Steuerung der GasZusammensetzung einer Gasseparationsanlage mit Membranen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Gasseparationsanlage, eine derart gesteuerte Anlage sowie deren Verwendung zur Separation von Gasgemischen, insbesondere bei der Aufbereitung von Bio- oder Erdgas.

Membranen sind bekannt dafür, dass mit ihrer Hilfe Gase relativ leicht voneinander in einem druckgetriebenen Prozess getrennt werden können. Die Gase werden dabei mit geringem Aufwand, aber meist auch mit geringer Reinheit der Produkte voneinander getrennt. Werden bei der Gasseparation einstufige Prozesse verwendet, so führt dies in der Regel zu großen Verlusten an Produktgas. Wenn bei einem Gasgemisch jedoch eine oder mehrere Komponenten möglichst rein und in hoher Ausbeute isoliert werden sollen, bedarf es eines größeren Aufwandes bei der technischen

Anordnung der Membranen und der Steuerung des Prozesses.

Dieser vermehrte Aufwand muss zum Beispiel bei der Trennung von Kohlendioxid und Methan (z.B. bei Erdgas oder Biogas) betrieben werden, wo Methan erstens als Wertstoff möglichst in das Produktgas kommen soll, um so eine maximale Wertschöpfung zu erzielen und in möglichst geringer Konzentration im Abgas vorhanden sein soll, da Methan ein klimaschädliches Gas ist und nicht in die Atmosphäre gelangen soll. Auch bei der

Auftrennung von Synthesegas in Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht eine ähnliche Aufgabenstellung. Beispiele für

mehrstufige Verschaltungen sind in der WO 2012/000727, der US 6,565,626 und der US 6,168,649 zu finden. Bei einer klassischen Trennung eines binären Gasgemisches mit einer Membran ist die treibende Kraft der Trennung eine

Partialdruckdifferenz der einzelnen Komponenten zwischen

Retentat- und Permeatseite der Membrane. Dabei kann bei einem bestimmten Druckniveau auf der Retentatseite eine bestimmte

Menge an Gasgemisch durch die Membran gefahren werden, um eine bestimmte Konzentration der langsamer permeierenden Komponente im Retentatgas zu erhalten. Ändert sich nun die

Zusammensetzung des zu trennenden Gasgemisches, so wird sich auch die Zusammensetzung des Retentatgases und des

Permeatgases ändern. Die gleiche Änderung erfährt das System, wenn sich die Menge des zu trennenden Gasgemisches (Flussrate) ändert . Im großtechnischen Betrieb von Gasseparationsanlagen sind die Produktgasausgangsleitungen häufig an Gaspipelines

angeschlossen. Dies bedingt, dass die Gasseparationsanlage das Produktgas in gleichbleibender Qualität, gleichbleibender Menge und gleichbleibendem Druck in die Pipeline einspeisen muss, auch wenn sich die Menge oder die Zusammensetzung des zu trennenden Gasgemisches ändert. Das ein zu niedriger Druck bzw. eine zu schlechte Qualität nicht akzeptabel sind ist selbstredend. Eine zu hohe Qualität ist in vielen Fällen jedoch ebenfalls nachteilig, da die Anlage mit der

ausreichenden Qualität an Produktgas oft effizienter betrieben werden kann.

Viele natürliche aber auch künstliche Gasquellen (z. B.

Biogasanlagen) liefern Rohgas mit zeitlich schwankender

Zusammensetzung und zeitlich schwankender Gasmenge.

Insbesondere bei Biogasanlagen führen Änderungen des Substrats oder Anfahr- und Abschaltprozesse zu starken Schwankungen des Feedstroms. Wie zuvor erläutert führen Schwankungen der Zusammensetzung oder Menge des zu trennenden Gasgemisches zu einer Änderung der Produktgaszusammensetzung und

Produktgasmenge nach der Gasseparation. Es bedarf daher einer Regelung der Gasseparationsanlage um diese Schwankungen ausgleichen zu können.

Normalerweise werden für solche Regelungen

Konzentrationsänderungen im Retentatgas und oder Permeatgas einer Membran als Steuergröße hergenommen und je nach Änderung der Steuergröße die Feedgasmenge oder der Druck des Retentates der Membran angepasst, dass sich die gewünschte Konzentration in Permeat und/oder Retentat wieder einstellt. Beispiele für derartige Steuerungen finden sich z. B. in der EP 1 324 815, der US 4,806,132 und der US 5,281,253.

Diese Regelungskonzepte sind jedoch unbrauchbar wenn die

Feedgasmenge und -Zusammensetzung variabel sein sollen und somit nicht zur Steuerung zur Verfügung stehen. Im Stand der Technik, z. B. der EP 1 324 815 wird auch

vorgeschlagen den Produktstrom einer Gasseparationsanlage durch einen Kompressor zu leiten, um damit Schwankungen auszugleichen und einen konstanten Druck für die

Transportleitung sicherzustellen. Dieser Prozess ist

energetisch ungünstig, regelungstechnisch aufwendig und auf Grund der hohen Kosten für die zusätzliche Kompression

kommerziell wenig interessant.

Es besteht somit nach wie vor ein großer Bedarf an Anlagen zur Auftrennung von Gasgemischen bzw. Steuerung derselben, welche an Gasquellen mit wechselnder Rohgaszusammensetzung, -drücken und -mengen angeschlossen werden können und mindestens ein, bevorzugt jedoch mindestens zwei Produkte in hoher Reinheit, mit konstanter Qualität und konstantem Produktgasdruck liefern können .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher ein Verfahren zur Steuerung einer Gasseparationsanlage (Kontrollsystem) bzw. eine derart gesteuerte Gasseparationsanlage zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile der Verfahren bzw. Anlagen des Standes der Technik nicht oder nur in verringertem Maße aufweisen .

Eine spezielle Aufgabe bestand darin, ein Verfahren bzw. eine Anlage zur Verfügung zu stellen, welche (s) mindestens ein Produkt, bevorzugt mindestens zwei Produkte gleichzeitig, in hoher bzw. konstanter Reinheit auch dann liefern kann, wenn sich die Zusammensetzung und/oder der Druck und/oder die Menge des Rohgases ändern. Diese Anlage oder dieses Verfahren soll es insbesondere auch erlauben konstante Qualitäten, d.h.

Produktgaszusammensetzungen in engen Schwankungsbreiten, bevorzugt im kontinuierlichen Betrieb, zu liefern.

Das/die erfindungsgemäße Verfahren bzw. Anlage soll in einer weiteren speziellen Aufgabe besonders flexibel sein. So soll es möglich sein, die Kapazität der Anlage zu verändern, z. B. an Änderungen des Rohgasstromes und/oder an einen gestiegenen Bedarf an Produktgas und/oder an eine geänderte Anforderung an die Reinheit des/der Produktgas anzupassen, ohne

Membranflächen zu- oder abschalten zu müssen und/oder den Hauptdruck (Druck des Retentatproduktgasstroms ) zu verändern. Besonders bevorzugt soll eine Anpassung an Änderungen des Rohgasstroms derart möglich sein, dass Produktgasströme erhalten werden, die ohne zusätzliche Rekompression als, bevorzugt kontinuierlicher, Feed für eine Gastransportleitung geeignet sind. Die erfindungsgemäße Steuerung soll vorzugsweise einfach und ggf. in bestehende Anlagen integrierbar sein.

Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem GesamtZusammenhang der vorliegenden Beschreibung, Beispiele, Ansprüche und Zeichnungen.

Gelöst werden die erfindungsgemäßen Aufgaben durch eine

Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 16 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 9.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass es durch Verwendung einer mindestens zweistufigen

Membranverschaltung und einer Regelung des Permeatdrucks der ersten Membrantrennstufe einfach und effizient möglich ist die Produktgasqualität (Retentatgas der zweiten Membrantrennstufe) zu steuern sowie die Menge des Produktgases bei Schwankungen der Rohgaszusammensetzung bzw. Menge konstant zu halten.

Das erfindungsgemäße Konzept kann auch auf

Membranverschaltungen mit mehr als zwei Membrantrennstufen angewandt werden. Dabei kann z. B. das Permeatgas der ersten Membrantrennstufe in einer weiteren Membrantrennstufe weiter aufgearbeitet werden, was auch die Reinheit des Gasstroms mit der leichter permeierenden Komponente erhöht.

In einer weiteren Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Stoffströme einzelner oder mehrerer

Membrantrennstufen die nicht als Produktströme abgezogen werden, dem Feedstrom wieder zugeführt werden. Auch damit können die Reinheiten der Produktströme und die Effizienz der Anlage gesteuert und erhöht werden. Mit der erfindungsgemäßen Steuerung (Kontrollsystem) und der erfindungsgemäßen Anlage ist es somit gelungen ein sehr flexibles und effizientes System zur Verfügung zu stellen, welches es erlaubt die Gasseparationsanlage an Gasquellen mit schwankender Zusammensetzung und schwankender Menge an Rohgas anzuschließen und dennoch eine frei einstellbare

Produktgasqualität und -menge sicherzustellen. Besonders hervorzuheben ist noch einmal, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist den Hauptdruck

(Retentatdruck der zweiten Membrantrennstufe

(Retentattrennstufe (2))) im System konstant zu halten, so dass die erfindungsgemäße Anlage ohne zusätzliche, nach der ersten Membrantrennstufe angeordneten,

Kompressionseinrichtungen an eine Gastransportleitung

angeschlossen werden kann.

Umgekehrt erlaubt es die erfindungsgemäße Anlage aber auch unter bestimmten Bedingungen, z. B. durch Erhöhung der

Kompressordrehzahl, die Kapazität zu erhöhen und mehr

Produktgas in einer vorgegebenen Qualität zu liefern.

