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Verfahren zur Abtrennung geringerer Mengen Verunreinigungen aus Gasen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Abtrennung geringerer
Mengen Verunreinigungen aus Gasen wie z. B. zur Entfernung von Spuren Luft aus Helium.
Entsprechend den früheren Verfahren, die zeolitische Molekularsiebe als selektive Adsorptionsmittel verwendeten, wird das eintretende Gas mit niedrigen Konzentrationen von Verunreinigungen durch ein zeolithisches Molekularsiebbett geleitet, wobei die Verunreinigungen adsorbiert und ein gereinigtes Pro- duktgas erhalten wird. Diese früheren Verfahren desorbieren das zeolithische Molekularsieb so, dass das
Desorbatgas völlig verworfen wird. Obwohl das gereinigte Produktgas nach diesen früheren Verfahren wenig oder keine Verunreinigungen enthält, sind im verworfenen Desorbatgas neben den Verunreinigungen immer noch Anteile an Produktgas enthalten.
Die Menge Produktgas, die mit der Verunreinigung während der Adsorption festgehalten wird, variiert von vernachlässigbaren Mengen bis zu einem beträchtlichen Anteil in Abhängigkeit von der Natur und Konzentration der Verunreinigung, der Temperatur und des Druckes bei denen die Adsorption ausgeführt wird und vom Volumen der Hohlräume im Adsorptionsbett. Bei der Entfernung niedriger Konzentrationen von Verunreinigungen, die auf dem zeolithischen Molekularsieb bei normalen Temperaturen und Drucken nur wenig adsorbierbar sind, ist es oft notwendig, bei hohen Drucken und/oder niedrigen Temperaturen zu arbeiten um eine hinreichende Reinigung mit zufriedenstellenden Ausbeuten an Produktgas zu erzielen. Der Verlust an Produktgas im Desorbatgas kann unter solchen Verfahrensbedingungen beträchtlich sein und ein solches Verfahren unwirtschaftlich machen.
Ein Verfahren zur Verminderung des Verlustes an zu reinigendem Gas besteht darin, dass mit dem Desorbatgas eine zusätzliche selektive Adsorptionstrennung durchgeführt wird. Eine solche zusätzliche Trennung erfordert natürlich ein vollständiges Adsorptions-Desorptionssystem mit allem nötigen Zubehör wie Adsorptionskammern, Ventile, Pumpen und Kontrolleinrichtungen. Hiefür wären natürlich beträchtliche Kosten erforderlich.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Entfernung niedriger Konzentrationen an Verunreinigungen aus einem Gasstrom unter Anwendung wenigstens zweier getrennter Zonen mit einem zeolithischen Molekularsieb, welches die Verunreinigungen aus dem Gasstrom selektiv adsorbiert. Das verunreinigte Einsatzgas geht während einer Adsorptionsstufe durch ein erstes Adsorptionsbett, wobei wenigstens der grösste Teil der Verunreinigungen entfernt wird. Das gereinigte Produktgas wird von diesem ersten Adsorptionsbett abgeführt. Gleichzeitig wird während einer Desorptionsstufe ein zweites Adsorptionsbett evakuiert, wobei die vorher aufgenommenen Verunreinigungen und das eingeschlossene Produktgas als Desorbatgas abgeführt werden.
Wenigstens ein Teil des Desorbatgases wird dem frischen Eintrittsgas, welches niedrige Konzentrationen an Verunreinigungen enthält, zugefügt, wobei das erwähnte verunreinigte Eintrittsgas entsteht, welches durch das erwähnte erste Adsorptionsbett während der erwähnten Adsorptionsstufe geht. Die Gasströme werden zwischen den beiden Adsorptionsbetten periodisch umgeschaltet, so dass das verunreinigte Eintrittsgas durch das zweite Adsorptionsbett geht und das Desorbatgas vom ersten Adsorptionsbett entfernt wird.
Die Vorteile und Verfahren der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung hervor.
Ein wichtiges Kennzeichen des vorliegenden Verfahrens ist die Rückführung wenigstens eines Teiles des Desorbatgases zum eintretenden Frischgas, welches niedrige Konzentrationen von Frischgas enthält.
