen keine ausreichende Partialruckdifferenz zur Permeatseite der Membrantrennstufen aufweisen, bevorzugt eine Komprimierungseinheit P, bevorzugt ein Kompressor, in der Feedgasleitung und/oder eine Vakuumpumpe auf der Permeatseite der Membran verwendet wird. Ebenfalls bevorzugt als Alternative oder in Kombination kann dem Permeatraum für die Erhöhung der Partialdruckdifferenz Spülgas zugeführt werden. Dies ist dem Fachmann unter dem Begriff Sweep bekannt. Besonders bevorzugt werden Kompressoren lediglich in einem oder mehreren Feedströmen, stromaufwärts der ersten erfindungsgemäßen Trennstufe, verwendet.
Die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Methanisierungsreaktor (34), eine Wasserstoffquelle mit Wasserstoffleitung (35) und eine Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom mit einer Rohgasleitung (36) umfassen und dass das stromaufwärts liegenden Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der Rohgasleitung (36) der Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom, das stromaufwärts liegenden Ende der zweiten Feedgasleitung (8) mit dem Produktgasauslass des methanangereicherten Produktgasstroms des Methanisierungsreaktors (34) oder mit einer entsprechenden Produktgasausgangsleitung des Methanisierungsreaktors (34), und der Wasserstoffgaseinlass des Methanisierungsreaktors (34) mit der Wasserstoffquelle mittels einer Wasserstoffleitung (35) verbunden sind.
Eine besonders bevorzugte Anordnung des Methanisierungsreaktors (34), der Wasserstoffquelle und deren Wasserstoffleitung (35) und der Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom mit deren Rohgasleitung (36) sowie der stromaufwärts liegenden Ende der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) sind in Abbildung 13 dargestellt. In Abbildung 13 werden die Feedströme (7) und (8) stromaufwärts, mit einem gemeinsamen Kompressionsschritt (P) und einem Methanisierungsreaktor (34) zu einem erfindungsgemäßen Apparat verknüpft. Der Rohgasstrom der CO2 Quelle wir mittels der Rohgasleitung (36) und ein oder mehrere optionale Rückführströme, bevorzugt einer oder mehrere der Permeatströme aus Leitungen (22) und (23) und/oder der Retentatströme aus Leitungen (28) und (29) aus den Ausführungsformen nach Abbildung 10, 11A oder 11 B, werden einem Kompressionsschritt (P) zugeführt. Nach dem Kompressionsschritt teilt sich der komprimierte Gasstrom aus dem stromaufwärts der Abzweigung der Teilstromleitung (37) angeordneten ersten Feedstromleitung (38) in einem Zuführstrom zur Methanisierung in Teilstromleitung (37) und den ersten Feedstrom in der ersten Feedstromleitung (7) auf. Der, bevorzugt als Hauptkomponente, CH4 sowie nicht umgesetzten Wasserstoff und/oder CO23enthaltende Produktgasstrom der Methanisierung bildet den zweiten Feedgasstrom in der zweiten Feedstromleitung (8), welche mit dem Produktgasauslass des Methanisierungsreaktors (34) verbunden ist. Je nach Mengenbedarf für den Methanisierungsreaktor (34), welcher schwankende Mengen an Wasserstoff über Wasserstoffleitung (35) erhält, wird dem Methanisierungsreaktor (34) die benötigte Menge an CO2 über die Teilstromleitung (37) zugeführt. Entsprechend gegenläufig schwankend sind auch die Feedgasströme in den Feedgasleitungen (7) und (8). D.h. steht genügend Wasserstoff über die Wasserstoffleitung (35) zur Verfügung, um den Methanisierungsreaktor (34) bei maximaler Last zu betreiben, so wird über Teilstromleitung (37) auch die maximale Menge des CO2 haltigen Rohgasstromes, jedoch bevorzugt nicht der komplette Rohgasstrom, zugeführt. Der erste Feedstrom in der ersten Feedstromleitung (7) wird dadurch entsprechend minimal und der zweite Feedstrom in der zweiten Feedstromleitung (8) wird bei maximaler Last des Methanisierungsreaktors (34) entsprechend maximal. Bei minimaler Last des Methanisierungsreaktors (34) kehren sich die Verhältnisse um. Der erste Feedstrom in der ersten Feedstromleitung (7) wird maximal und der zweite Feedstrom in der zweiten Feedstromleitung (8) wird minimal.
Abwandlungen der Anordnung nach Abbildung 13 sind von der vorliegenden Erfindung ebenfalls umfasst. Sie ist es bevorzugt, dass die Anlage bzw. das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Rückführleitung(en) umfasst, die geeignet ist/sind einen oder mehrere Permeatströme einer oder mehrerer Membrantrennstufe(n) und/oder einen oder mehrere Retentatströme einer oder mehrerer Membrantrennstufe(n) zur Rohgasleitung (36) der Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom und/oder zur ersten Feedgasleitung (7), bevorzugt stromaufwärts der Abzweigungsstelle der Teilstromleitung (37), und/oder zum Methanisierungsreaktor (34) und/oder zur Wasserstoffleitung (35) und/oder zur Druckerhöhungseinerichtung P und/oder zur zweiten Feedgasleitung (8), zurückzuführen.
Als Methanisierungsreaktor (34) können im erfindungsgemäßen Verfahren alle bekannten Methanisierungsreaktoren eingesetzt werden. Dabei können sowohl verschiedene biologische als auch verschiedene chemisch katalysierte Verfahren verwendet werden.
Als Wasserstoffquellen werden bevorzugt i) Dampfreforming von Methan ggf. mit anschließender Shiftreaktion, ii) Vergasung oder Reforming von festen oder flüssigen Kohlenstoffquellen wie Kohle oder Biomasse, iii) Thermochemische und Photochemische oder Photobiologische Wasserspaltung oder iv) Elektrolyse verwendet. Bevorzugt wird eine Wasserstoffelektrolyse verwendet, bei der besonders kostengünstig, zeitweise überschüssiger und damit besonderes kostengünstiger, elektrischer Strom oder besonders nachhaltig, Strom der aus erneuerbaren Quellen wie Windkraft, Fotovoltaik oder Wasserkraft gewonnen wurde, verwendet wird. In beiden Fällen ergeben sich schwankende Mengen an Wasserstoff.
Als Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom können neben biogenen CO2 Quellen wie Biogas, bespielhaft aber nicht einschränkend fossile und industrielle CO2 Quellen verwendet werden. Entsprechende CO2 Quelle finden sich in P. Bains et al., Progress in Energy and Combustion Science 63 (2017) 146 - 172 in der Tabelle 2 auf Seite 150 zu nennen.
Vorzugsweise liefert die CO2Quelle liefert einen Rohgasstrom mit einem CO2 Gehalt von 3 bis 100 Vol.%, bevorzugt 10 bis 90 Vol%, besondersbevorzugt 20 bis 70 Vol% und ganz besonders bevorzugt 30 bis 50 Vol%.
Abbildung 15 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Apparatur. Der erste und zweite Feedgasstrom in den Feedgasleitungen (7) und (8) werden wie in Abbildung 13 gezeigt und weiter oben erläutert erzeugt. Die Apparatur gemäß Abbildung 15 umfasst eine Membrantrennstufe mit einem erfindungsgemäßen Membranblock, der wiederum mehrere parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2i) bis (227) sowie eine Gasverteilung umfasst, welche wie in Abbildung 1 gezeigt ausgeführt, in Abbildung 15 jedoch vereinfacht dargestellt ist. Im Unterschied zu Abbildung 1 werden in der Anlage nach Abbildung 15 Membrantrenneinheiten (2) verwendet, welche jeweils zwei Permeatgasauslässe (31 a) und (31 b) aufweisen. Die Permeatgasauslässe sind zur Vereinfachung in Abbildung 15 nicht dargestellt. Es werden der in der Apparatur nach Abbildung 15 pro Membrantrenneinheit jeweils ein Retentatstrom, ein Permeatstrom und ein Retentatpermeatstrom erhalten, welche in Abbildung 15 gezeigt sind.
Der jeweilige Permeatstrom jeder Membrantrenneinheit (2) wird im Gegenstrom am Permeatgasauslass (31 a) entnommen, welcher nahe dem Feedgaseinlass (3) angeordnet ist. Diese Permeatströme werden einem ersten Permeatsammelrohr zugeführt, welches mit zwei Permeatgasableitungen verbunden ist. Dabei wird der auf der Seite der Membrantrenneinheiten (226) und (227) erzeugte Teil des im ersten Permeatsammelrohr gebildeten Permeatstroms über die Rückführleitung (39) an eine stromaufwärts der Komprimierungseinheit P, bevorzugt eines Kompressors, angeordnete Verbindungsstelle zu Gasleitung (36) zurückgeführt. Der auf der Seite der Membrantrenneinheiten (2i) und (22) erzeugte Teil des Permeatstroms des ersten Permeatsammelrohrs wird über die Abführleitung (15) abgeführt.