Die erfindungsgemäße Anlage eignet sich besonders gut für die Aufbereitung von Rohgasströmen aus Biogasanlagen oder zur Aufreinigung von Synthesegas, wo sich die anfallende Menge Rohgas und die Zusammensetzung des Rohgases sehr oft ändert. Die erfindungsgemäße Steuerung gleicht die Schwankungen problemlos aus.

Die erfindungsgemäße Regelung ist einfach und kann in

bestehende Anlagen zur Gasseparation integriert werden. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird lediglich ein

Kompressor vor der 1. Membrantrennstufe benötigt. Ein weiterer Kompressor oder zusätzliche Vakuumpumpen sind in der Regel nicht nötig was die Investitionskosten und Betriebskosten der Anlage niedrig hält. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage schließen die Verwendung solcher zusätzlicher Komponenten jedoch nicht aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch dadurch flexibel, dass mehrere verschiedene Arten von Sensoren alleine oder gemeinsam verwendet werden können. Es können Zusammensetzungen von

Strömen genauso als Steuergröße verwendet werden wie Flüsse von Stoffströmen . Insbesondere bei der Verwendung von

Flusssensoren wird ein günstiges, schnelles, genaues und einfaches Verfahren zur Verfügung gestellt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 und 16 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 9.

Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen

Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail

beschrieben. Zuvor werden einige wichtige Begriffe definiert. Die nachfolgend in Klammern angegebenen Bezugszeichen

entsprechend den in den Abbildungen verwendeten Bezugszeichen,

Der Quotient der Permeanzen der Einzelgase ergibt die

Selektivität der Membran zur Trennung bezüglich der zwei Gase und gibt somit an wie gut die Membran ein Gasgemisch bezüglich der beiden Komponenten auftrennen kann. Als Permeat wird der gesamte auf der Niederdruckseite der Membran, Membranmodule oder Membrantrennschritts anfallende Strom bezeichnet. Als Permeatgas wird/werden die jeweils an der Membran, an dem Membranmodul, oder im Membrantrennschritt im Permeatstrom gegenüber den jeweiligen Eintrittsstrom angereicherten

Komponente/Komponenten bezeichnet.

Als Retentat wird der gesamte auf der Hochdruckseite der

Membran, Membranmodule oder Membrantrennschritts anfallende Strom bezeichnet, der nicht durch die Membran hindurch tritt.

Als Retentatgas wird/werden die jeweils an der Membran, an dem Membranmodul, oder im Membrantrennschritt im Retentatstrom gegenüber den jeweiligen Eintrittsstrom angereicherten

Komponente/Komponenten bezeichnet .

Rohgas bzw. Rohgasgemisch bzw. Rohgasstrom (17) bzw. zu trennendes Gasgemisch bezeichnet ein Gasgemisch aus mindestens zwei Gasen bzw. einen Strom dieses Gasgemisches, das/der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der

erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgetrennt werden soll.

Feedstrom (5) bezeichnet einen Gasstrom, der der

Feedstromtrennstufe (1) zugeführt wird. Dieser Strom kann zu Beginn der Durchführung des Verfahrens dem Rohgasstrom (17) bzw. dem durch einen Kompressor komprimierten Rohgasstrom entsprechen. Nach Rückführung des zweiten Permeatstroms (9) bzw. des dritten Retentatstroms (10) setzt sich der Feedstrom (5) aus den Gasen des Rohgasstrom (17), des zweiten

Permeatstroms (9) und des dritten Retentatstroms (10)

zusammen. Der Feedstrom (5) kann dabei erzeugt werden in dem die Ströme (9) und (10) entweder beide mit dem unkomprimierten Rohgasstrom (17) oder beide mit dem komprimierten Rohgasstrom oder einer mit dem unkomprimierten und einer mit dem komprimierten Rohgasstrom vermischt werden oder in dem die Ströme (9) und/oder (10) im Kompressor mit dem Rohgasstrom (17) vermischt werden. Kombinationen der zuvor beschriebenen Varianten sind von der vorliegenden Erfindung mit umfasst.

Feedstromtrennstufe (1) bezeichnet eine Membrantrennstufe zur Auftrennung des Feedstroms (5) in einen ersten Permeat- und einen ersten Retentatstrom (6) bzw. (7) . Retentattrennstufe (2) bezeichnet eine Membrantrennstufe die gleich oder unterschiedlich zur Feedstromtrennstufe (1) aufgebaut sein kann, zur Auftrennung des ersten Retentatstroms

(7) in einen zweiten Permeat- und einen zweiten Retentatstrom

(9) bzw. (8) .

Permeattrennstufe (3) bezeichnet eine optional vorhandene Membrantrennstufe die gleich oder unterschiedlich zur

Feedstromtrennstufe (1) bzw. Retentattrennstufe (2) aufgebaut sein kann, zur Auftrennung des ersten Permeatstroms (6) in einen dritten Permeat- und einen dritten Retentatstrom (11) bzw . (10) .

Die Begriffe „Steuerung" und „Regelung" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung synonym verwendet.

Anhand der nachfolgend beschriebenen bevorzugten und

speziellen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der bevorzugten und besonders geeigneten Ausführungen sowie der Zeichnungen und Beschreibungen der Zeichnungen wird die Erfindung lediglich exemplarisch näher erläutert, d. h. sie ist nicht auf diese Ausführungs- und Anwendungsbeispiele oder auf die jeweiligen Merkmalskombinationen innerhalb einzelner Ausführungsbeispiele beschränkt. Einzelne Merkmale, die im Zusammenhang mit konkreten Ausführungsbeispielen angegeben 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.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur

Trennung von Gasen umfassend als Membrantrennstufen zumindest die Feedstromtrennstufe (1), die Retentattrennstufe (2) und optional weitere Membrantrennstufen wie die Permeattrennstufe (3) . Weiterhin umfasst sie zumindest einen, auf der Feedseite der Feedstromtrennstufe (1) angeordneten, Kompressor (4), und optional zumindest eine, bevorzugt eine oder zwei,

Vakuumpumpe (n) , die derart angeordnet sind, dass sie eine Partialdruckdifferenz zwischen der Retentat- und Permeatseite der Membran erzeugen. Dabei trennt die Feedstromtrennstufe (1) einen Feedstrom (5) , bestehend aus mindestens zwei

Komponenten, in einen ersten Permeatstrom (6), der verworfen oder als zweiter Produktstrom entnommen oder weiterverarbeitet wird, und einen ersten Retentatstrom (7) auf und die

Retentattrennstufe (2) den ersten Retentatstrom (7) in einen zweiten Permeatstrom (9), welcher bevorzugt dem Feedstrom (5) zugeführt wird, und einen zweiten Retentatstrom (8), der als Produkt entnommen wird, auf. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Permeatsteuereinrichtung (18a) und/oder (18b) umfasst mit der der Permeatdruck der

Feedstromtrennstufe (1) erhöht oder erniedrigt werden kann und welche anhand von Messwerten eines oder mehrerer

Messeinrichtungen (19a) im ersten Feedstrom (5) und/oder eines oder mehrerer Messeinrichtungen (19b) im zweiten Retentatstrom (8) gesteuert wird. Die Messeinrichtungen (19a) und (19b) sind bevorzugt verschieden.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine weitere Membrantrennstufe, welche den ersten Permeatstrom (6) weiter aufarbeitet. In dieser Ausführungsform ist daher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Vorrichtung wie zuvor beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zumindest eine zusätzliche Permeattrennstufe (3) umfasst, welche den ersten Permeatstrom (6), in einen dritten

Retentatstrom (10), welcher bevorzugt dem Feedstrom (5) zugeführt wird, und einen dritten Permeatstrom (11), der verworfen, oder als Produkt entnommen oder weiterverarbeitet wird, aufteilt.

In dieser ersten bevorzugten Ausführungsform kann der

Permeatdruck der Feedstromtrennstufe (1) durch eine oder zwei Permeatsteuereinrichtung (en) (18a) und/oder (18b) gesteuert werden. Die Permeatsteuereinrichtung (18a) ist im ersten

Permeatstrom (6) und die Permeatsteuereinrichtung (18b) im dritten Retentatstrom (10) angeordnet. Die Steuereinrichtungen (18a) und/oder (18b), werden wie gesagt anhand von Messwerten eines oder mehrerer Messeinrichtungen (19a) und/oder (19b) gesteuert .

Wie bereits erwähnt ist es besonders bevorzugt, wenn der zweite Permeatstrom (9) und/oder der dritte Retentatstrom (10) dem Feedstrom (5) zugeführt werden. Dadurch können besonders hohe Produktreinheiten und Ausbeuten erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße

Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass es/sie derart ausgestaltet ist, dass auch bei schwankenden Zusammensetzungen und/oder Mengen oder Drücken des Rohgasstromes (17), durch die erfindungsgemäße Steuerung eine nahezu gleich bleibende

Ausbeute und Qualität der beiden Produktgasströme (8) und bevorzugt auch (11) gewährleistet werden kann.