Auf diese Weise wird ein verunreinigtes Eintrittsgas geschaffen, welches während der Adsorptionsstufe durch das selektive Adsorptionsmittel geht. Das rückgeführte Desorbatgas enthält mehr Verunreinigungen als das eintretende Frischgas und erhöht daher den Gehalt an Verunreinigungen im Eintrittsgas, welches in das Adsorptionsbett eintritt. Dies ergibt eine höhere Beladung des Adsorptionsbettes an Verunreinigungen. Entsprechend enthält das Desorbatgas, von dem ein Teil verworfen wird, eine höhere Konzentration an Verunreinigungen und eine niedrigere Konzentration an Produktgas. Das Produktgas, welches im rückgeführten Anteil des Desorbatgases enthalten ist, kann während der Adsorptionsstufe wieder zurückgewonnen werden. Das Produktgas im Desorbatgas ist durch Einschluss in die Hohl-
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niedriger gehalten.
Dadurch erzielt man eine höhere prozentuelle Gewinnung an gereinigtem Produktgas.
Gewisse Adsorbentien, die Moleküle auf Basis ihrer Grösse und Form adsorbieren, werden als Molekularsiebe bezeichnet. Zeolithe sind Metallaluminosilikate, die in kristalliner Form existieren. Nur die kristallinen Zeolithe der Grundformel
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worin M ein Metallkation und n seine Wertigkeit bedeuten, werden als zeolithische Molekularsiebe be- zeichnet. Im allgemeinen wird ein besonderer kristalliner Zeolith solche Werte für X und Y haben, die innerhalb eines bestimmten Bereiches fallen.
Die hier verwendeten zeolithischen Molekularsiebe zeigen Adsorptionseigenschaften, die unter den bekannten Adsorbentien einzigartig sind und die sie für das erfindungsgemässe Verfahren als selektive
Adsorptionsmittel bevorzugt geeignet machen. Die üblichen Adsorbentien wie z. B. Aktivkohle und
Silikagel, zeigen Adsorptionsselektivitäten, die vorwiegend auf dem Siedepunkt oder die kritische Tem- peratur des Adsorbats beruhen. Anderseits wirken aktivierte zeolithische Molekularsiebe hinsichtlich der Grösse und Form des Adsorbatrno1eküls selektiv, da der Zutritt in den Adsorptionsraum durch Poren von definierten und gleichförmigen Dimensionen erfolgt. Von jenen Adsorbatmolekülen, deren Grösse und Form die Adsorption durch zeolithische Molekularsiebe erlaubt, werden die polaren, polarisierbaren und ungesättigten stark bevorzugt.
Eine weitere wichtige Eigenschaft der zeolithischen Molekularsiebe, die zu ihrer Stellung unter den Adsorptionsmitteln beiträgt, ist die Adsorption grosser Mengen Adsorbat entweder bei sehr kleinen Drucken, bei sehr kleinen Partialdrucken oder sehr niedrigen Konzentrationen.
Eine oder mehrere dieser drei besonderen Adsorptionseigenschaften machen die zeolithischen Molekular- siebe für zahlreiche Trennungsverfahren in gasförmiger oder flüssiger Phase geeignet, wo Adsorbentien bis jetzt nicht angewendet wurden. Die Anwendung zeolithischer Molekularsiebe erlaubt eine wirkungs- vollere und wirtschaftlichere Durchführung von zahlreichen Verfahren, die bis jetzt andere Adsorbentien anwendeten.
Eine Anzahl natürlich vorkommender und synthetischer, zeolitischer Molekularsiebe erwies sich für das erfindungsgemässe Verfahren anwendbar und wird unten angeführt. Da es notwendig ist, dass die Poren des Zeoliths die aufzunehmenden Verunreinigungen eintreten lassen, ist die Porengrösse des Zeoliths ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des Adsorptionsmittels für ein gegebenes Reinigungssystem.
Zeolith A, ein zeolithisches Molekularsieb, wird im USA-Patent 2, 882, 243 (14. April 1959) beschrieben und ist das bevorzugte selektive Adsorptionsmittel zur Trennung von Luft aus Helium oder Methan aus Wasserstoff, Natriumzeolith A (Zeolith A worin M Natrium ist) wird zur Abtrennung von Methan aus Wasserstoff bevorzugt, da seine Porengrösse etwa 4 A ist. Werden wenigstens 40% des Natriums vom Zeolith A durch Kalzium ausgetauscht, erhöht sich die Porengrösse auf etwa 5 A und ergibt das bevorzugte selektive Adsorptionsmittel zur Abtrennung von Luft aus Helium.