Der jeweilige Retentatpermeatstrom jeder Membrantrenneinheit (2) wird im Gleichstrom am Permeatgasauslass (31 b) entnommen, welcher nahe dem Retentatgasauslass (30) angeordnet ist. Diese Retentatpermeatströme werden einem zweiten Permeatsammelrohr zugeführt, welches mit einer zusätzlichen Permeatgasableitung (15R) verbunden ist. Dabei werden alle Retentatpermeate der einzelnen Membrantrenneinheiten (2) im zweiten Permeatsammelrohr zusammengeführt und mittels der zusätzlichen Permeatgasableitung (15R) an eine stromaufwärts der Komprimierungseinheit P, bevorzugt eines Kompressors P angeordnete Verbindungsstelle zu Gasleitung (36) zurückgeführt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltungsform gemäß Abbildung 15 ist besonders vorteilhaft zur Anhebung der Methanausbeute und damit zur Reduzierung des Methanschlupfs.
Die vorliegende Erfindung umfasst - wie zuvor bereits angedeutet - ein Verfahren zur simultanen Aufreinigung von zwei oder mehr Gasströmen, welche sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt.
Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte: i) Bereitstellung eines ersten Feedgasstroms enthaltend CO2, ii) Bereitstellen eines zweiten Feedgasstroms enthaltend H2 und CH , der sich in seiner Zusammensetzung vom ersten Feedgasstrom, unterscheidet, bevorzugt mittels eines Methanisierungsreaktors (34), besonders bevorzugt durch Methanisierung eines Teilstroms des aus der CO2 Gasquelle stammenden Rohgasstroms mit aus der Wasserstoffquelle stammendem Wasserstoff. iii) Zuführen des ersten und des zweiten Feedgasstroms zu einer Membrantrennstufe, wobei
• die Membrantrennstufe einen Membrantrennblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1) aufweist, und der Membrantrennblock (1) bzw. die Membrantrennblöcke (1) jeweils mehrere parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2) umfasst/umfassen,
• die Membrantrennstufe eine Gasverteilung aufweist welche Verbindungsleitungen (18), die jeweils die Gaseinlässe (3) zweier benachbarter Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1), bevorzugt direkt und unmittelbar, miteinander verbinden und/oder Verteilleitungen (4), die mehrere Abzweigungen (5) enthalten, die jeweils mittels separater Zuführleitungen (6) mit den Gaseinlässen (3) der einzelnen Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) verbunden sind, umfasst, wobei eine oder mehrere Abzweigung(en) (5) zusätzlich auch noch eine Anschlussmöglichkeit für eine Feedgasleitung aufweisen können, so dass mittels der Abzweigung(en) (5) gleichzeitig eine Feedgasleitung und eine Zuführleitung (6) an die Verteilleitung (4) angeschlossen sein können,
• die Membrantrennstufe sofern sie mehrere Membranblöcke (1) umfasst, Rohrleitungen, bevorzugt Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b) umfasst, die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbinden, und wobei der erste und der zweite Feedgasstrom unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, jeweils einer Verteilleitung (4) oder einer Verbindungsleitung (18) oder einer Abzweigung (5), oder, sofern vorhanden, einer Rohrleitung bzw. Rohrleitungen die die Membranblöcke (1) einer Membranseparationsstufe miteinander verbindet/verbinden, bevorzugt einer Rohrleitung bzw. Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b), oder einem Gaseinlass (3) zugeführt werden, wobei die Anschlussstellen des ersten und zweiten Feedgasstroms derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr als zweie Abzweigung(en) (5) und/oder zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen angeordnet sind, iv) Zuführen des ersten und des zweiten Feedgasstroms mittels der Gasverteilung zu den Gaseinlässen (3) der Membrantrenneinheiten (2) der Membrantrennstufe, v) Auftrennen der durch die Gaseinlässe (3) den Membrantrenneinheiten (2) zugeführten Gasgemische in den Membrantrenneinheiten (2) mittels Gasseparationsmembranen, in jeweils einen Retentatgasstrom, welcher bevorzugt im Vergleich zum zweiten Feedgasstrom mit CH angereichert und/oder mit H2 abgereichert ist, und einen Permeatgasstrom, welcher bevorzugt im Vergleich zum ersten Feedgasstrom mit CO2 angereichert und/oder H2 enthält.
Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung zudem die Schritte: vi) Zusammenführen, bevorzugt aller, Retentatströme der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) zu einem oder mehreren Retentatgasstrom bzw. -strömen, und/oder vii) Zusammenführen, bevorzugt aller, Permeatströme der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) zu einem oder mehreren Permeatgasstrom bzw. -strömen.
Das Zusammenführen der Permeat- und/oder Retentatströme kann, wie weiter oben beschrieben, bevorzugt mittels Permeat- und/oder Retentatsammelleitungen oder über Retentat- und/oder Permeatverbindungsleitungen zwischen den entsprechenden Gasauslässen der Membrantrenneinheiten erfolgen.
Weitere bevorzugte Verfahrensschritte ergeben sich aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Anlage und des Verfahrens, sowie den Beispielen und den Ansprüchen.
Dier erfindungsgemäße Anlage und das Verfahren können insbesondere in Methanisierungsprozessen eingesetzt werden, in denen eine simultanen Auftrennung von Methanisierungsentnahmeströmen und Teilströmen verknüpfter CO2 Quellen wie Biogas mittels Gasseparationsmembranen notwendig ist. Insbesondere auch in Methanisierungsprozessen, in denen die aufzutrennenden Gasströme in ihren jeweiligen Volumenströmen und Zusammensetzungen Schwankungen z.B. aufgrund unterschiedlicher Zufuhrmengen an Wasserstoff und damit Lastzuständen im Methanisierungsschritt unterliegen können. Dies trifft insbesondre auf Methanisierungsverfahren zu in denen regenerativer Wasserstoff gewonnen durch Windkraft oder Fotovoltaik verwendet werden, da diese häufig nur in stark schwankenden Mengen verfügbar sind.
Messmethoden Bestimmung der Reingasselektivität
Die Bestimmung der Reingasselektivität erfolgt durch das feedseitige bzw. druckseitige beaufschlagen der Membran im Membranmodul mit mind, technisch reinem Gas. Die Messung erfolgt bei der Betriebstemperatur der Membrantrennstufe in der die Membran eingesetzt wird und einem feedseitigen Druck von 7 bara. Permeatseitige Druck wird am Permeatausgang gemessen und sollte um nicht mehr als 300 mbar über einer Standardatmosphäre liegen. Der volumetrische Permeatfluss wird gemessen und im stationären Zustand aufgezeichnet.
Die Reingaselektivtät SelA/B einer schneller permeierenden Komponente A und einer relativ zu Komponente A langsamer permeierenden Komponente B errechnet sich im Anschluss aus den Verhältnis der auf die jeweilige Druckdifferenz pfeed — pBpermeat bezogenen Normvolumenpermeatflüsse l und VB- Die Berechnung zeigt Formel (F1).
Figure imgf000050_0001
Sind in den Messungen alle Drücke identisch gilt die einfache Formel (F2)
■5^/» = 57 <F2>
Beispiele 1 und 2 zeigen, dass die beiden Gasseparationen sehr viel effektiver in einer erfindungsgemäßen Anlage statt in zwei getrennten Gasseparationsanlagen durchgeführt werden können.