Unter „Steuereinrichtung (en) " (18a) bzw. (18b) sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Geräte, Bauteile, Anlagen oder Teile von Anlagen zu verstehen, die eine Erhöhung oder

Absenkung des Permeatdrucks der Feedstromtrennstufe (1) ermöglichen. Eine nicht abschließende Liste von möglichen Steuereinrichtungen umfasst: Druckminder- oder

Druckerhöhungsventile, Gasentspannungseinrichtungen,

Vakuumpumpen. Besonders bevorzugt handelt es sich um Ventile.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung ermittelt die Messeinrichtung (19b) die

Konzentration der schlechter permeierenden Komponenten im

Produktstrom (8) bzw. einen dazu korrespondierenden Parameter. Die Ermittlung der Konzentration mit der Messeinrichtung (19b) kann online oder off-line erfolgen, je nach verwendeter Messeinrichtung. Bevorzugt erfolgt eine online Messung, weil damit die Regelung schneller erfolgen kann. Geeignete

Messeinrichtungen sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt handelt es sich jedoch um Gasmessgeräte, die die Zusammensetzung der Gasströme für eine oder mehrere Komponenten messen können, insbesondere Inlinemessgeräte, die direkt im Gasstrom messen (z.B. mittels Infrarotabsorption oder Schallgeschwindigkeit, Dichte, Coriolis) und externe Messgeräte nach den gleichen Messprinzipien, die eine Probe aus dem Strom entnehmen und entweder kontinuierlich oder nicht kontinuierlich (batchmäßig) vermessen. Diese haben den Vorteil, dass die Zusammensetzung sehr schnell ermittelt werden kann und als Eingangsgröße in der Regelung sofort zur Verfügung steht. Kommt es zu einer Schwankung in der Zusammensetzung des

Rohgases oder zu einer Veränderung der Menge oder des Drucks des Rohgasstroms (17) und/oder des Feedstroms (5), so ändern sich ohne Gegensteuerung auch die Eigenschaften, z. B. die Zusammensetzungen, des Produktstroms (8) . Durch die

Messeinrichtungen (19b) werden entsprechende Veränderungen registriert und eine Gegensteuerung mit Hilfe der

Steuereinrichtungen (18a) bzw. (18b) eingeleitet, so dass die erfindungsgemäße Anlage derart geregelt werden kann, dass die Eigenschaften, insbesondere die Zusammensetzungen, des

Produktgasstroms (8) wieder in einem vorgegebenen

Bereich/Korridor liegen. Mittels der erfindungsgemäßen

Steuerung kann somit eine Veränderung der Zusammensetzung des Produktstroms (8) effektiv und effizient mit einer Anpassung des Permeatdrucks der Feedstromtrennstufe (1) kompensiert werden kann.

Ob der Permeatdruck der Feedstromtrennstufe (1) als Reaktion auf Veränderung der Zusammensetzung des Produktstroms (8) erhöht oder verringert werden muss kann je nach zu trennendem Gasgemisch, verwendeter Membran und Membranverschaltung vom Betriebsdruck der Anlage abhängen. Dies wird weiter unten in Beispiel 1 gezeigt. Mit einer Simulation wie in Beispiel 1 gezeigt kann jedoch einfach ermittelt werden wie im konkreten Anwendungsfall gegengesteuert werden muss.

In Verfahrensalternativen wie in Abbildung 3 gezeigt muss auch die Menge der Rückströme beachtet werden. Zu große Rückströme können die Effizienz der Anlage mindern. In Beispiel 1 wird gezeigt wie die Menge der Rückströme dazu führen kann, dass entweder mit einer Erhöhung oder Verringerung des Drucks im ersten Permeatstrom (6) gegengesteuert werden muss. Die vorliegende Erfindung umfasst somit folgende alternative Verfahren : i. Die Konzentration einer schwerer permeierenden

Komponente B, direkt mittels (19b) ermittelt oder ggf. auch ermittelt durch einen dazu korrelierenden

Parameter, des zweiten Retentatstroms (8) fällt unter einen vorgegebenen Sollwert, der Druck des ersten Permeatstroms (6) wird dann mittels der

Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) erhöht oder erniedrigt, bis besagte Parameter, insbesondere die gewünschte Konzentration, wieder im Sollbereich liegt, ii. Die Konzentration einer schwerer permeierenden

Komponente B, direkt mittels (19b) ermittelt oder ggf. auch ermittelt durch einen dazu korrelierenden

Parameter, des zweiten Retentatstroms (8) steigt über einen vorgegebenen Sollwert, der Druck des ersten Permeatstroms (6) wird daher mittels der

Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) erhöht oder erniedrigt, bis besagter Parameter, insbesondere die gewünschte Konzentration, wieder im Sollbereich liegt

Der Begriff „dazu korrelierender Parameter" wird nachfolgend für o.g. Verfahrensalternativen i. und ii. erläutert, gilt aber analog für die ganze Beschreibung der Erfindung. Die Messung eines „korrelierenden Parameters" bedeutet, dass die Zielgröße - oben die Konzentration einer schwerer

permeierenden Komponente im zweiten Retentatstrom (8) - nicht direkt, sondern indirekt gemessen wird, indem ein anderer

Parameter gemessen und dann eine Korrelation zum Zielparameter hergestellt wird. Für den obigen Fall bedeutet dies, dass wenn die Konzentration der schwerer permeierenden Komponente B im zweiten Retentatstrom (8), sprich die Zusammensetzung des zweiten Retentatstroms (8), nicht unmittelbar gemessen werden soll, stattdessen ein anderer Parameter gemessen werden kann, sofern zwischen beiden eine Korrelation existiert. Diese Korrelation kann z.B. durch vorherige Kalibrierung der Anlage, bestimmt werden. Als korrelierender Parameter zur

Konzentration einer schwerer permeierenden Komponente B des zweiten Retentatstroms (8) könnte beispielsweise die

Konzentration der schwerer permeierenden Komponente im zweiten Permeatstrom (9) gemessen und entsprechend zur Steuerung verwendet werden. In einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung die Messeinrichtung (19a) . Diese ermittelt Parameter des

Feedstroms (5) und/oder des Rohgasstroms (17) wie z. B. den Volumenstrom oder dessen Zusammensetzung. In dieser

Ausführungsform werden also nicht die Eigenschaften des

Produktstroms (8) analysiert, sondern Eigenschaften des

Gasstroms, welcher der ersten Membrantrennstufe zugeführt wird . Kommt es zu einer Schwankung in der Zusammensetzung oder zu einer Veränderung der Menge oder des Drucks des Rohgasstromes (17) oder des Feedstroms (5), so wird dies durch die

Messeinrichtung (19a) registriert und mittels der

Steuereinrichtung (en) (18a) bzw. (18b) erfolgt eine Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In dieser Ausführungsform ist es alleine durch Messung der Volumenströme mittels der Messeinrichtung (19a) möglich, auch ohne aufwändigere Messung von Gaszusammensetzungen im

Produktstrom (8), eine schnelle Steuerung der Anlage zu gewährleisten. Vorzugsweise erfolgt zunächst eine Kalibrierung der Anlage, wobei die Zielgröße, d.h. die Zusammensetzung oder der Druck oder der Volumenstrom, besonders bevorzugt die

Zusammmenset zung, ganz besonders bevorzugt die Konzentration einer schwerer permeierenden Komponente, des zweiten

Retentatstroms (8) mit den Messwerten aus dem Rohgas- und/oder Feedstroms (17) bzw. (5) korreliert werden, so dass alleine durch die Messung der Eigenschaften des Rohgas- und/oder

Feedstroms (17) bzw. (5) die Anlage gesteuert werden kann.

Bevorzugt werden als Messeinrichtung (19a) Durchflussmesser (Masse oder Volumen) verwendet. Es können aber auch

Messeinrichtungen zur Bestimmung der Zusammensetzung des Feedstroms (5) und/oder des Rohgasstroms analog denen weiter vorne für die Messeinrichtung (19b) beschriebenen verwendet werden. Die Bestimmung der Parameter mittels der

Messeinrichtung (19a) kann online oder off-line erfolgen.

Bevorzugt erfolgt eine online Messung. Geeignete

Messeinrichtungen sind dem Fachmann bekannt.

Bevorzugte Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind daher Verfahren, bei denen die Steuerung der erfindungsgemäßen Anlage nach einer oder mehreren der folgenden Alternativen erfolgt : iii. der Volumenstrom des Feedstroms (5) und/oder des

Rohgasstroms (17), direkt ermittelt durch (19a) oder ggf. auch ermittelt durch einen dazu korrelierenden Parameter, steigt über einen vorgegebenen Sollwert, der Druck des ersten Permeatstroms (6) wird daher mittels der Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) soweit erhöht oder erniedrigt bis der notwendige Druck erreicht ist und somit die Zielgröße des zweiten

Retentatstroms (8), wieder im Sollbereich liegt, iv. der Volumenstrom des Feedstroms (5) und/oder des

Rohgasstroms (17), direkt ermittelt durch (19a) oder ggf- auch ermittelt durch einen dazu korrelierenden

Parameter, sinkt unter einen vorgegebenen Sollwert, der Druck des ersten Permeatstroms (6) wird daher mittels der Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) soweit erniedrigt oder erhöht, bis die Zielgröße des zweiten Retentatstroms (8), wieder im Sollbereich liegt,

v. die Konzentration einer schwerer permeierenden

Komponente B des Feedstroms (5) und/oder des Rohgasstroms (17), direkt ermittelt durch (19a) oder ggf- auch ermittelt durch einen dazu korrelierenden

Parameter, steigt, der Druck des ersten Permeatstroms (6) wird daher mittels der Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) erniedrigt oder erhöht, bis die Zielgröße des zweiten Retentatstroms (8), wieder im Sollbereich liegt,

vi. die Konzentration einer schwerer permeierenden

Komponente B des Feedstroms (5) und/oder des Rohgasstroms (17), direkt ermittelt durch (19a) oder ggf. auch ermittelt durch einen dazu korrelierenden Parameter, sinkt, der Druck des ersten Permeatstroms (6) wird daher mittels der Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) erhöht oder erniedrigt, bis die Zielgröße des zweiten Retentatstroms (8), bevorzugt die Zusammensetzung des zweiten Retentatstroms (8), wieder im Sollbereich liegt.

Die o.g. Verfahrensalternativen (i) bis (vi) umfassen

bevorzugt einen vorgeschalteten Verfahrensschritt, z. B. wie in Beispiel 1 gezeigt, in dem ermittelt wird, ob auf die entsprechende Veränderung der Zusammensetzung des

Produktstroms (8) mit einer Erhöhung oder Erniedrigung des Drucks des ersten Permeatstroms (6) reagiert werden muss.

Alternativ kann dies auch iterativ bei der Durchführung des Verfahrens erfolgen.

Unter Messeinrichtung (19a) oder (19b) werden einzelne

Messgeräte, Apparaturen etc. aber auch Kombinationen oder Zusammenschaltungen mehrerer Geräte, Apparaturen etc.

verstanden .