Einwertige Kationenformen von Zeolith A (Porengrösse etwa 4 A) mit Ausnahme der Kaliumfbrm, die eine Porengrösse von etwa 3 A hat.
Zeolith A, worin wenigstens etwa 40% der Kationstellen mit zwei-oder dreiwertigen Metallionen besetzt sind (Porengrösse etwa 5 A).
Natürlicher und synthetischer Mordenit (Porengrösse etwa 4 A) und die mit Wasserstoffion ausgetauschte Form von Mordenit mit einer Porengrösse von etwa 5 A.
Chabasit, ein natürlich vorkommender Zeolith (Porengrösse etwa 4 A).
Erionit, ein natürlich vorkommender Zeolith (Porengrösse etwa 5 A).
Synthetischer Zeolith R, der in der deutschen Patentschrift Nr. 1098927 beschrieben wird (Porengrösse etwa 4 A).
Synthetischer Zeolith D, der in der deutschen Patentschrift Nr. 1099511 beschrieben wird (Porengrösse etwa 4 A).
Synthetischer Zeolith L, der in der deutschen Patentschrift Nr. 1100009 beschrieben wird (Porengrösse etwa 10 A).
Synthetischer Zeolith Y, der in der deutschen Patentschrift Nr. 1098929 beschrieben wird (Porengrösse etwa 10 A).
Synthetischer Zeolith T, der in der deutschen Patentschrift Nr. 1098930 beschrieben wird (Porengrösse etwa 5 A).
Synthetischer Zeolith X, der in der USA-Patentschrift Nr. 2, 882, 244 beschrieben wird (Porengrösse etwa 10 A).
Bezogen auf die beiliegende Zeichnung wird das verunreinigte Eintrittgas über die Leitung 11 dem Kompressor 50 zugeführt. Nach der Kompression gelangt das Gas vorzugsweise über die Leitung 12 durch den Durchgang 40 des Wärmeaustauschers 51 und von da über die Leitung 13 zum Kühler J,. wo es weiter gekühlt wird. Ventil 81 in Leitung 15 ist offen und lässt das komprimierte und gekühlte verunreinigte Eintrittsgas aus Leitung 14 über Leitung 15 in das erste Adsorptionsbett 53 eintreten. Beim
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Durchgang durch das Bett 53 werden Verunreinigungen adsorbiert und eine Menge Produktgas eingeschlossen. Das aus dem Bett 53 in die Leitung 22 gehende Gas ist ein im wesentlichen gereinigtes Produktgas.
Ventil 82 in der Leitung 23 ist offen und lässt das gereinigte Produktgas aus der Leitung 22 über Leitung 23 in Leitung 24 eintreten. Die Leitung 24 führt das Produktgas durch die Durchgänge 41 und 42 des Wärmeaustauschers 51. Das Produktgas geht dann über die Leitung 25 zur Lagerung.
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84, 88, 89Desorptionsstufe kontinuierlich zu verwerfen, kann ein Teil des Desorbatgases auch zu einer bestimmten Zeit verworfen werden. Die Produktgasmoleküle die im Adsorptionsbett nach der Adsorptionsstufe eingeschlossen sind, werden leichter als die Verunreinigungen entfernt und daher sind die ersten Anteile des Desorbatgases an Produktgas etwas reicher.
Während des anfänglichen Teiles der Desorption kann Ventil 89 geschlossen und das Ventil 90 geöffnet werden, wobei die ersten Anteile des Desorbatgases, die reicher an Produktgas sind durch die Leitung 29 zurückgeführt werden. Während des letzten Teiles der Desorptionsstufe wird Ventil 89 geöffnet und Ventil 90 geschlossen, wobei die letzten Anteile des Desorbatgases, die reich an Verunreinigungen sind, durch die Leitung 30 verworfen werden.