Beispiele
„Für die Erstellung der Beispiele wurden Prozesssimulationsrechnungen in Aspen Custom Modeller (ACM), gemäß dem Modell von Scholz et al., „Modeling Gas Permeation by Linking Nonideal Effects“, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52, 1079- 1088 durchgeführt. Für die Simulation genutzte Modelltiefe aus Scholz et al. ist wie folgt:
• Idealer Gegenstrom von Retentat und Permeat
• Konstante Permeanzen und damit konstante Separationskapazitäten (temperaturunabhängig)
• Berücksichtigung von Druckverlust
• Berücksichtigung der Energiebilanz
• Berücksichtigung des Joule-Thomson Effekts • Realgasverhalten nach Soave-Redlich-Kwong
• Vernachlässigung von Konzentrationspolarisation und weiteren nicht idealen Effekten
Die genutzte Modulgeometrie ist wie folgt. Der Außendurchmesser der Membranhohlfaser beträgt 415 pm und die Wandstärke der Membranhohlfasern beträgt 74 pm. Die Faserlänge beträgt 1 m und der Moduldurchmesser beträgt 0,16 m. In den Beispielen entspricht eine Membrantrenneinheit einem Membranmodul in der Simulation. Die Faseranzahl beträgt 76700. Der Wärmetransferkoeffizient der Faser beträgt 4 W/(m2 K). In den Beispielen entspricht eine Membrantrenneinheit einem Membranmodul in der Simulation.“
Beispielreihe 1 (Beispiel 1.1 bis 1.9):
In Beispielreihe 1 wird ein Trennsystem entsprechend Abbildung 1 eingesetzt. Der erste Feedgasstrom in der ersten Feedgasleitung (7) besteht aus 50 vol-% Kohlenstoffdioxid (CO2) und 50 vol-% Methan (CHU). Der zweite Feedgasstrom in der zweiten Feedgasleitung (8) besteht aus 10 vol-% Wasserstoff (H2) und 90 vol-% CHU. Die beiden Feedgasströme werden einer Membrantrennstufe, bestehend aus einem Membranblock (1) mit 10 Membrantrenneinheiten (MTE) (2i - 2io), wie in Abbildung 1 gezeigt, zugeführt. Die Permeate und Retentate der jeweiligen MTEs werden über Permeatgasleitungen (10i
- 1 Oio) einem Permeatsammelrohr (14) und über Retentatgasleitungen (9i - 9io) einem Retentatsammelrohr (11) zugeführt. Die einzelnen MTE sind jeweils identisch ausgeführt und enthalten Polyimidhohlfasermembranen welche im Gegenstrom betrieben werden. Die beiden Feedgasströme werden bei einer identischen Feedgastemperatur von 25°C mittels der Feedgasleitung (7) und (8) einer Verteilleitung (4) an deren gegenüberliegenden Enden zugeführt und von dort über die Zuführleitungen (61 - 610) den jeweiligen MTEs (2i
- 2io) zugeführt. Der Druck der Retentatgasströme wird mittels Ventile in den Retentatgasableitungen (12) und (13) auf einem identischen Druck von 10,00 bara gehalten. Für den Druck der Feedgasströme in den Zuführleitungen (7) oder (8) ergeben sich druckverlustbedingt über Variation der Volumenströme leicht unterschiedliche Werte von 10,08 bis 10,1 bara. Zusammensetzungen, Temperaturen, Volumenströme (Flüsse) sowie Drücke der beiden Feedgasströme sind Tabellen 1 a und 1 b zu entnehmen. Der Druck der Permeatgasströme wird mittels Ventilen in den Permeatgasableitungen (15) und (16) auf 1 ,01 bara eingestellt. Unter den genannten Bedingungen weisen die jeweiligen MTEs eine Separationskapazität von 53000 GPU*m2 für Wasserstoff (H2), 26700 GPU*m2 für CO2 und 530 GPU*m2 für CPU auf. Dementsprechend sind die Selektivitäten, also das Verhältnis der Permeanzen der in den MTE genutzten Membran für H2/CH4 100 und für CO2/ CH4 50,4.
In diesem Beispiel ist die Summe der Volumenströme beider Feedgasströme immer 1000
Nm3/h. In der Beispielreihe der Beispiele 1 .1 bis 1 .9 werden jedoch die einzelnen Volumenströme jeweils derart verändert, dass der Volumenstrom des ersten Feedstroms von Beispiel zu Beispiel zunimmt und der Volumenstrom des zweiten Feedstroms von Beispiel zu Beispiel in gleichem Maße abnimmt.
In Beispielreihe 1 strömen die unterschiedlichen Feedgasströme jeweils unvermischt in die MTEs und auch die Retentatgas- und die Permeatgasströme werden ohne Vermischung abgezogen. Dies wird durch entsprechende Molche in der Verteilleitung (4) bzw. dem Permeatsammelrohr (14) und dem Retentatsammelrohr (11) sichergestellt. Der Druckverlust über die Verteilleitung (4) und Abzweigungen (5) beträgt im vorliegenden Beispiel nur wenige mbar womit sich das Feedgas mengenmäßig nahezu ideal auf die MTEs aufteilt.
In Beispiel 1.1 wird auf Grund des geringen Volumenstroms des ersten Feedgasstroms dieser nur der MTE (2i) über Zuführleitung (61) zugeführt, das Retentatgas der MTE (2i) aus Retentatgasleitung (9i) ausschließlich über Retentgasableitung (12) abgezogen und das Permeatgas der MTE (2i) aus Permeatgasleitung (10i) ausschließlich über die Permeatgasableitung (15) abgezogen. Entsprechend wird der zweite Feedgasstrom den restlichen MTEs (22 bis 2io) über die Zuführleitungen (62 bis 610) zugeführt, das Retentatgas der Retentatgasleitungen (92 bis 9io) ausschließlich über die Retentatgasableitung (13) abgeführt und das Permeatgas der Permeatgasleitungen (I O2 bis 1 Oio) ausschließlich über die Permeatgasableitung (16) abgezogen. Als Trennergebnis ergeben sich in allen vier Gasableitungen (Retentatgasableitung (12) und (13) sowie, Permeatgasableitungen (15) und (16)) jeweils die ideal erreichbaren Reinheiten und Ausbeuten, bei denen das Produkt aus Reinheit und Ausbeute für die jeweils gegebenen Feedbedingungen maximal ist.
Zusammensetzungen, Temperatur, Volumenstrom (Fluss), Drücke und Ausbeuten der in den jeweiligen Beispielen 1.1 bis 1.9 erhaltenen zwei Permeatströme (15) und (16) und zwei Retentatströme (12) und (13) sind Tabelle 2a und 2d zu entnehmen.
Tabelle 1a:
Figure imgf000053_0001
Tabelle 1b:
Figure imgf000053_0002
Tabelle 2a:
Figure imgf000053_0003
Tabelle 2b:
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Tabelle 2c:
Figure imgf000054_0002
Tabelle 2d:
Figure imgf000054_0003
Beispielreihe 2 (Beispiele 2.1 bis 2.8)
Beispielreihe 2 entspricht Beispielreihe 1 , mit dem Unterschied, dass die Feedgasströme nun doppelt so hoch sind und sich entsprechend andere Reinheiten und Ausbeuten ergeben. Als Trennergebnis ergeben sich in allen vier Gasableitungen (Retentatgasableitung (12) und (13) sowie, Permeatgasableitungen (15) und (16)) jeweils die ideal erreichbaren Reinheiten und Ausbeuten, bei denen das Produkt aus Reinheit und Ausbeute für die jeweils gegebenen Feedbedingungen maximal ist.
Zusammensetzungen, Temperatur, Volumenstrom (Fluss), Drücke und Ausbeuten der in den jeweiligen Beispielen 2.1 bis 2.9 erhaltenen zwei Permeatströme (15) und (16) und zwei Retentatströme (12) und (13) sind Tabelle 4a und 4d zu entnehmen.
Vergleicht man Beispielreihe 1 und Beispielreihe 2 so sieht man, dass mit Erhöhung der Feedmenge die Ausbeute an Methan in beiden Retentatsrömen erhöhen lässt. Die Methanreinheit nimmt entsprechend ab. Durch Verknüpfung mit weiteren Trennstufen lassen sich die Ausbeuten und/oder Reinheiten der Zielkomponenten in den verschiedenen Stufen je nach Bedarf weiter erhöhen. Eine Erweiterung um Stufen mit mehreren Feedeingängen wie die Abbildungen 10 und 11 A bzw. 11 B beispielhaft zeigen, lassen sich sehr effizient die Ausbeuten und/oder Reinheiten der Zielkomponenten erhöhen.
Tabelle 3a
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Tabelle 3b
Figure imgf000056_0001
Tabelle 4a:
Figure imgf000056_0002
Tabelle 4b:
Figure imgf000056_0003
Tabelle 4c:
Figure imgf000057_0001
Tabelle 4d:
Figure imgf000057_0002
Vergleichsbeispiel 1 :
Als nicht erfindungsgemäßes Beispiel wird ein System betrachtet bei dem der erste und der zweite Feedgasstrom der Beispielreihe 2 getrennt voneinander jeweils einer separaten Membrantrennstufe 1 bzw. 2 zugeführt werden.
Da die Volumenströme der jeweiligen Feedgasströme wie in den Beispielreihe 2 schwanken können, muss die Anzahl der parallel verschalteten MTEs jeder der Membrantrennstufen 1 und 2 auf den maximalen Volumenstrom ausgelegt werden. Das bedeutet, dass gegenüber den 10 MTEs in den erfindungsgemäßen Beispielen 1 und 2 hier nun zweimal 10 MTEs, also doppelt so viele MTEs, benötigt werden. Da die Volumenströme der beiden Feedgasströme jedoch variieren werden nicht zu jedem Betriebszeitpunkt alle MTEs der jeweiligen Membrantrennstufe 1 bzw. 2 voll ausgelastet. Das Ergebnis der Trennung unter diesen Bedingungen, d.h. betrieb der MTEs in Teillast wird in den Tabellen 6a bis d gezeigt. Zusammensetzungen, Temperaturen, Volumenströme (Flüsse) und Drücke der beiden Feedgasströme sind Tabellen 5a und 5b zu entnehmen. Tabelle 5a:
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Tabelle 5b:
Figure imgf000058_0002
Tabelle 6a:
Figure imgf000058_0003
Tabelle 6b:
Figure imgf000059_0001
Tabelle 6c:
Figure imgf000059_0002
Tabelle 6d:
Figure imgf000059_0003
Die Ergebnisse der Tabellen 6a bis 6d zeigen, dass sich bei einem - durch die Variationen der Feedströme verursachten - Betrieb der MTEs im Teillastbereich, trotz doppelter Anzahl an eingesetzten MTEs im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Beispielreihe 2, jeweils kein zufriedenstellendes Trennergebnis erreichen lässt. Im Teillastbereich brechen die Ausbeuten von CHU im Retentat ein und die Reinheiten von CO2 bzw. H2 im Permeat nehmen stark ab.