Die Messeinrichtungen (19a) und (19b) können untereinander in den verschiedenen Verfahrensalternativen flexibel kombiniert werden. So kann z.B. eine Messeinrichtung (19a) zusammen mit einer Messeinrichtung (19b) verwendet werden um die

Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) zu regeln. In diesem Fall hätte man ein Backup Messsystem, welches ermöglicht die Messsysteme gegenseitig zu kontrollieren und abzusichern.

Somit kann z. B. festgestellt werden, wenn eine

Messeinrichtung kaputt ist. Entsprechende Ausgestaltungsformen der vorliegenden Erfindung sind für einen Fachmann anhand der Beschreibung und den Beispielen der vorliegenden Erfindung leicht auffindbar und von der Erfindung mit erfasst.

Je nach verwendeter Mess- und/oder Steuereinrichtung sowie deren Anzahl kann es vorteilhaft sein zwischen die Mess- und die Steuereinrichtung mindestens eine

Datenverarbeitungseinrichtung (in den Abbildungen nicht gezeigt) , bevorzugt mindestens einen Computer,

zwischenzuschalten. Dadurch kann die erfindungsgemäße

Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren leicht zentral geregelt und die verschiedenen Messwerte bzw.

Regelungsschritte protokolliert und koordiniert werden.

Entsprechende technische Lösungen sind auf dem Markt

erhältlich bzw. dem Fachmann bekannt und vom Umfang der vorliegenden Erfindung mit umfasst. Besonders bevorzugt wird zumindest ein PID-Controller (PID = Proportional-Integral- Derivative) zwischengeschaltet. Dieser Controller bestimmt die Fehlerabweichungen zwischen Ist- und Sollwerten, versucht diese zu minimieren, und regelt so die Steuereinrichtungen (18a) bzw. (18b) .

Grundsätzlich kann es sich bei den zuvor erwähnten

Datenverarbeitungseinrichtungen um unterschiedliche

Einrichtungen handeln, d.h. es können im erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Datenverarbeitungseinrichtungen verwendet. Diese Datenverarbeitungseinrichtungen können optional

miteinander vernetzt werden. Bevorzugt wird jedoch nur eine zentrale Datenverarbeitungseinrichtung verwendet mit der zentral alle Mess- und Steuerungsschritte überwacht und geregelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße

Vorrichtung bieten den großen Vorteil einer höchst variablen Anlagenkapazität, d.h. der Möglichkeit die Anlagenleistung variabel steuern und an den Bedarf an Produktgas anpassen zu können. Dies kann wie ebenfalls bereits erwähnt ohne Zu- bzw. Abschaltung von Membranflächen erfolgen. Bevorzugt wird die Anlagenleistung der erfindungsgemäßen Anlage durch eine

Änderung des Fördervolumens des Kompressors (4) erhöht oder erniedrigt und einer dadurch verursachten Änderung der

Konzentration der schwerer permeierenden Komponente B im zweiten Retentatstrom (8) gemäß den Verfahrensalternativen (i) bzw. (ii) und/oder einer dadurch verursachten Änderung des

Flusses des Feedstroms (5) gemäß Verfahrensalternative (iii) bzw. (iv) entgegengewirkt.

Die zuvor beschriebenen Verfahren (i) bis (vi) können

miteinander kombiniert bzw. Mischformen angewendet werden.

Zur Regelung der Kompressorleistung umfasst die

erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt eine

Kontrolleinrichtung (in den Abbildungen nicht gezeigt) , welche die Leistung des Kompressors (4), bevorzugt dessen Drehzahl und damit dessen Fördervolumen, regelt. Ein Beispiel hierfür wäre ein Frequenzumformer.

Mittels der Kontrolleinrichtung wird bevorzugt die Leistung des Kompressors (4) an die zu trennende Menge Rohgas (z.B. die Produktion von Biogas im Fermenter) oder an die Menge zu produzierende Menge Produktgas (z.B. Methanstrom im

Retentatstrom (8)) angepasst. Die Änderung der

Produktionsmenge an Rohgas (z.B. Rohbiogas aus einer

Biogasanlage) kann zum Beispiel an einer Füllstandsanzeige eines Rohgaszwischenspeichers oder am Druck des Rohgases in einem Fermenter abgelesen werden. Steigt der Füllstand oder der Druck im Fermenter, so kann die Trennkapazität der Membrantrennanlage durch Erhöhung der Drehzahl des Verdichters erhöht werden. Somit kann der Druck im Fermenter oder der Füllstand im Zwischenspeicher konstant gehalten oder gesenkt werden. Sinkt im Gegensatz dazu der Füllstand im

Zwischenspeicher oder der Druck im Fermenter so kann durch

Reduktion der Drehzahl des Kompressors die Trennkapazität der Membrantrennanlage verringert werden und somit der Füllstand im Zwischenspeicher oder der Druck im Fermenter konstant gehalten oder verringert werden. Bei Veränderung des

Feedvolumenstromes (5) , die sich durch eine Änderung der

Drehzahl des Kompressors ergibt, würde sich Änderung der

Zusammensetzung des Retentatstromes (8) ergeben. Ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass diese Veränderung durch in dieser Erfindung weiter oben

beschriebenen Regelmechanismen verhindert werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Steuerung ist es möglich, die Trennkapazität der Vorrichtung und die Zusammensetzung des Produktgasstroms (8) unabhängig von einander zu steuern. Man kann daher die Kapazität der Vorrichtung in einem bestimmten Rahmen unter Zuhilfenahme der Steuereinrichtungen (18a) und (18b) mit Hilfe der Kontrolleinrichtung des Kompressors verändern, ohne dass sich die Produktgasqualitäten im Strom (8) ändert, ohne dass der Retentatdruck in den Trennstufen (1) und (2) angepasst werden müsste und ohne dass Membranflächen zu- oder

weggeschaltet werden müssten.

Diese Flexibilität der Kapazität kann auf einen bestimmten Bereich der Kompressordrehzahl und damit Rohgasfördervolumen beschränkt sein, welche vom Design der Anlage bestimmt wird, insbesondere hinsichtlich Druck in den Trennstufen,

Flächenverhältnissen der Membranen in den einzelnen

Trennstufen (1), (2) und optional (3) und vor allem

hinsichtlich der Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) und deren Bandbreite bei der Einstellung des Druckes. Wenn beispielsweise der minimale mögliche Druck im Permeatstrom (6) 0,3 bara beträgt, so ist dies der limitierende Parameter für den Feedgasvolumenstrom (5) . Eine weitere Erhöhung des

Feedgasvolumenstromes (5) würde bedeuten, dass die

Konzentration der langsameren Komponente B im Retentatstrom (8) unter den Sollwert sinken würde und somit der gewünschte Betriebspunkt der Anlage nicht mehr eingehalten werden könnte. Das gleiche gilt für den Fall, dass der Druck im Permeat (6) nicht mehr weiter erhöht werden könnte als zum Beispiel

Umgebungsdruck. Dieser Druck limitiert nun die Absenkung des Feedvolumenstromes (5) , da bei weiterer Absenkung des

Feedvolumenstromes (5) der Gehalt an schwerer permeierender Komponente B im Retentat (8) über den Sollwert steigen würde.

Unter „Kontrolleinrichtung" wird hierbei die Steuereinheit des Kompressors verstanden, welche die Leistung des Kompressors, bevorzugt dessen Drehzahl regelt. Diese Kontrolleinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass sie Messdaten von Sensoren im Rohgasstrom (17) und/oder in vorgelagerten Speichern oder Produktionseinrichtungen verarbeitet. Beispielsweise kann das Signal der Messeinrichtung dann einen Frequenzumformer eines Verdichters steuern. Entsprechende Kompressoren und Kontroll ^¬ bzw. Steuereinrichtungen sind am Markt erhältlich und dem Fachmann bekannt. Entsprechende Messeinrichtungen in den jeweiligen Strömen, anhand deren Messwerte die Kontrolleinheit gesteuert wird, sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.

Mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform, d.h. der Regelung und Anpassung der Kompressorleistung, kann sichergestellt werden, dass die Trennkapazität der Membrantrennanlage den Bedürfnissen der Produktion des Rohgases und/oder notwendigen Mengen an Produktgas (8) angepasst wird. Schwankungen in der Gaszusammensetzung des Stroms (8), die sich aus der unterschiedlich verarbeitenden Menge an Rohgas (17) und dessen Zusammensetzung ergeben, werden von der Steuereinrichtung (18a) und/oder (18b) ausgeglichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, siehe beispielhaft

Abbildungen 1 bis 3, beinhaltet wie zuvor gesagt eine

Verkettung von zumindest zwei, bevorzugt jedoch zumindest drei, Membrantrennstufen. Jede Stufe besteht aus einem oder mehreren physikalischen Gasseparationsmodulen, die innerhalb einer Stufe parallel und/oder seriell verschaltet sind. Als Triebkraft für die Gasauftrennung in den Modulen wird eine Partialdruckdifferenz zwischen der Retentat- und der

Permeatseite in den jeweiligen Membrantrennstufen erzeugt. Die Partialdruckdifferenz wird mittels eines Kompressors (4), welcher auf der Feedseite der Feedstromtrennstufe (1)

angeordnet ist, und gegebenenfalls mittels zumindest einer, bevorzugt einer oder zwei Vakuumpumpe (n) (in Abbildungen 1 bis 3 nicht dargestellt) bevorzugt auf der Permeatseite,

insbesondere der Retentattrennstufe (2) im zweiten

Permeatstrom (9) und/oder der Permeattrennstufe (3) in dritten Permeatstrom (11), erzeugt. Ggf. kann es vorteilhaft sein in einer oder mehrerer der Membrantrennstufen die

Partialdruckdifferenz durch einen permeatseitigen Spülgasstrom zu erzeugen bzw. zu verstärken.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der vorliegenden