Bei einer andern Ausführungsart kann die Desorptionsstufe durch Anwendung von Wärme durchgeführt werden, die durch die Wärmeaustauscher 31 und 32, die sich im ersten und zweiten Adsorptionsbett 53 bzw. 54 befinden zugeführt wird, wobei gleichzeitig der Druck im Adsorptionsbett vermindert wird. In einigen Fällen kann auch die Anwendung von Wärme allein die Desorption bewirken.
Dem Adsorptionsbett kann Wärme auch durch Durchleiten eines erhitzten Spülgases zugeführt werden. Während der Desorptionsstufe können die Ventile 92 oder 93 in den Leitungen 18 bzw. 19 (je nach dem zu desorbierenden Bett) geöffnet werden, wobei ein erhitztes Spülgas durch die Leitungen 20, 18 oder 19 und 15 oder 16 in das entsprechende Bett eintreten kann. Das erhitzte Spülgas kann ganz oder teilweise aus reinem Produktgas bestehen, welches durch Öffnen von Ventil 91 zutritt und über die Leitung 26 zur Leitung 20 geht.
In einigen Fällen erweist sich eine Vereinigung der obigen Ausführungsarten besonders vorteilhaft.
Wie früher ist während der Desorption Ventil 89 geschlossen und Ventil 90 geöffnet, wobei das Desorbatgas, welches reich an Produktgas ist, zurückgeführt wird. Dann wird Ventil 89 geöffnet und 90 geschlossen, wobei das an Verunreinigungen reiche letzte Desorbatgas über die Leitung 30 verworfen wird. Gleichzeitig wird Ventil 92 oder 93 (in Abhängigkeit von zu desorbierenden Adsorptionsbett) geöffnet und lässt erhitztes Spülgas durch das Adsorptionsbett durchtreten. Diese Ausführungsart ist besonders dann verwendbar, wenn schwer desorbierbare Verunreinigungen zugegen sind. Spuren von Wasser oder hochsiedender oder polarisierbarer Kohlenwasserstoffe, die sich in einem zeolithischen Molekularsiebbett anreichern, können so wirkungsvoll entfernt werden.
Druck und Temperatur während der Adsorption und Desorption müssen auf Grund des Reinigungproblems und zu einem gewissen Ausmass hinsichtlich anderer Faktoren die die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinflussen, ausgewählt werden.
Wird die Desorptionsstufe völlig ohne Wärmezufuhr durchgeführt, werden die besten Ergebnisse erhalten, wenn die Adsorptionsstufe bei einer solchen Temperatur durchgeführt wird, die wenigstens so hoch ist wie die kritische Temperatur der adsorbierten Verunreinigung. Wird die Desorption durch direkte oder indirekte Anwendung von Wärme durchgeführt (erhitztes Spülgas) sollte die Desorptionstemperatur wenigstens so hoch sein, wie die kritische Temperatur der zu desorbierenden Verunreinigung.
Die Auswahl des Desorptionsdruckes ist äusserst wichtig, da er die Reinheit des hergestellten Produktgases bestimmt. Am Ende der Desorption muss der Partialdruck der am Adsorbens zurückbleibenden Verunreinigungen so sein, dass nach dem Umschalten auf die Adsorptionsstufe der Partialdruck der Verunreinigung dividiert durch den Gesamtdruck bei der Adsorption gleich dem zulässigen Molbruch der
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Verunreinigungen im Produkt ist. Soll z. B. ein 99, 9%iges Produkt hergestellt werden und ist der Adsorptionsdruck 20, 4 atm, sollte der Desorptionsdruck (1, 00-0, 999) (20, 4x760) = 15, 5 mm Hg (absolut) sein. In diesem Fall wird solange desorbiert, bis so viel Verunreinigungen zurückbleiben, die einem Partialdruck von etwa 15, 5 mm Hg bei der Adsorptionstemperatur entsprechen.
Die Wirkungen verschiedener Adsorptionsdrucke wurden für das vorliegende Verfahren für die Entfernung von Luft aus Helium untersucht. Das verwendete Adsorbens war Kalziumzeolith A mit einer Porengrösse von etwa 5 A (beschrieben im USA-Patent Nr. 2, 882, 243, 14. April 1959). Die Menge des eintretenden frischen Heliumgases betrug 272 kg pro Stunde. Der Luftgehalt betrug l Vol.-%. Erzeugt wurde ein Produktgas von 99, 9%gem Helium. In Tabelle A sind die erforderlichen Verfahrensbedingungen für drei verschiedene Drucke angegeben.