Man könnte nun in der im Vergleichsbeispiel verwendeten Apparatur, z.B. durch Installation zusätzlicher Ventile zum Absperren einzelner MTE, dafür Sorge tragen, dass die nicht abgesperrten MTEs immer im Volllastbereich betrieben werden. Das würde den durch die Verdopplung der MTE Anzahl verursachten apparativen Aufwand jedoch noch deutlich erweitern und einen zusätzlichen regelungstechnischen Aufwand bedingen.
Vergleich der Trenneffizienzen der Beispielreihe 2 mit Verqleichsbeispiel 1
Im Abbildung 12 sind die Ergebnisse der Beispielreihe 2 und des Vergleichsbeispiels 1 zum Vergleich aufgetragen. Aufgetragen ist das Produkt aus Ausbeute und Reinheit von Methan im Retentat (Retentatgasleitung (12)) bezogen auf den max. erreichbaren Wert über der Feedgasmenge in Nm3/h. Das erfindungsgemäße Beispiel 2 ergibt stets das max. erreichbare Produkt aus CP Reinheit und CPU Ausbeute und damit einen relativen Wert von 100%. Im Vergleichsbeispiel 1 wird der max. Wert lediglich bei Volllast von 2000 Nm3/h erreicht und fällt dann rasch ab.
Beispiel 3
In Beispiel 3 wird das vorteilhafte Zusammenwirken von Methanisierungsreaktor (34) und erfindungsgemäßem Membranblock (1) in Simulationsrechnungen einer Anlage gemäß Abbildung 14 gezeigt. Vereinfacht werden keine Druckverluste in den Leitungen, Reaktor und dem Membranblock berücksichtigt. Die Druckverlustbedingungen im Membranblock (1) sind in den Beispielreihen 1 und 2 bereits dargestellt. Zudem wird bei der Reaktion entstandenes Wasser, vereinfachend angenommen, komplett vor dem Membranblock abgetrennt und eine Temperatur in den Feedgasströmen zum Membranblock von 25°C eingestellt. Es werden die gleichen Membranen bzw. Membrantrenneinheiten wie in den Beispielen 1 und 2 verwendet.
In allen drei nachfolgend betrachteten Lastzuständen wird ein zweiter Feedgasstrom im Reaktoraustrittsrohr des Methanisierungsreaktors (34), welches gleichzeitig die zweite Feedgasleitung (8) darstellt, mit folgender Zusammensetzung erhalten: 12% H2, 5% CO2 und 83% CH4. Der Volumenstrom in der zweiten Feedgasleitung (8) ist entsprechend des Lastzustandes variabel. Der Druck in der zweite Feedgasleitung (8) beträgt 17 bar. Die Lastzustände sind über die dem Methanisierungsreaktor (34) über die Wasserstoffleitung (35) zugeführte Menge an reinem H2 vorgegeben. Ein Biogasstrom in Rohgasleitung (36) von 10228 Nm3/h liegt mit folgender Zusammensetzung vor: 55% CHU und 45% CO2. Eine Kompressoreinheit (P) komprimiert den Biogasstrom und den zurückgeführten Permeatstrom des zweiten Feedstroms aus Rückführleitung (39) auf 17 bara. Der CO2 reiche Permeatstrom des ersten Feedstroms wird in diesem Beispiel über Abführleitung (15) abgeführt. Insbesondere im Falle eines erhöhten Bedarfs an CO2, z.B. bei gedrosselter Biogasmenge oder weiter erhöhter Wasserstoffzufuhr durch Wasserstoffleitung (35) kann es sinnvoll sein Teile des Permeatstroms des ersten Feedgasstroms oder auch den gesamten Permeatstroms des ersten Feedgasstroms über Rückführleitung (39) oder alternativ mittels einer zusätzlichen Rückführleitung (39A) zurückzuführen. Die Retentatströme fallen als gemeinsamer Produktgasstrom in Retentatableitung (12) an.
Ziel ist es trotz der unterschiedlichen Lastzustände einen Produktgasstrom (12) mit mehr als 95% CH4 zu erhalten.
Der erfindungsgemäße Membranblock enthält 27 parallele Membrantrenneinheiten (2i bis 227) welche wie in den Beispielreihen 1 & 2 ausgeführt sind. Der Druck in allen Permeatströmen beträgt 1 ,3 bara.
Es werden drei Lastzustände des Methanisierungsreaktors (34) betrachtet. Im Lastzustand (i) „gering“ wird dem Methanisierungsreaktor (34) nur ein sehr geringer Wasserstoffstrom von 1761 Nm3/h über Wasserstoffleitung (35) zugeführt. Hingegen beträgt der Wasserstoffstrom über Wasserstoffleitung (35) im Lastzustand (ii) „mittel“ bereits 8896 Nm3/h und im Lastzustand (iii) „hoch“ bereits 16176 Nm3/h. Die Gasmenge in der Teilstromleitung (37) ergibt sich aus der Stöchiometrie der Reaktion und dem CO2 Gehalt sowie der vorgegebenen Austrittskonzentration an Wasserstoff im zweiten Feedgasstrom in der zweiten Feedgasleitung (8).
Tabelle 7, Teil 1:
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Tabelle 7, Teil 2:
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Tabelle 7 fasst die Ergebnisse für die drei stark unterschiedlichen Lastzustände zusammen. Der im Beispiel 3 einstufig ausgeführte Membranblock erzielt über den betrachteten Lastbereich die notwendigen Reinheiten von mehr als 95 vol% CPU im Produktgasstrom in der Retentatableitung (12) bei Methanausbeuten von über 91 % im Produktgasstrom, bezogen auf das über die beiden Feedgaströme in den Feedgasleitungen (7) und (8) zugeführte Methan.
Es ist zudem sehr gut ersichtlich wie die um bis zu einem Faktor 9,2 schwankende Menge an zugeführten Wasserstoff im Zusammenspiel mit dem Methanisierungsreaktor (34) zu gegenläufig schwankenden Feedströmen in den Feedgasleitungen (7) und (8) führt.
Die sich ergebene Aufteilung der MTE bzgl. der beiden Feedgasströme ist in Tabelle 7 als Kontaktpunkt zwischen den jeweils zwei benachbarten MTE angegeben. Im Lastfall (i) werden die 24 MTEs 2i bis 224 mit Gas aus Feedgasleitung (7) beaufschlagt und die 3 MTEs 225 bis 227 sind entsprechend mit Gas aus der Feedgasleitung (8) beaufschlagt. Im Lastfall (iii) drehen sich die Verhältnisse um. Mit Gas aus Feedgasleitung (7) werden nur noch 3 MTE 2i bis 2 a beaufschlagt und mit Gas aus der Feedgasleitung (8) werden dafür die 24 MTEs 2 bis 227 beaufschlagt. Demnach sind im Beispiel 3 die 21 MTEs 24 bis 224 in Nutzung durch die beiden unterschiedlichen Feedgasströme. Ohne die erfindungsgemäße Verschaltung müssten zur Erfüllung derselben Trennaufgabe 21 zusätzliche bzw. 78% mehr MTEs installiert werden, was erheblich höhere Investitionskosten aber auch einen deutlich erhöhten Platzbedarf bedeuten würde.
Bezuqszeichenliste:
(1) Erfindungsgemäßer Membranblock
(2) Membrantrenneinheit; die jeweiligen, parallel verschalteten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks werden von (2i) bis (2n) indiziert, wobei der Index n der fortlaufenden Nummer und die Zahl n der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten entspricht
(3) Gaseinlass einer Membrantrenneinheit; die jeweiligen Gaseinlässe der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks werden von (3i) bis (3n) indiziert, wobei der Index n fortlaufenden Nummer und die Zahl n der der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten entspricht. Sollte eine Membrantrenneinheit mehrere Gaseinlässe pro Membrantrenneinheit aufweisen, so werde diese mit a, b etc. bezeichnet, z.B. (3a) und (3b).