Erfindung bringt ein Kompressor (4) das Rohgasgemisch bzw. das Gasgemisch aus dem Rohgasstrom (17) und dem zweiten

Permeatstrom (9) und/oder dem dritten Retentatstrom (10), auf den gewünschten Druck im Bereich von 5 bis 100 bar,

vorzugsweise jedoch auf einen Druck von 9 bis 75 bar. Sollte der Rohgasstrom (17) schon den benötigten Druck aufweisen, so kann der Verdichter (4) ganz entfallen oder der Verdichter (4) muss nur mehr den zweiten Permeatstrom (9) und/oder dem dritten Retentatstrom (10) - sofern diese zum Feedstrom (5) zurückgeführt werden - auf den gewünschten Druck im Bereich von 5 bis 100 bar, vorzugsweise jedoch auf einen Druck von 9 bis 75 bar bringen. Der erhaltene Feedstrom (5) wird in die Feedstromtrennstufe (1) eingeleitet. In der

Feedstromtrennstufe (1) wird eine Vortrennung des

Rohgasgemisches in leichter permeierende Komponenten

(Permeatgas) , die zu einem großen Teil ins Permeat der ersten Stufe gelangen und weniger schnell permeierende Komponenten (Retentatgas ) , die von der Membran vorwiegend zurückgehalten und sich im Retentat anreichern, erhalten. Allgemein kann man sagen, dass in der Feedstromtrennstufe (1) bevorzugt 20 bis 100%, besonders bevorzugt 40 bis 70 % der leichter permeierenden Komponente A, d.h. des Permeatgases A, vom Feedstrom (5) in das Permeat übergehen. Das Retentat der Feedstromtrennstufe (1) wird mittels des ersten Retentatstroms (7) der Retentattrennstufe (2)

zugeführt, in der die Feinreinigung erfolgt. Optional kann eine Druckminderung oder Druckerhöhung des ersten

Retentatstroms mit einer geeigneten Komponente, z. B. einem Druckminderventil (12) im ersten Retentatstrom (7) erfolgen. Auf der Retentatseite der Retentattrennstufe (2), d.h. im zweiten Retentatstrom (8), befindet sich bevorzugt ein

Druckminderventil (13) (in Abbildung 1 bis 3 nicht gezeigt), mittels dessen der Hauptdruck im System (Betriebsdruck der Trennstufen (1) und (2) = Retentatdruck der Stufen (1) und (2)) aufrecht und konstant gehalten werden kann. Der Gehalt der schwerer permeierenden Komponenten B, d.h. eines

Retentatgases B, wird in der Retentattrennstufe (2) weiter erhöht, sodass der Gehalt an Komponente B oder eines Retentatgases B im zweiten Retentatstrom (8) mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95% und besonders bevorzugt mehr als 97% beträgt. In einer besonders bevorzugten Variante zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße

Vorrichtung dadurch aus, dass mindestens 95%, bevorzugt mindestens 97%, besonders bevorzugt mindestens 99% und ganz besonders bevorzugt mindestens 99,5 %, der mit dem Rohgasstrom (17) in die Vorrichtung eingeführten Retentatkomponente der Feedstromtrennstufe (1) über den zweiten Retentatstrom (8) ausgeschleust werden.

Der Stufentrennschnitt der Retentattrennstufe (2) beträgt bei einer Konzentration der Komponente A oder eines Permeatgases A von 50% im ersten Retentatstrom (7) zwischen 10 und 60%, vorzugsweise zwischen 20 und 50 %.

Das Permeat der Retentattrennstufe (2) wird bevorzugt mittels des zweiten Permeatstroms (9) rückgeführt, dem Feedstrom (5) zugeführt und wiederaufbereitet. Dies kann - wie zuvor bei der Definition des Begriffes „Feedstrom" bereits erläutert - je nachdem ob ein Kompressor (4) oder gar ein mehrstufiger

Kompressor (4) verwendet wird auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Bei einem einstufigen Kompressor (4) wird der zweite Permeatstrom (9) bevorzugt der Saugseite des

Kompressors (4) zugeführt.

Wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein mehrstufiger

Kompressor eingesetzt, so handelt es sich bevorzugt um einen Kompressor mit Zwischenkühlung oder mit externer Kühlung.

Besonders bevorzugt wird ein Kompressor mit 2 bis 5

Kompressionsstufen verwendet. Das Druckverhältnis zwischen den Kompressionsstufen liegt bevorzugt im Bereich von 1 bis 10, bevorzugt 1 bis 5, besonders bevorzugt 2 oder 3.

Das mit der Komponente A oder einem Permeatgas A stark

angereicherte Permeat der Feedstromtrennstufe (1) wird mittels des ersten Permeatstroms (6) abgeführt oder bevorzugt der Permeattrennstufe (3) zugeführt. Der Permeatdruck der

Feedstromtrennsufe (1) wird dabei mittels der

Steuereinrichtungen (18a) und/oder (18b) entsprechend

gesteuert.

Ist eine Permettrennstufe (3) vorhanden, so wird besonders bevorzugt eine Steuereinrichtung (18b) im dritten

Retentatstrom (10) verwendet. Diese Anordnung bewirkt - sofern im 1. Permeatstrom (6) keine weiteren Steuereinrichtungen vorhanden sind - dass der Permeatdruck der Feedstromtrennstufe (1) gleich dem Feeddruck der Permeattrennstufe (3) ist. Somit werden beide Stufen mit nur einer Steuereinrichtung gesteuert. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft auch darauf zu achten, mittels der Steuereinrichtung (18b) zu verhindern, dass der Druck des Retentats der Permeattrennstufe (3) auf Umgebungsdruck abfällt. Auf diese Weise kann die treibende Kraft für die Permeattrennstufe (3) erhalten bleiben. Fällt der Druck des Retentats der Permeattrennstufe (3) auf

Umgebungsdruck oder darunter ab müsste in den Permeatstrom (11) der Permeattrennstufe (3) eine zusätzliche Vakuumpumpe vorgesehen und/oder der Druck in der Permeattrennstufe (3) mittels eines Spülgasstroms erhöht werden um die nötige

Partialdruckdifferenz über die Permeattrennstufe (3) zu erzeugen .

Wie bereits erwähnt kann die erfindungsgemäße Steuerung so erfolgen, dass Permeatdruck der Feedstromtrennstufe (1) gleich dem Feeddruck der Permeattrennstufe (3) ist. Es ist aber auch möglich diese Drücke unterschiedlich auszugestalten. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass man in den ersten Permeatstrom (6) ein Ventil als Steuereinrichtung (18a) einbaut mit dem der Permeatdruck der Feedstromtrennstufe (1) gesteuert wird und stromabwärts des Ventils (18a) in den ersten Permeatstrom (6) einen Kompressor einbaut oder im dritten Permeatstrom (11) eine Vakuumpumpe vorsieht. Mit einem Spülgasstrom in die

Permeattrennstufe (3) könnte hier der Feedruck der

Permeattrennstufe (3) in diesem Fall ebenfalls anders

eingestellt werden als der Permeatdruck der

Feedstromtrennstufe (1), welcher durch das Ventil (18a) gesteuert wird.

Die erfindungsgemäße Steuerung erlaubt somit eine sehr hohe Flexibilität, je nach dem, ob ein oder zwei Endprodukte erhalten werden sollen und in welchen Reinheiten diese

benötigt werden.

Die Permeattrennstufe (3) produziert auf diese Weise ein Permeat mit einem Gehalt an besser permeabler Komponente A oder eines Permeatgases A größer als 95%, vorzugsweise größer als 97% und besonders vorzugsweise größer als 99%, welches über den dritten Permeatstrom (11) aus der Vorrichtung

ausgeschleust wird. In einer besonders bevorzugten

Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet, dass maximal 5%, bevorzugt maximal 3%, besonders bevorzugt maximal 1% und ganz besonders bevorzugt maximal 0,5 %, der mit dem Rohgasstrom (17) in die Vorrichtung

eingeführten langsamer permeierenden Komponente B der

Feedstromtrennstufe (1) über den dritten Permeatstrom (11) ausgeschleust werden.

Der Stufentrennschnitt der Permeattrennstufe (3) beträgt zwischen 50 und 95%, vorzugsweise zwischen 70 und 93%. Der dritte Retentatstrom (10) wird bevorzugt rückgeführt, dem Feedstrom (5) zugeführt und wiederaufbereitet. Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen und kann z. B. davon abhängen, ob ein Kompressor (4) oder gar ein mehrstufiger Kompressor (4) verwendet wird. Bei einem einstufigen Kompressor (4) wird der dritte Retentatstrom (10) bevorzugt der Saugseite des

Kompressors (4) zugeführt, wenn der Ansaugdruck des

Kompressors kleiner ist als der Retentatdruck der Trennstufe (3) . Wird ein mehrstufiger Kompressor verwendet, so ist es bevorzugt, dass der dritte Retentatstrom (10) zwischen zwei

Verdichtungsstufen in den Kompressor eingeführt wird, wenn der Stufendruck des Kompressor bei der jeweiligen Stufe kleiner ist als der Retentatdruck der Trennstufe (3) . Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße

Vorrichtung zeichnet sich in einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform besonders dadurch aus, dass es/sie derart ausgestaltet sind, dass das im zweiten Permeatstrom (9) und im dritten Retentatstrom (10) zurückgeführte Gasvolumen in Summe weniger als 60 Vol. %, bevorzugt 10 bis 50 Vol. %, ganz besonders bevorzugt 20 bis 40 Vol. % des Volumens des

Rohgasstroms (17) beträgt. Die Steuerung der Menge der

rückzuführenden Gasströme hängt von den geforderten Reinheiten in den Produktgasströmen (8) und (11) ab. Je geringer die angeforderten Reinheiten sind, umso geringer werden die

Rückströme (9) und (10) . Die Rückströme werden ganz besonders durch die Art und die Selektivität der eingesetzten

Membranmodule in den Membrantrennstufen (1), (2) und optional (3) beeinflusst. Membranmodule mit erhöhter Selektivität bewirken dabei eine deutliche Senkung der Rückströme (9) und (10) . Auch der Hauptdruck im System (= Druck in den

Trennstufen (1) und (2)) beeinflussen die Menge an

rückgeführten Gasen. Je höher der Druck im System ist, umso geringer werden die rückgeführten Mengen. Ein weiterer

Einflussfaktor sind die Verhältnisse an Membranfläche in den einzelnen Stufen. Größere Flächen in der Trennstufe (3) verringern zum Beispiel die Rückströmung, größere Flächen in der Trennstufe (2) erhöhen hingegen die Rückströmungen . Somit zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die

Vorrichtung dadurch aus, dass trotz sehr geringer Rückströme die oben näher erläuterte Erhöhung der Konzentration der

Permeatkomponente im Feedstrom (5) sichergestellt wird. Dies erhöht deutlich die Effizienz des gesamten Verfahrens.

Wie bereits erläutert ist es besonders vorteilhaft wenn ein mehrstufiger Kompressor (4) eingesetzt wird. In diesem Fall kann nämlich auf eine komplette Entspannung des Retentats der Permeattrennstufe (3) verzichtet werden, da das Retentat der Permeattrennstufe (3) zwischen zwei Verdichterstufen des

Kompressors (4) eingespeist werden kann.

Da die Retentattrennstufe (2) bei Entspannung auf Feeddruck im Regelfall im selektivitätslimitierten Bereich betrieben werden würde, kann es sinnvoll sein den zweiten Permeatstrom (9) lediglich auf ein höheres Druckniveau einer mehrstufigen

Druckerhöhungseinheit, d.h. eines mehrstufigen Kompressors (4) zu entspannen da sich somit die Betriebskosten der

Kompressionseinheit reduzieren ohne das Trennergebnis deutlich zu verschlechtern. In einer besonders bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher ein mehrstufiger Kompressor (4) verwendet und die Gasströme (9) und (10) diesem Kompressor jeweils zwischen zwei

Kompressionsstufen zugeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Druckabfall über die Feedstromtrennstufe (1) auf 1 und 30 bar, vorzugsweise auf 2 und 20 bar und besonders vorzugsweise zwischen 3 und 10 bar beschränkt. Gleichzeitig oder alternativ wird bevorzugt sichergestellt, dass der Druckabfall über die

Feedstromtrennstufe (1) und die Retentattrennstufe (2), auf 1 und 100 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 80 bar und besonders vorzugsweise zwischen 10 und 70 bar beschränkt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kann im Prinzip mit allen Membranen realisiert werden, die in der Lage sind binäre Gasgemische oder

Multigasgemische zu trennen. Als Membranmaterialien kommen bevorzugt aber nicht ausschließlich Kunststoffe zum Einsatz. Als Kunststoffe in der trennaktiven Schicht kommen besonders bevorzugt Polyimide, Polyamide, Polysulfone, Celluloseacetate und Derivate, Polyphenylenoxide, Polysiloxane, Polymere mit intrinsischer Mikroporosität, Mixed Matrix Membranen,

Facilitated Transport Membranen, Polyethylenoxide,

Polypropylenoxide, Kohlenstoffmembranen oder Zeolithe oder Mischungen daraus in Frage.

Besonders bevorzugte Membranen weisen als Materialien für die trennaktive Schicht bzw. als Material für die komplette

Membran ein Polyimid der allgemeinen Formel

mit 0 -S x -S 0,5 und 1 y 0,5 und R entspricht einem oder mehreren, gleichen oder unterschiedlichen Resten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Resten LI, L2, L3 und L4, auf .

Besonders bevorzugt handelt es sich um ein Polymer mit x = 0, Y = 1 und R bestehend zu 64 mol % aus L2, zu 16 mol % aus L3 und zu 20 mol % aus L4. Dieses Polymer ist unter dem Namen P84 oder P84 Typ 70 (CAS- Nummern 9046-51-9) von der Firma Evonik Fibres GmbH erhältlich. Speziell bevorzugt wird ein Polymer mit der Zusammensetzung x = 0,4, y = 0,6 und R bestehend zu 80 mol % aus L2, zu 20 mol % aus L3 eingesetzt. Dieses Polymer ist unter dem Namen P84HT oder P84 HT 325 (CAS- Nummern

134119-41-8) von der Firma Evonik Fibres GmbH erhältlich.

Ebenfalls bevorzugt können Mischungen besagter Polyimide verwendet werden.

Aus den bevorzugten Polyimiden hergestellte Membranen sind von der Firma Evonik Fibres GmbH unter dem Namen Sepuran

erhältlich. Ein Verfahren zur Herstellung dieser bevorzugten Membranen wird in der WO 2011/009919 AI offenbart. Sämtliche in dieser Offenlegungsschrift offenbarten Polyimide und

Membranen können im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt eingesetzt werden. Zur Vermeidung reiner Wiederholungen wird auf den Inhalt dieser Patentanmeldung hiermit vollumfänglich Bezug genommen. Es wurde gefunden, dass mit diesen Membranen die besten Trennergebnisse erzielt werden können.

Die Membranen werden bevorzugt in Form von Hohlfasermembranen und / oder Flachmembranen verwendet. Die Membranen werden zu Modulen verbaut, die dann in der Trennaufgabe zum Einsatz kommen. Als Module können alle in der Technik bekannten

Gasseparationsmodule wie zum Beispiel aber nicht

ausschließlich Hohl fasergas separationsmodule, Spiralwickelgas separationsmodule, Kissengasseparationsmodule oder Rohrbündelgasseparationsmodule zum Einsatz kommen.

Die Gasseparationsmembranmodule haben erfindungsgemäß

bevorzugt eine Gemischtgasselektivität von A (C0 ₂ ) zu B (CH ₄ ) (= Verhältnis des Stoffstromes A zum Stoffstrom B über die Membran) von mindestens 30, bevorzugt mindestens 35, besonders bevorzugt mindestens 40, ganz besonders bevorzugt von

mindestens 45 und speziell bevorzugt von mindestens 45 bis 80. Höher selektive Membranen haben den Vorteil, dass die Trennung effektiver wird und weniger Permeat aus Retentattrennstufe (2) bzw. weniger Retentat aus der Permeattrennstufe (3)

rückgeführt werden muss. Damit muss insbesondere bei

Verwendung eines einstufigen Kompressors (4) weniger Gas doppelt komprimiert werden, was wirtschaftliche Vorteile beim Betrieb der Anlage mit sich bringt. Bei sehr selektiven

Membranmodulen mit einer Selektivität von 45 müssen nur ca. 35% des als Rohgas in die Feedstromtrennstufe (1)

eingebrachten Gases doppelt komprimiert werden, mit einem Membranmodul mit einer Selektivität von nur 10 kann es sein, dass die Doppelkomprimierung bis zu 300% beträgt. Die Angaben 35% bzw. 300% beziehen sich auf Versuche, bei denen ein

Gasgemisches mit äquimolaren Mengen an Komponente A und B (= Feed) aufgegeben wurden, wobei 98,5% Komponente B im

Retentatgas der Stufe (2) und 99% an Komponente B im

Permeatstrom der Stufe (3) enthalten waren.

Es ist augenscheinlich, dass der erfindungsgemäße Prozess mit selektiveren Membranen wesentlich wirtschaftlicher geführt werden kann und die notwendige Größe des Kompressors und die benötigten Energie reduziert werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren / die erfindungsgemäße Vorrichtung hat insbesondere die Vorteile, dass es ein reines Membranverfahren ist und ohne zusätzliche Aufreinigung der Permeat- und/oder Retentatströme (8) und falls gewünscht (11) für viele Anwendungen auskommt. Man braucht zum Bespiel bei der Aufreinigung von Biogas oder Erdgas (= Abtrennung von Kohlendioxid aus Methan) keine Druckwechseladsorption oder Aminwäsche mehr zur Feinreinigung des Retentates, sodass dieses ins Erdgasnetz eingespeist werden kann.

Weiterhin kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren / der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichzeitig ein reiner

Retentatstrom (8) und ein reiner Permeatstrom (11) bei der Bio- und Erdgasaufreinigung hergestellt werden. Es kann daher ohne große Verluste an Methan und ohne große Beeinträchtigung der Umwelt in die Atmosphäre entlassen werden, ohne dass das Gas noch weiter behandelt werden muss durch eine katalytische oder thermische Nachverbrennung oder eine Nutzung in einem Blockheizkraftwerk. Es entfällt daher die Investition in weitere Anlagenteile, was zu einem wirtschaftlicheren

Aufreinigungsprozess für Bio- und Erdgas führt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in großen Zügen bereits in der WO 2012/000727 beschrieben. Auch in der Masterarbeit von R. Borgmann, RWTH Aachen (1990) wird eine dreistufige

Verschaltung vorgeschlagen. Die Gegenstände der WO 2012/000727 und besagter Masterarbeit werden daher vollumfänglich in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit einbezogen. In der WO 2012/000727 sowie der Masterarbeit werden keine

Steuerung offenbart, die es erlauben würde Schwankungen der Zusammensetzung oder des Druckes oder des Flusses des

Rohgasstromes auszugleichen. Die WO 2012/000727 offenbart lediglich die Variation der Kompressorleistung und allgemeine Druckbereiche welche eingehalten werden sollten um eine gute Ausbeuten und Reinheiten der Produktgase zu erhalten. Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmal ein Steuerungs- und

Regelungskonzept einer Membranverschaltung gemäß WO

2012/000727 offenbart, welche es erlaubt diese

Aufreinigungsanlage auch an Biogasanlagen mit variablem

Feedstrom direkt anzuschließen. Es kann daher auf spezielle Voreinrichtungen verzichtet werden, welche einen annähernd konstanten Rohgasstrom bereitstellen. Die vorliegende

Erfindung stellt eine bedeutende Weiterentwicklung der Anlage und des Verfahrens der WO 2012/000727 dar. Dies gilt

insbesondere, da durch die Steuereinrichtungen (18a) bzw. (18b) und deren erfindungsgemäßer Regelung, eine konstante oder auch auf Grund wechselnder Anforderungen wechselnde

Gasqualität des Produktgasstroms (8) garantiert werden kann, auch wenn sich die zu verarbeitende Menge an Rohgas (17) und/oder die herzustellende Menge an Produktgas (8) und/oder die Rohgaszusammensetzung ändert. Hierbei ist es vorteilhaft, dass sich zur Einhaltung der geforderten Gasqualitäten im Strom (8) der Hauptdruck im System (= Betriebsdruck in den Trennstufen (1) und (2)) und die Membraneflächen in den

Trennstufen (1), (2) und optional (3) nicht geändert werden muss .