(4) Verteilleitung, liegen in einer Membrantrennstufe mehrere Membranblöcke und somit mehrere Verteilleitungen vor, so werden diese von (4i) bis (40) indiziert, wobei o der fortlaufenden Nummer und die Zahl o der Anzahl der in einer Membrantrennstufe enthaltenen Verteilleitungen entspricht
(5) Abzweigung
(6) Zuführleitung zu einem Gaseinlass einer Membrantrenneinheit; die jeweiligen Zuführleitungen der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks werden von (61) bis (6n) indiziert, wobei der Index n der fortlaufenden Nummer und die Zahl n der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten entspricht
(7) erste Feedgasleitung
(8) zweite Feedgasleitung
(9) Retentatgasleitung einer Membrantrenneinheit; die jeweiligen
Retentatgasleitungen der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks werden von (9i) bis (9n) indiziert, wobei der Index n fortlaufenden Nummer und die Zahl n der der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten entspricht
(10) Permeatgasleitung einer Membrantrenneinheit; die jeweiligen Permeatgasleitungen der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks werden von (10i) bis (10n) indiziert, wobei der Index n der fortlaufenden Nummer und die Zahl n der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten entspricht
(11) Retentatgassammelrohr
(12) Erste Retentatgasableitung
(13) Zweite Retentatgasableitung
(14) Permeatgassammelrohr
(15) Erste Permeatgasableitung
(15R) Zusätzliche Permeatgasableitung für Retentatpermeate
(16) Zweite Permeatgasableitung
(18) Verbindungsleitungen
(19a) Gasleitung
(19b) Gasleitung
(20a) Gasleitung
(20b) Gasleitung
(21) dritte Feedgasleitung
(22) erste Permeatgasleitung der Retentattrennstufe B) (23) zweite Permeatgasleitung der Retentattrennstufe B)
(24) erste Retentatgasleitung der Retentattrennstufe B)
(25) zweite Retentatgasleitung der Retentattrennstufe B)
(26) erste Permeatgasleitung der Permeattrennstufe C)
(27) zweite Permeatgasleitung der Permeattrennstufe C)
(28) erste Retentatgasleitung der Permeattrennstufe C)
(29) zweite Retentatgasleitung der Permeattrennstufe C)
(30) Retentatgasauslass einer Membrantrenneinheit; die jeweiligen Retentatgasauslässe der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks werden von (30i) bis (30n) indiziert, wobei der Index n fortlaufenden Nummer und die Zahl n der der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten entspricht. Sollte eine Membrantrenneinheit mehrere Retentatgasauslässe pro Membrantrenneinheit aufweisen, so werde diese mit a, b etc. bezeichnet, z.B. (30a) und (30b).
(31) Permeatgasauslass einer Membrantrenneinheit; die jeweiligen Permeatgasauslässe der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks werden von (311) bis (31 n) indiziert, wobei der Index n fortlaufenden Nummer und die Zahl n der der Anzahl der parallel verschalteten Membrantrenneinheiten entspricht. Sollte eine Membrantrenneinheit mehrere Retentatgasauslässe pro Membrantrenneinheit aufweisen, so werde diese mit a, b etc. bezeichnet, z.B. (31a) und (31 b).
(32) Retentatverbindungsleitung zwischen zwei Retentatgasauslässen zweier nebeneinander angeordneten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks
(33) Permeatverbindungsleitung zwischen zwei Permeatgasauslässen zweier nebeneinander angeordneten Membrantrenneinheiten eines Membranblocks
(34) Methanisierungsreaktor
(35) Wasserstoffleitung einer Wasserstoffquelle
(36) Rohgasleitung der Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom
(37) Teilstromleitung von der ersten Feedgasleitung (7) zum Methanisierungsreaktor (34)
(38) Erste Feedstromleitung stromaufwärts der Abzweigung der Teilstromleitung (37)
(39) Rückführleitung
(39A) optionale zusätzliche Rückführleitung)
(P) Komprimierungseinheit; wenn mehrere vorhanden sind, werden diese als
P1 , P2 ... bezeichnet

Claims

Ansprüche
1 . Anlage zur Auftrennung von Gasgemischen, enthaltend a. eine erste Feedgasleitung (7), die geeignet bzw. derart ausgestaltet ist, einen ersten Feedgasstrom enthaltend CO2 zu transportieren, und eine zweite Feedgasleitung (8), die geeignet bzw. derart ausgestaltet ist, einen zweiten, in der Zusammensetzung vom ersten Feedgasstrom unterschiedlichen, Feedgasstrom, enthaltend CH und H2 und/oder CO2 zu transportieren, b. eine Membrantrennstufe, umfassend einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1), wobei der Membranblock (1) / die Membranblöcke (1) jeweils mehrere, parallel verschaltete, Membrantrenneinheiten (2) umfasst / umfassen, und wobei o jede Membrantrenneinheit (2) jeweils einen Gaseinlass (3) oder mehrere Gaseinlässe (3) und Gasseparationsmembranen aufweist und das durch den Gaseinlass (3) oder die Gaseinlässe (3) zugeführte Gasgemisch mittels der Gasseparationsmembranen in einen Retentatgasstrom oder mehrere Retentatströme und einen Permeatgasstrom oder mehrere Permeatgasströme auftrennt, und o jede Membrantrenneinheit (2) jeweils einen Retentatgasauslass (30) oder mehrere Retentatgasauslässe (30) für den Retentatgasstrom bzw. die Retentatströme, welche(r) jeweils bevorzugt an eine Retentatgasleitung (9) angeschlossen oder mittels einer oder mehreren Retentatverbindungsleitung(en) (32) mit einem oder zwei RetentatgasauslassZ-auslässen (30) der benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2) des gleichen Membranblocks (1) verbunden ist, und einen Permeatgasauslass (31) oder mehrere Permeatgasauslässe (31) für den Permeatgasstrom bzw. die Permeatgasströme, der/die jeweils bevorzugt an eine Permeatgasleitung (10) angeschlossen oder mittels einer oder mehreren Permeatverbindungsleitung(en) (33) mit einem oder zwei Permeatgasauslass/- auslässen (31) der benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2) des gleichen Membranblocks (1) verbunden ist, und c. eine Gasverteilung, die derart ausgestaltet ist, dass
• sie Verbindungsleitungen (18), die jeweils die Gaseinlässe (3) zweier benachbarter Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) miteinander verbinden, umfasst und/oder eine oder mehrere Verteilleitung(en) (4), die jeweils mehrere Abzweigungen (5) enthält/enthalten, die jeweils mittels Zuführleitungen (6) mit den Gaseinlässen (3) der einzelnen Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) verbunden sind, umfasst, wobei eine oder mehrere Abzweigung(en) (5) zusätzlich auch noch eine Anschlussmöglichkeit für eine Feedgasleitung aufweisen können, so dass mittels der Abzweigung(en) (5) jeweils gleichzeitig eine Feedgasleitung und eine Zuführleitung (6) an die jeweilige Verteilleitung (4) angeschlossen sein können,
• sie, sofern die Membrantrennstufe mehrere Membranblöcke (1) umfasst, Rohrleitungen, bevorzugt Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b), umfasst, die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbinden,
• die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, jeweils an eine Verteilleitung (4) oder eine Verbindungsleitung (18) oder eine Abzweigung (5), oder, sofern vorhanden, an eine Rohrleitung die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbindet, bevorzugt eine Rohrleitung (19a, 19b, 20a oder 20b), oder an einen Gaseinlass (3) angeschlossen sind, wobei die Anschlussstellen derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr als zwei Abzweigungen (5) und/oder zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Methanisierungsreaktor (34), eine Wasserstoffquelle mit einer Wasserstoffleitung (35) und eine Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom mit einer Rohgasleitung (36) enthält und dass das stromaufwärts liegenden Ende der ersten Feedgasleitung (7) mit der Rohgasleitung (36) der Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom, das stromaufwärts liegenden Ende der zweiten Feedgasleitung (8) mit dem Produktgasaulass des methanangereicherten Produktgasstroms des Methanisierungsreaktors (34) oder mit einer entsprechenden Produktgasausgangsleitung des Methanisierungsreaktors (34), und der Wasserstoffgaseinlass des Methanisierungsreaktors (34) mit der Wasserstoffquelle mittels einer Wasserstoffleitung (35) verbunden sind.
2. Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der CO2-Gaseinlass des Methanisierungsreaktors (34) direkt mit der Rohgasleitung (36) der CO2 Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom oder mit der ersten Feedgasleitung (7) durch eine Teilstromleitung (37) verbunden ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zusätzlich eine oder mehrere Komprimierungseinheit(en) P umfasst, bevorzugt ist/sind die Komprimierungseinheit(en) P stromaufwärts der Feedgasleitung (7), besonders bevorzugt stromaufwärts der Abzweigungsstelle der Teilstromleitung (37) von der Feedgasleitung (7)angeordnet, oder in der Feedgasleitung (7) stromabwärts der Abzweigungsstelle der Teilstromleitung (37) von der Feedgasleitung (7), bevorzugt ist in diesem Fall eine weitere Komprimierungseinheit P in Teilstromleitung (37) und/oder in der Wasserstoffleitung (35) angeordnet.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere Rückführleitung (en) umfasst, die geeignet ist/sind einen oder mehrere Permeatströme einer oder mehrerer Membrantrennstufe(n) und/oder einen oder mehrere Retentatströme einer oder mehrerer Membrantrennstufe(n) zur Rohgasleitung (36) der Gasquelle für einen CO2 enthaltenden
Gasstrom und/oder zur ersten Feedgasleitung (7), bevorzugt stromaufwärts der
Abzweigungsstelle der Teilstromleitung (37), und/oder zum Methanisierungsreaktor (34) und/oder zur Wasserstoffleitung (35) und/oder zur Druckerhöhungseinerichtung P und/oder zur zweiten Feedgasleitung (8), zurückzuführen.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussstellen der stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) am Membranblock (1) derart angeordnet sind, dass der erste Feedgasstrom und der zweite Feedgasstrom innerhalb eines Membranblocks (1) oder mehrerer Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe, bevorzugt in einer oder mehreren Verteilleitung(en) (4) und / oder in einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18), oder innerhalb der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbindet/verbinden, bevorzugt der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b), aufeinander zufließen.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrantrennstufe einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1) enthält, der bzw. die jeweils eine Verteilleitung (4) mit mehreren Abzweigungen (5) und Zuführleitungen (6) umfasst, wobei jeweils eine Zuführleitung (6) eine Abzweigung (5) mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) verbinden, und diestromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), getrennt voneinander und unabhängig voneinander, mit der /den Verteilleitung(en) (4) und/oder Abzweigungen (5), besonders bevorzugt mit den jeweils gegenüberliegenden Enden der Verteilleitung(en) (4), verbunden sind.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrantrennstufe einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1) enthält, der bzw. die jeweils mehrere Verbindungsleitungen (18), welche jeweils einen Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) mit dem/den Gaseinlass/Gaseinlässen (3) der im Membranblock (1) benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2), verbindet, umfasst, und die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) sowie der zweiten Feedgasleitung (8), getrennt voneinander und unabhängig voneinander, jeweils mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) oder mehreren Gaseinlässen (3) von Membrantrenneinheiten (2) und/oder mit einer Verbindungsleitung (18) oder mehreren Verbindungsleitungen (18) verbunden sind.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine, zwei oder drei Feedgasleitung(en) drei (21), vier und fünf umfasst, welche geeignet sind, einen, zwei oder drei zusätzliche, vom ersten und zweiten Feedgasstrom in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche, Gasströme zu transportieren, und die stromabwärts liegenden Enden der zusätzliche(n) Feedgasleitung(en) drei (21), vier und fünf so mit der Gasverteilung verbunden sind, dass Gasstrom drei (21) oder die Gasströme drei (21) und vier oder die Gasströme drei (21), vier und fünf mittels der Gasverteilung den Membrantrenneinheiten zugeführt werden können.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärts liegenden Enden der Feedgasleitung(en) drei (21) oder drei (21) und vier oder drei (21), vier und fünf unabhängig voneinander jeweils
• an eine oder mehrere Verteilleitung(en) (4), bevorzugt zwischen den Anschlüssen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeschlossen sind und/oder • an eine oder mehrere Verbindungsleitung(en) (18), bevorzugt zwischen den Anschlüssen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), angeschlossen sind und/oder
• an einen Gaseinlass (3) oder mehrere Gaseinlässen (3) angeschlossen sind, wobei sich der Gaseinlass (3) bzw. die diese Gaseinlässe (3) besonders bevorzugt von den Gaseinlässen (3) unterscheiden, an denen die erste Feedgasleitung (7) bzw. die zweiten Feedgasleitung (8) angeschlossen sind, und/oder
• an einen Gaseinlass (3) oder mehrere Gaseinlässe (3) und eine Verbindungsleitung (18) oder mehrere Verbindungsleitungen (18) angeschlossen sind, wobei sich diese Gaseinlässe (3) bevorzugt von den Gaseinlässen (3) unterscheiden, an denen die erste Feedgasleitung (7) bzw. die zweiten Feedgasleitung (8) angeschlossen ist.
10. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrantrennstufe mehrere Membranblöcke (1) umfasst, die zu einer Ringschaltung kombiniert sind, wobei bevorzugt jeder Membranblock (1) mit zwei Feedgasleitungen verbunden ist.
11 . Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrantrennstufe mehrere Membranblöcke (1) umfasst, welche parallel verschaltet sind.
12. Anlage nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilung pro Membranblock (1) eine Verteilleitung (4) mit mehreren Abzweigungen (5) und Zuführleitungen (6) umfasst, wobei jeweils eine Zuführleitung (6) eine Abzweigung (5) mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) verbindet, und die Verteilleitungen (4) der jeweiligen Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe mittels Rohrleitungen (19a, 19b) miteinander verbunden sind, und die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, an eine Verteilleitung (4) oder eine Abzweigung (5), oder an eine Rohrleitung (19a, 19b) angeschlossen sind, wobei die Anschlussstellen derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr als zwei Abzweigungen (5) und/oder zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeordnet sind.
13. Anlage nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilung im jeweiligen Membranblock (1) Verbindungsleitungen (18) umfasst, welche jeweils den Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) mit dem Gaseinlass (3) oder den Gaseinlässen (3) der im Membranblock (1) benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2), verbinden, und die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe mittels Rohrleitungen (20a, 20b) miteinander verbunden sind, wobei die Rohrleitungen (20a, 20b) im jeweiligen Membranblock (1) jeweils mit einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18) und/oder einem oder mehreren GaseinlassZ-einlässen (3) verbunden sind, bevorzugt ist die Rohrleitung (20a) im jeweiligen Membranblock (1) mit einer Verbindungsleitung (18) oder einem Gaseinlass (3) und die Rohrleitung (20b) im jeweiligen Membranblock mit einer davon verschiedenen Verbindungsleitung (18) oder einem davon verschiedenen Gaseinlass (3) verbunden, und die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) sowie der zweiten Feedgasleitung (8), unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, an eine oder mehrere Verbindungsleitung(en) (18) oder an eine oder mehrere Rohrleitung(en) (20a, 20b), oder an einen oder mehrere GaseinlassZ-einlässe (3) angeschlossen sind, wobei die Anschlussstellen derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) angeordnet sind.
14. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer oder mehreren Verteilleitung(en) (4) und/oder einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18) und/oder einer oder mehreren Rohrleitung(en) (19a, 19b, 20a, 20b), an potentiellen Kontaktstellen der in der Leitung aufeinandertreffenden Feedgasströme, konstruktive Maßnahmen zur Regelung und/oder weitgehenden Unterbindung der Durchmischung der Feedgasströme getroffen werden, bevorzugt ausgewählt aus der Liste bestehend aus Reduzierung der Leitungsquerschnitte, Verlängerung der Leitungsabschnitte, Einbringen von statischen Mischern, Einsatz von Molchen in den Gasleitungen und Kombinationen davon.
15. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Retentatgasleitungen (9), bevorzugt alle Retentatgasleitungen (9), der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe einem Retentatgassammelrohr (11) zugeführt werden, wobei das Retentatgassammelrohr (11) mit mindestens einer ersten Retentatgasableitung (12), bevorzugt mindestens zwei Retentatgasableitungen (12) und (13), verbunden ist und/oder die Permeatgasleitungen (10), bevorzugt alle Permeatgasleitungen (10), der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe einem Permeatgassammelrohr (14) zugeführt werden, wobei das Permeatgassammelrohr mit mindestens einer ersten Permeatgasableitung (15), bevorzugt mindestens zwei Permeatgasableitungen (15) und (16), verbunden ist.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie Retentatverbindungsleitungen (32) zwischen den Retentatgasauslässen (30) der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe umfasst, wobei mindestens eine Retentatverbindungsleitung (32) oder mindestens ein Retentatgasaulass (30) zudem mit mindestens einer Retentatgasableitung (12) verbunden ist, bevorzugt sind in einem Membranblock (1) der Membrantrennstufe eine oder mehrere Retentatverbindungsleitung(en) (32) und/oder ein oder mehrere Retentatgasaulass/Retentatgasauslässe (30) unabhängig voneinander mit jeweils einer Retentatgasableitung (12) oder (13) verbunden, und/oder sie Permeatverbindungsleitungen (33) zwischen den Permeatgasauslässen (31) der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe umfasst, wobei mindestens eine Permeatverbindungsleitung (33) oder mindestens ein Permeatgasaulass (31) zudem mit mindestens einer Permeatgasableitung (15) verbunden ist, bevorzugt sind in einem Membranblock (1) der Membrantrennstufe eine oder mehrere Permeatverbindungsleitung(en) (33) und/oder ein oder mehrere Permeatgasaulass/Permeatgasauslässe (31) unabhängig voneinander mit jeweils einer Retentatgasableitung (15) oder (16) verbunden.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Feedstromtrennstufe A und eine Retentattrennstuf B gemäß Anspruch 1 umfasst, wobei die stromabwärts liegenden Enden der der erste Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) mit der Gasverteilung der ersten Membrantrennstufe A wie in einem der Ansprüche 1 bis 14 beschrieben, verbunden sind, und die Feedstromtrennstufe A derart ausgestaltet ist, dass zwei voneinander verschiedene Retentatströme in einer ersten Retentatgasableitung (12) und einer zweiten Retentatgasableitung (13) und /oder zwei voneinander verschiedene Permeatströme in einer ersten Permeatgasableitung (15) und einer zweiten Permeatgasableitung (16) oder ein gemeinsamer Permeatstrom in einer ersten Permeatgasableitung (15) erhalten werden, und die erste Retentatgasableitung (12) und die zweite Retentatgasableitung (13) mit der Gasverteilung der Retentattrennstufe B wie in einem der Ansprüche 1 bis 14 beschrieben, verbunden sind.
18. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Feedstromtrennstufe A, eine Retenttrennstufe B und eine Permeattrennstuf C gemäß Anspruch 1 umfasst, wobei die stromabwärts liegenden Enden der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8) mit der Gasverteilung der Feedstromtrennstufe A wie in einem der Ansprüche 1 bis 14 beschrieben, verbunden sind, und die Feedstromtrennstufe A derart ausgestaltet ist, dass zwei voneinander verschiedene Retentatströme in einer ersten Retentatgasableitung (12) und einer zweiten Retentatgasableitung (13) und /oder zwei voneinander verschiedene Permeatströme in einer ersten Permeatgasableitung (15) und einer zweiten Permeatgasableitung (16) erhalten werden, und die erste Retentatgasableitung (12) und die zweite Retentatgasableitung (13) mit der Gasverteilung der Retentattrennstufe B wie in einem der Ansprüche 1 bis 14 beschrieben, verbunden sind, und die ersten Permeatgasableitung (15) und die zweite Permeatgasableitung (16) mit der Gasverteilung der Permeattrennstufe C wie in einem der Ansprüche 1 bis 14 beschrieben, verbunden sind.
19. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Methanisierungsreaktor (34) Reaktoren mit biologischen oder chemisch katalysierten Verfahren, und/oder als Wasserstoffquellen eine Wasserstoffelektrolyse, bevorzugt betrieben mit Strom der aus erneuerbaren Quellen gewonnen wurde, und/oder als CO2, Quelle biogenen CO2 Quellen, bevorzugt Biogas oder fossile und industrielle CO2 Quellen verwendet werden.
20. Verfahren zur simultanen Aufreinigung von zwei oder mehr Gasströmen, welche sich in ihrer Zusammensetzung jeweils unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrennung der Gase in einer Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 durchgeführt wird.
21 . Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst i) Bereitstellung eines ersten Feedgasstroms enthaltend CO2, ii) Bereitstellen eines zweiten Feedgasstroms enthaltend CH sowie H2 und/oder CO2, der sich in seiner Zusammensetzung vom ersten Feedgasstrom, unterscheidet, iii) Zuführen des ersten und des zweiten Feedgasstroms zu einer Membrantrennstufe, wobei
• die Membrantrennstufe einen Membrantrennblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1) aufweist, und der Membrantrennblock (1) bzw. die Membrantrennblöcke (1) jeweils mehrere parallel verschaltete Membrantrenneinheiten (2) umfasst/umfassen, und wobei
• die Membrantrennstufe eine Gasverteilung aufweist welche Verbindungsleitungen (18), die jeweils die Gaseinlässe (3) zweier benachbarter Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) miteinander verbinden und/oder Verteilleitungen (4), die mehrere Abzweigungen (5) enthalten, die jeweils mittels separater Zuführleitungen (6) mit den Gaseinlässen (3) der einzelnen Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) verbunden sind, umfasst, wobei eine oder mehrere Abzweigung(en) (5) zusätzlich auch noch eine Anschlussmöglichkeit für eine Feedgasleitung aufweisen können, so dass mittels der Abzweigung(en) (5) gleichzeitig eine Feedgasleitung und eine Zuführleitung (6) an die Verteilleitung (4) angeschlossen sein können, und wobei
• die Membrantrennstufe sofern sie mehrere Membranblöcke (1) umfasst, Rohrleitungen, bevorzugt Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b) umfasst, die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbinden, und wobei der erste und der zweite Feedgasstrom unabhängig voneinander, an räumlich voneinander getrennten Stellen, jeweils einer Verteilleitung (4) oder einer Verbindungsleitung (18) oder einer Abzweigung (5), oder, sofern vorhanden, einer Rohrleitung die die Membran blocke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbindet, bevorzugt einer Rohrleitung (19a, 19b, 20a, 20b), oder einem Gaseinlass (3) zugeführt werden, wobei die Anschlussstellen des ersten und zweiten Feedgasstroms derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr als zwei Abzweigungen (5) und/oder zwei oder mehr als zwei Gaseinlässe (3) zwischen den Anschlussstellen angeordnet sind, iv) Zuführen des ersten und des zweiten Feedgasstroms mittels der Gasverteilung zu den Gaseinlässen (3) der Membrantrenneinheiten (2) der Membrantrennstufe, v) Auftrennen der durch die Gaseinlässe (3) den Membrantrenneinheiten (2) zugeführten Gasgemische in den Membrantrenneinheiten (2) mittels Gasseparationsmembranen, in jeweils einen Retentatgasstrom, bevorzugt einen im Vergleich zum zweiten Feedgasstrom mit CH angereicherten und/oder mit H2 abgereicherten Retentatgassstrom, und einen Permeatgasstrom, bevorzugt einen im Vergleich zum ersten Feedgasstrom mit CO2 angereicherten und/oder H2 enthaltenden Permeatgasstrom.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass ein CO2-enthaltender Gasstrom, bevorzugt ein Teilstrom des ersten Feedgasstroms, sowie ein Wasserstoffgasstrom einem Methanisierungsreaktor (34) zugeführt werden, wobei im Methanisierungsreaktor (34) CO2 und H2 zu CP umgesetzt werden, und ein CP sowie H2 und/oder CO2 enthaltender Produktgasstrom erzeugt wird, der dem zweiten Feedgasstrom zugeführt wird oder dem zweiten Feedgasstrom entspricht.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des ersten Feedgasstroms sowie bevorzugt auch der Druck des dem Methanisierungsreaktor (34) zugeführten Teilstroms des ersten Feedgasstroms mittels einer Komprimierungseinheit(en) P, im Vergleich zum Druck des Gasstroms in der Rohgasleitung (36) der CO2 Gasquelle erhöht wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Permeatströme der Membrantrennstufe und/oder einen oder mehrere Retentatströme der Membrantrennstufe zur Rohgasleitung der Gasquelle für einen CO2 enthaltenden Gasstrom und/oder zum ersten Feedgasstrom, bevorzugt stromaufwärts der Abzweigung des CG2-Teilstroms, und/oder zum Methanisierungsreaktor (34) und/oder zum Wasserstoffgasstrom und/oder zur Komprimierungseinheit P und/oder zum zweiten Feedgasstrom, zurückgeführt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Feedgasstrom mittels einer Gasverteilung den Gaseinlässen (3) der Membrantrenneinheiten (2) der ersten Membrantrennstufe derart zugeführt werden, dass der erste Feedgasstrom und der zweite Feedgasstrom innerhalb eines Membranblocks (1) oder mehrerer Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe, bevorzugt in einer oder mehreren Verteilleitung(en) (4) und/oder einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18), und/oder innerhalb der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen die die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe miteinander verbindet/verbinden, bevorzugt der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen (19a, 19b, 20a, 20b), aufeinander zufließen, und/oder dass in einem Membranblock (1), bevorzugt in mehreren Membranblöcken (1), besonders bevorzugt in allen Membranblöcken (1), der Membrantrennstufe jeweils mindestens zwei verschiedenen Membrantrenneinheiten (2) Gasströme zugeführt werden, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden,
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrantrennstufe einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1) enthält, der bzw. die jeweils eine Verteilleitung (4) mit mehreren Abzweigungen (5) und Zuführleitungen (6) umfasst, wobei eine Zuführleitung (6) jeweils eine Abzweigung (5) mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) verbindet, und der erste Feedgasstrom und der zweite Feedgasstrom, getrennt und unabhängig voneinander, der/den Verteilleitung(en) (4), besonders bevorzugt den jeweils gegenüberliegenden Enden der Verteilleitung(en) (4), zugeführt werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrantrennstufe einen Membranblock (1) oder mehrere Membranblöcke (1) enthält, der bzw. die jeweils mehrere Verbindungsleitungen (18), welche jeweils den Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) mit dem/den GaseinlassZ-einlässen (3) der im Membranblock (1) benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2) verbinden, umfasst, und der erste Feedgasstrom und der zweite Feedgasstrom, getrennt voneinander und unabhängig voneinander, jeweils einem Gaseinlass einer Membrantrenneinheit (2) oder mehreren Gaseinlässen (3) von Membrantrenneinheiten (2) und/oder einer Verbindungsleitung (18) oder mehreren Verbindungsleitungen (18) zugeführt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein, zwei oder drei zusätzliche, vom ersten und zweiten Feedgasstrom in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche(r), Gasstrom/Gasströme der Gasverteilung mittels der Feedgasleitung(en) drei (21), drei (21) und vier oder drei (21), vier und fünf zugeführt werden.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass
Feedgasstrom drei oder Feedgasströme drei und vier oder Feedgasströme drei, vier und fünf jeweils
• einer oder mehreren Verteilleitung(en) (4), bevorzugt zwischen den Anschlüssen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), zugeführt werden, und/oder
• einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18), bevorzugt zwischen den Anschlüssen der ersten Feedgasleitung (7) und der zweiten Feedgasleitung (8), zugeführt werden, und/oder
• einen Gaseinlass (3) oder mehrere Gaseinlässen (3) zugeführt werden, bevorzugt in einem Membranblock (1) umfassend Verbindungsleitungen (18), wobei sich diese Gaseinlässe (3) besonders bevorzugt von den Gaseinlässen (3) unterscheiden, denen der erste Feedgasstrom bzw. der zweite Feedgasstrom zugeführt werden, und/oder
• eine Gaseinlass (3) oder mehrere Gaseinlässen (3) und einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18) zugeführt werden, wobei sich diese Gaseinlässe (3) und bevorzugt von den Gaseinlässen (3) und Verbindungsleitung(en) (18) unterscheiden, denen der erste Feedgasstrom bzw. der zweite Feedgasstrom zugeführt werden.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe zu einer Ringschaltung kombiniert werden, wobei bevorzugt jedem Membranblock (1) zwei Feedgasströme zugeführt werden.