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das

erfindungsgemäße Verfahren / die erfindungsgemäße Vorrichtung mit deutlich geringerem apparativem und energetischen Aufwand auskommt wie die bekannten Verfahren des Standes der Technik.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Auftrennung von Gas- oder Dampfgemischen mit mindestens zwei Gasen eingesetzt werden, wobei ganz besonders bevorzugt als Gasgemisch eine Mischung von vorwiegend aber nicht ausschließlich Kohlendioxid und Methan oder vorwiegend aber nicht ausschließlich Wasserstoff und Methan oder vorwiegend aber nicht ausschließlich

Kohlenmonooxid und Wasserstoff oder Rohbiogas oder Roherdgas aufgetrennt wird. „Vorwiegend aber nicht

ausschließlich" bedeutet dabei, dass die genannten Gaspaare als Hauptbestandteile im Gasgemisch vorhanden sind, jedoch noch weitere Gase im Gemisch enthalten sein können.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung näher erläutern und beschreiben, schränken diese jedoch in keiner Weise ein.

Meßmethoden :

Zur Bestimmung der Gemischtgasselektivität CO ₂ /CH ₄ werden

Membranmodule mit einer Mischung von 50% CO ₂ und 50% ₂ bei Raumtemperatur (23°C) im Feed betrieben. Die Zusammensetzung des Permeates und des Retentates werden hierbei bei

verschiedenen Drücken (5, 10, 15, 20 bar (g) gemessen. Aus diesen Messungen lassen sich dann die Permeanzen des CO ₂ und des CH ₄ für den gesamten gemessenen Druckbereich (5 bis 20 bar) berechnen .

Das Verhältnis dieser Permeanzen entspricht dann der Mischgas Selektivität .

Beispiele

Allgemeine Beschreibung:

Es wurde der Betrieb einer Gasseparationsanlage gemäß

Abbildung 3 simuliert. Dazu wurde ein dynamisches Modell eines Gasseparationsmoduls programmiert und in einer dynamischen Prozesssimulation angewendet. Die Prozessanalyse wurde unter Anwendung der Aspen Engineering Suite durchgeführt.

Bei der Durchführung der Simulation wurde ein Model zur

Hohlfasergasseparation gemäß Scholz et al, „Modeling gas permeation by linking non-ideal effects", Industrial &

Engineering Chemistry Research angewendet. Dieses Modell wurde abgepasst und die dynamischen Werte wurden zur

Massenbilanzgleichung ergänzt. Folgende vereinfachende

Vorgaben wurden zur Reduktion der Komplexität des Modells vorgenommen :

- konstante Permeanzen

- isotherme Operation und Ignorierung des Joule-Thomson Effekts

Ignorierung der Polarisationskonzentration

- Annahme des idealen Gasverhaltens

- Annahme einer Kolbenströmung in den Hohlräumen und auf der Gehäuseseite der Module

- Annahme einer laminaren Strömung auf beiden Seiten der Membranen

Druckverluste wurden über die Hagen Poiseulle Gleichung berechnet .

Ein Gasseparationsmodel wurde im Aspen Custom Modeler

programmiert, wo dynamische Simulationen durchgeführt werden können. Das Model wurde in ein Aspen Plus Prozessmodell überführt. Um die dynamische Simulation einer Biogasanlage ausführen zu können, wurde das Aspen Plus Fliesschema nach Aspen Dynamics exportiert. In Aspen Dynamics ist eine

Modellbibliothek für verschiedene Reglertypen verfügbar, die den Regler zur Steuerung des Membranprozesses bereitstellt. Die Massenbilanz ist die Basisgleichung welche gelöst werden musste. Die Massenbilanz für die Substanzen auf der

Retentatseite für den Gegenstrom lautet gemäß Gleichung (I) :

ßn

dt

(i)

Dabei ist n _R ,± die Menge der Komponente i auf der Retentatseite und n _R/ i ist die molare Flussrate die Menge der Komponente i auf der Retentatseite. Ώ _μ ,± bezeichnet die molare Flussrate durch die Gasseparationsmembran.

Die entsprechende Gleichung für die Permeatseite der Membran im Gegenstrom lautet:

Die Verweilzeit ist definiert als das Verhältnis des Volumens auf der Feedseite der Membran zur Volumenflussrate auf der Feedseite.

Die Verweilzeiten auf der Retentat sowie auf der Permeatseite können berechnet werden. Beispiel 1 :

Verwendet wurde eine dreistufige Membranverschaltung gemäß Abbildung 3 mit folgenden Membranflächen: Feedstromtrennstufe (1) = 260 m ² , Retentattrennstufe (2) = 260 m ² und

Permeattrennstufe (3) = 390 m ² , jedoch ohne Regelung.

Untersucht wurde folgendes Szenario:

Der Feedvolumenstrom (5) ist konstant und der Druck im ersten Permeatstrom (6) wird mittels eines Ventils (18b) im dritten Retentatstrom (10) variiert. Die sich verändernde

Methankonzentration des Produktgases in Strom (8) wird

aufgenommen . Die Simulation wurde ohne eine Regelung der Anlage

durchgeführt um das Verhalten des Aufbereitungsprozesses zu untersuchen .

Abbildung 4a zeigt den Methanstoffmengenanteil im

Produktgasstrom (8) als Funktion des Drucks im ersten

Permeatstrom (6), der im folgenden Zwischendruck genannt wird.

Bei einem Feedvolumenstrom von 192 Nm ³ /h beträgt der

Zwischendruck etwa 2.74 bar (Methanreinheit im Produktgas

96%) . Wird der Zwischendruck erhöht steigt zunächst die

Methankonzentration im Produktgas an. Bei einem Zwischendruck von etwa 3 bar wird eine maximale Methankonzentration im

Produktstrom erreicht.

Wird der Zwischendruck weiter erhöht, sinkt die

Methankonzentration im Produktgas.

In Abbildung 4b sind die Rezirkulationsströme (9) und (10) der zweiten und dritten Membrantrennstufe in Abhängigkeit vom Zwischendruck dargestellt. Eine Erhöhung des Zwischendrucks hat einen starken Einfluss auf den dritten Retentatstrom (10) . Bei einer Erhöhung des Zwischendrucks von 2.74 bar auf 3.5 bar reduziert sich der dritte Retentatstrom (10) um 90%. Dadurch erhöht sich der Methanstoffmengenanteil dieses Stroms. Da der dritte Retentatstrom (10) jedoch geringer wird, wird mit zunehmendem Zwischendruck der Einfluss auf die

Feedkonzentration geringer. Der zweite Permeatstrom (9) nimmt zunächst mit steigendem

Zwischendruck ab und erreicht bei einem Zwischendruck von 3 bar ein Minimum. Dieser Strom wird von der

Retentatkonzentration der Feedstromtrennstufe (1) beeinflusst. Da die Methankonzentration im Retentat der ersten Stufe mit steigendem Zwischendruck zunächst zunimmt, nimmt die

Kohlenstoffdioxidkonzentation ab. Da das Retentat der ersten Stufe der Feedstrom der zweiten Stufe ist, nimmt die

Feedkonzentration an Kohlenstoffdioxid in der zweiten Stufe ab, so dass sich der permeierende Stoffström reduziert.

Abbildung 4a zeigt somit, dass man je nachdem bei welchem Druck das Membrantrennsystem betrieben wird und wo dadurch der Zwischendruck liegt auf eine Absenkung der Methankonzentration im Produktstrom (8), z. B. ausgelöst durch eine Veränderung der Zusammensetzung des Feedstroms, mit einer Erhöhung oder Verringerung des Zwischendrucks, d.h. des Drucks des ersten Permeatstroms (6) reagiert werden muss.

Beispiel 2: Veränderung der Zusammensetzung des Feedstroms (5)

Verwendet wurde eine dreistufige Membranverschaltung gemäß Abbildung 3 mit folgenden Membranflächen: Feedstromtrennstufe (1) = 520 m ² , Retentattrennstufe (2) = 520 m ² und

Permeattrennstufe (3) = 780 m ² , jedoch wurde bei dieser

Simulation ein PID Controller verwendet. Es wurde ein binäres Gasgemisch aus CO ₂ und CH ₄ getrennt. 2 Sekunden nach Erreichung des Gleichgewichtszustands wurde der Methangehalt im

Feedgasstrom, innerhalb von 3 Sekunden, von 50 auf 45 mol% reduziert (siehe Abbildung 5a) . Abbildung 5b zeigt, dass dadurch der Gehalt an Methan im zweiten Retentatstrom (8) ohne Gegensteuerung (durchgezogene Linie in Abbildung 5b) ansteigen würde.

Durch partielles Schließen eines Druckminderventils im dritten Retentatstrom (Steuereinrichtung (18b)) wurde der Druck im ersten Permeatstrom (6) von 4 auf 4,7 bar erhöht (siehe gestrichelte Linie in Abbildung 5c) . Die durchgezogene Linie in 5c zeigt, dass der Druck im 1. Permeatstrom ohne

Gegensteuerung leicht ansteigen würde. Wie aus der

gestrichelten Linie Abbildung 5b hervorgeht führte die

Gegensteuerung dazu, dass die ursprüngliche Zusammensetzung des zweiten Retentatstroms (8) (Produktstrom) wieder

hergestellt und somit die Tauglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Beweis gestellt wurde. Besonders

bemerkenswert ist (siehe Abbildung 5b) , dass innerhalb von 15s wieder die gewünschte Konzentration im Produktstrom (8) erreicht wurde. Dies zeigt, dass das erfindungsgemäße

Regelungskonzept sehr schnell regelt.

Beispiel 3: Erhöhung der Flussrate des Feedstroms (5) Die Simulation wurde analog Beispiel 2 durchgeführt. Diesmal wurde jedoch innerhalb von 5 Sekunden die Flussrate des

Feedstroms von 11,72 kmol/h auf 12 kmol/h erhöht (siehe

Abbildung 6a) . Abbildung 6b, durchgezogene Linie zeigt, dass ohne Gegensteuerung der Gehalt an Methan im zweiten Retentatstrom (8) stark sinken würde.

Durch partielles Öffnen eines Druckminderventils im dritten Retentatstrom wurde der Druck im ersten Permeatstrom (6) von 4 auf 3,75 bar gesenkt (siehe Abbildung 6c, gestrichelte Linie) . Wie aus Abbildung 6b, gestrichelte Linie, hervorgeht führte dies dazu, dass die ursprüngliche Zusammensetzung des zweiten Retentatstroms (8) (Produktstrom) wieder hergestellt und somit die Tauglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens auch in diesem Fall unter Beweis gestellt wurde.

Beispiel 4: Verringerung der Flussrate des Feedstroms (5) Auch diese Simulation wurde analog Beispiel 2 durchgeführt. Diesmal wurde die Flussrate des Feedstroms von 11,72 kmol/h auf 11,3 kmol/h verringert (siehe Abbildung 7a) . Abbildung 7b, durchgezogene Linie, zeigt, dass dadurch und ohne

Gegensteuerung der Gehalt an Methan im zweiten Retentatstrom (8) ansteigen würde. Dies ist jedoch ineffizient, da lediglich eine Methanreinheit von 96 mol % benötigt wird.

Durch partielles Schließen eines Druckminderventils im dritten Retentatstrom (Steuereinrichtung (18b)) wurde der Druck im ersten Permeatstrom (6) von 4 auf 4,4 bar erhöht (siehe

Abbildung 7c, gestrichelte Linie) . Die durchgezogene Linie in Abbildung 7c zeigt den Druckverlauf der ersten Permeatstroms ohne Gegensteuerung. Wie aus Abbildung 7b, gestrichelte Linie, hervorgeht führte das Gegensteuern dazu, dass die

ursprüngliche Zusammensetzung des zweiten Retentatstroms (8) (Produktstrom) wieder hergestellt und somit die Tauglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens auch in diesem Fall unter Beweis gestellt wurde. Beschreibung der Abbildungen Abb .1 :

Beispielhafte erfindungsgemäße Verschaltung mit den

Messeinrichtungen (19a) und (19b) sowie der

Steuereinrichtungen (18a) . In Abbildung 1 wird eine

erfindungsgemäße Anordnung mit nur zwei Membrantrennstufen und ohne Rückführung der Ströme (6) und (9) gezeigt. Ein PID- Controller ist nicht eingezeichnet, kann aber vorzugsweise auch verwendet werden.

Abb . 2 :

Beispielhafte erfindungsgemäße Verschaltung mit den

Messeinrichtungen (19a) und (19b) sowie der

Steuereinrichtungen (18a) . In Abbildung 2 wird eine

erfindungsgemäße Anordnung mit nur zwei Membrantrennstufen und Rückführung des zweiten Permeatstroms (9) auf die Saugseite des Kompressors gezeigt. Alternative in der obigen

Beschreibung erläuterte Anordnungen wie z. B. die Rückführung des Stroms (9) in eine erhöhte Kompressionsstufe des

Kompressors (4) sind für einen Fachmann leicht als Abwandlung von Abbildung 2 ableitbar und werden daher nicht separat gezeigt. Ein PID-Controller ist nicht eingezeichnet, kann aber vorzugsweise auch verwendet werden.

Abb . 3 :

In Abbildung 3 wird eine erfindungsgemäße Anordnung mit drei Membrantrennstufen und mit der Rückführung der Ströme (9) und (10) auf die Saugseite des Kompressors gezeigt. Alternative in der obigen Beschreibung erläuterte Anordnungen wie z. B. die Rückführung einer oder mehrerer der Ströme (9) oder (10) in eine erhöhte Kompressionsstufe des Kompressors (4) oder mit nur einer Messeinrichtung (19a) oder (19b) oder mit nur einer Steuereinrichtung (18a) oder (18b) sind für einen Fachmann leicht als Abwandlung von Abbildung 3 ableitbar und werden daher nicht separat gezeigt. Gezeigt ist die bevorzugte

Ausführungsform mit PID-Controller.

Abb. 4a und 4b:

In diesen Abbildungen wird gemäß Beispiel 1 die Auswirkung einer Veränderung des Drucks des ersten Permeatstroms bei konstantem Feedstrom und konstantem Flächenverhältnis der Membrantrennstufen auf die Konzentration von Methan im

Produktstrom (8) (Abbildung 4a) und auf die Recyclingströme (9) und (10) (Abbildung 4b) gezeigt.

Abb. 5a, 5b und 5c:

In diesen Abbildung wird gemäß Beispiel 2 gezeigt, wie mittels erfindungsgemäßer Regelung des Druckes des ersten

Permeatstroms (6) einer Veränderung der Zusammensetzung des Produktstroms (8), ausgelöst durch eine Veränderung der

Zusammensetzung des Feedstroms, entgegengewirkt werden kann. 5a zeigt die Veränderung der Zusammensetzung des Feedstroms. 5b zeigt die Veränderung der Zusammensetzung des Produktstroms

(8) ohne Gegensteuerung (durchgezogene Linie) bzw. mit

Gegensteuerung (gestrichelte Linie) . 5c zeigt die

Druckverläufe des ersten Permeatstroms (6) ohne Gegensteuerung

(durchgezogene Linie) bzw. mit Gegensteuerung (gestrichelte Linie) .

Abb. 6a, 6b und 6c:

In diesen Abbildung wird gemäß Beispiel 3 gezeigt, wie mittels erfindungsgemäßer Regelung des Druckes des ersten

Permeatstroms (6) einer Veränderung der Zusammensetzung des Produktstroms (8), ausgelöst durch eine Erhöhung der Flussrate des Feedstroms, entgegengewirkt werden kann. 6a zeigt die Veränderung der Flussrate des Feedstroms. 6b zeigt die

Veränderung der Zusammensetzung des Produktstroms (8) ohne Gegensteuerung (durchgezogene Linie) bzw. mit Gegensteuerung (gestrichelte Linie) . 6c zeigt die Druckverläufe des ersten Permeatstroms (6) ohne Gegensteuerung (durchgezogene Linie) bzw. mit Gegensteuerung (gestrichelte Linie).

Abb. 7a, 7b und 7c:

In diesen Abbildung wird gemäß Beispiel 4 gezeigt, wie mittels erfindungsgemäßer Regelung des Druckes des ersten

Permeatstroms (6) einer Veränderung der Zusammensetzung des Produktstroms (8), ausgelöst durch eine Verringerung der

Flussrate des Feedstroms, entgegengewirkt werden kann. 7a zeigt die Veränderung der Flussrate des Feedstroms. 7b zeigt die Veränderung der Zusammensetzung des Produktstroms (8) ohne Gegensteuerung (durchgezogene Linie) bzw. mit Gegensteuerung (gestrichelte Linie) . 7c zeigt die Druckverläufe des ersten Permeatstroms (6) ohne Gegensteuerung (durchgezogene Linie) bzw. mit Gegensteuerung (gestrichelte Linie).

Bezugs zeichenliste :

1 : Feedstromtrennstufe

2 : Retentattrennstufe

3: optionale Permeattrennstufe

4 : einstufiger oder mehrstufiger Kompressor

5: Feedstrom

6: erster Permeatstrom

7 : erster Retentatstrom

8 : zweiter Retentatstrom

9: zweiter Permeatstrom

10 : optional: dritter Retentatstrom

11 : optional: dritter Permeatstrom : Optionales Druckminderventil im ersten Retentatstrom 7

(in den Abbildungen nicht wiedergegeben)

: Optionales Druckminderventil im zweiten Retentatstrom 8

(in den Abbildungen nicht wiedergegeben)

: Optionales Druckminderventil im dritten Retentatstrom 10

(in den Abbildungen nicht wiedergegeben)

: Vakuumpumpe (in den Abbildungen nicht wiedergegeben): Mischkammer (in den Abbildungen nicht wiedergegeben): Rohgasstrom

a: Die Permeatsteuereinrichtung (18a) ist eine

Einrichtungen zur Steuerung des Drucks im ersten

Permeatstrom (6), welche im 1. Permeatstrom (6)

angeordnet ist (in der Beschreibung auch einfach als Steuereinrichtung (18a) bezeichnet).

b: Die Retentatsteuereinrichtung (18b) ist eine

Einrichtungen zur Steuerung des Drucks im ersten

Permeatstrom (6), welche im dritten Retentatstrom (10) angeordnet ist (in der Beschreibung auch einfach als Steuereinrichtung (18b) bezeichnet).

a: Feedstrommesseinrichtung zur Analyse des Feedstroms (5) und/oder Rohgasstroms (17) (in der Beschreibung auch einfach als Messeinrichtung (19a) bezeichnet)

9b: Retentatstrommesseinrichtung zur Analyse des 2.

Retentatstroms (8) (in der Beschreibung auch einfach als Messeinrichtung (19b) bezeichnet)