31 . Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe parallel verschaltet werden.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilung pro Membranblock (1) eine Verteilleitung (4) mit mehreren Abzweigungen (5) und Zuführleitungen (6) umfasst, wobei eine Zuführleitung (6) jeweils eine Abzweigung (5) mit einem Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) verbindet, und die Verteilleitungen (4) der jeweiligen Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe mittels Rohrleitungen (19a, 19b) miteinander verbunden sind, und der erste Feedgasstrom und der zweite Feedgasstrom, getrennt voneinander und unabhängig voneinander, einer oder mehreren Verteilleitung(en) (4) und/oder Rohrleitung(en) (19a, 19b) zugeführt werden.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasverteilung im jeweiligen Membranblock (1) Verbindungsleitungen (18) umfasst, welche jeweils den Gaseinlass (3) einer Membrantrenneinheit (2) mit dem/den GaseinlassZ-einlässen (3) der im Membranblock (1) benachbarten Membrantrenneinheit(en) (2), verbinden, und die Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe mittels Rohrleitungen (20a, 20b) miteinander verbunden sind, wobei die Rohrleitungen (20a, 20b) im jeweiligen Membranblock mit einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18) oder GaseinlassZ- einlässen (3) verbunden sind, bevorzugt ist die Rohrleitung (20a) im jeweiligen Membranblock mit einer Verbindungsleitungen (18) oder einem Gaseinlass (3) und die Rohrleitung (20b) im jeweiligen Membranblock mit einer davon verschiedenen Verbindungsleitung (18) oder einem davon verschiedenen Gaseinlass (3) verbunden, und der erste Feedgasstrom sowie der zweite Feedgasstrom, getrennt voneinander und unabhängig voneinander, einem Gaseinlass (3) oder mehreren Gaseinlässen (3) von Membrantrenneinheiten (2) und/oder einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18) der jeweiligen Membranblöcke (1) der Membrantrennstufe und/oder Rohrleitung(en) (20a, 20b) zugeführt werden, mit der Vorgabe, dass der erste Feedgasstrom und der zweite Feedgasstrom nicht gleichzeitig den gleichen Gaseinlässen (3) bzw. Verbindungsleitungen (18) zugeführt werden oder gleichzeitig an einen oder mehrere gleiche(n) und gleichzeitig mehren nicht gleiche Gaseinlässe (3) oder Verbindungsleitungen (18) zugeführt werden.
34. Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass in einer oder mehreren Verteilleitung(en) (4) und/oder einer oder mehreren Verbindungsleitung(en) (18) und/oder einer oder mehreren Rohrleitung(en) (19a, 19b, 20a, 20b), an potentiellen Kontaktstellen der in der Leitung aufeinandertreffenden Feedgasströme, konstruktive Maßnahmen zur Regelung und/oder weitgehenden Unterbindung der Durchmischung der Feedgasströme getroffen werden, bevorzugt ausgewählt aus der Liste bestehend aus Reduzierung der Leitungsquerschnitte, Verlängerung der Leitungsabschnitte, Einbringen von statischen Mischern, Einsatz von Molchen in den Gasleitungen und Kombinationen davon.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich die Schritte umfasst vi) Zusammenführen von Retentatgasströmen der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) zu einem oder mehreren Retentatgasstrom bzw. -strömen, und/oder vii) Zusammenführen von Permeatströme der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) zu einem oder mehreren Permeatgasstrom bzw. -strömen.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Retentatströme, der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe einem Retentatgassammelrohr (11) zugeführt werden und dort entweder zu einem Retentatgasstrom gebündelt und einer Retentatgasableitung (12) zugeführt werden oder dort in mindestens zwei Retentatgasströme 1 und 2 aufgeteilt und mindestens zwei Retentatgasableitungen (12) und (13) zugeführt werden, und/oder die Permeatströme, der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe einem Permeatgassammelrohr (14) zugeführt werden und dort entweder zu einem Permeatgasstrom gebündelt und einer Permeatgasableitung (15) zugeführt werden oder dort in mindestens zwei Permeatgasströme 1 und 2 aufgeteilt und mindestens zwei Permeatgasableitungen (15) und (16) zugeführt werden.
37. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Retentatgasströme der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe mittels Retentatverbindungsleitungen (32) zwischen den Retentatgasauslässen (30) der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe zu einem Retentatgasstrom gebündelt und einer Retentatgasableitung (12) zugeführt werden oder in mindestens zwei Retentatgasströme 1 und 2 aufgeteilt und mindestens zwei Retentatgasableitungen (12) und (13) zugeführt werden und/oder die Permeatgasströme der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe mittels Permeatverbindungsleitungen (33) zwischen den Permeatgasauslässen (31) der Membrantrenneinheiten (2) eines Membranblocks (1) der Membrantrennstufe zu einem Permeatgasstrom gebündelt und einer Permeatgasableitung (15) zugeführt werden oder in mindestens zwei Permeatgasströme 1 und 2 aufgeteilt und mindestens zwei Permeatgasableitungen (15) und (16) zugeführt werden.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Anlage ausgeführt wird, die eine Feedstromtrennstufe A und eine Retentattrennstufen B gemäß Anspruch 1 umfasst, wobei der der erste, CO2 enthaltende Feedgasstrom und der zweite, CP und H2 und/oder CO2 enthaltende Feedgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, der Feedstromtrennstufe A wie in einem der Ansprüche 21 bis 37 beschrieben zugeführt werden,
Feedstromtrennstufe A den ersten Feedgasstrom und den zweiten Feedgasstrom in einen ersten Retentatgasstrom und einen zweiten Retentatgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, und /oder einen ersten Permeatgasstrom und einen zweiten Permeatgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, auftrennt, die beiden Retentatströme der Feedstromtrennstufe A der Retentattrennstufe B als zwei Feedströme, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, zugeführt werden und die Retentattrennstufe B die beiden Retentatströme der Membrantrennstufe A in einen dritten Retentatgasstrom und einen vierten Retentatgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, und /oder in einen dritten Permeatgasstrom und einen vierten Permeatgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, auftrennt.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Anlage ausgeführt wird, die eine Feedstromtrennstufe A, eine Retentattrennstufe B und eine Permeattrennstuf C gemäß Anspruch 1 umfasst, wobei der der erste, CO2 enthaltende Feedgasstrom und der zweite, CP und H2 und/oder CO2 enthaltende Feedgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, der Feedstromtrennstufe A wie in einem der Ansprüche 21 bis 37 beschrieben zugeführt werden, die Feedstromtrennstufe A den ersten Feedgasstrom und den zweiten Feedgasstrom in einen ersten Retentatgasstrom und einen zweiten Retentatgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, und in einen ersten Permeatgasstrom und einen zweiten Permeatgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, auftrennt, die beiden Retentatströme der Feedstromtrennstufe A der Retentattrennstufe B als zwei Feedströme, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, zugeführt werden, die Retentattrennstufe B die beiden Retentatgasströme der Feedstromtrennstufe A in einen dritten Retentatgasstrom und einen vierten Retentatgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, auftrennt, die beiden Permeatgasströme der Feedstromtrennstufe A der Permeattrennstufe C als zwei Feedströme, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, zugeführt werden, die Permeattrennstufe C die beiden Permeatgasströme der Feedstromtrennstufe A in einen fünften Permeatgasstrom und einen sechsten Permeatgasstrom, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, auftrennt.
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