Tabelle A.
Heliumreinigung.
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<tb>
<tb>
Fall <SEP> I <SEP> Fall <SEP> II <SEP> Fall <SEP> III
<tb> Zahl <SEP> der <SEP> Adsorptionsbetten........................... <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2
<tb> Adsorptionsdruck, <SEP> Atmosphären <SEP> 12, <SEP> 55 <SEP> 19, <SEP> 0 <SEP> 29, <SEP> 4 <SEP>
<tb> Adsorptionstemperatur, <SEP> C............................-40-40-40
<tb> Desorptionsdruck, <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> absolut <SEP> 200 <SEP> *) <SEP> 200 <SEP> *) <SEP> 200 <SEP> *)
<tb> Desorptionstemperatur, <SEP> C <SEP> ............................. <SEP> -40 <SEP> -40 <SEP> -40
<tb> Pro <SEP> Bett <SEP> erforderliches <SEP> Molekularsieb,
<tb> Zeolith <SEP> A <SEP> (5 <SEP> A), <SEP> kg/h.............................. <SEP> 2700 <SEP> 1730 <SEP> 1088
<tb> Verunreinigtes <SEP> Einsatzprodukt <SEP> :
<SEP>
<tb> Helium, <SEP> kg/h <SEP> .................................. <SEP> 284 <SEP> 283 <SEP> 282
<tb> Luft, <SEP> kg/h........................................ <SEP> 168 <SEP> 107 <SEP> 70
<tb> Produktgas <SEP> : <SEP>
<tb> Helium, <SEP> kg/h <SEP> 270 <SEP> 270 <SEP> 268
<tb> Luft, <SEP> kgjh........................................ <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP>
<tb> Rückgeführtes <SEP> Desorbat <SEP> : <SEP>
<tb> Helium, <SEP> kg/h <SEP> 12 <SEP> 10, <SEP> 8 <SEP> 10, <SEP> 3 <SEP>
<tb> Luft, <SEP> kg/h........................................ <SEP> 148, <SEP> 3 <SEP> 87, <SEP> 1 <SEP> 50
<tb> Verworfenes <SEP> Desorbat <SEP> :
<SEP>
<tb> Helium, <SEP> kgjh <SEP> """""""""""""""""'" <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 4
<tb> Luft, <SEP> kg/h........................................ <SEP> 19, <SEP> 7 <SEP> 19, <SEP> 7 <SEP> 19, <SEP> 7 <SEP>
<tb> Heliumausbeute, <SEP> %.................................. <SEP> 99,4 <SEP> 99,1 <SEP> 98,5
<tb> Einheitslänge, <SEP> m..................................... <SEP> 5, <SEP> 4 <SEP> 4, <SEP> 9 <SEP> 4, <SEP> 6 <SEP>
<tb> Einheitsdurchmesser, <SEP> m <SEP> 3, <SEP> 3 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 7 <SEP>
<tb> Einheitshöhe, <SEP> m.....................................
<SEP> 2, <SEP> 9 <SEP> 2, <SEP> 9 <SEP> 2, <SEP> 9 <SEP>
<tb> Elektrischer <SEP> Strom, <SEP> kW <SEP> 35 <SEP> 35 <SEP> 35
<tb> *) <SEP> Nach <SEP> Erreichen <SEP> dieses <SEP> Desorptionsdruckes <SEP> wurde <SEP> eine <SEP> geringe <SEP> Menge <SEP> gereinigtes <SEP> Produktgas <SEP> unter <SEP> Aufrechterhalten <SEP> des
<tb> Desoiptionsdruckes <SEP> von <SEP> 200 <SEP> mm <SEP> Hg <SEP> absolut <SEP> durch <SEP> das <SEP> Bett <SEP> geleitet <SEP> um <SEP> die <SEP> im <SEP> Bett <SEP> verbleibende <SEP> Luft <SEP> auszuspülen.
<tb>
Man sieht, dass beim Ansteigen des Adsorptionsdruckes die Ausbeute fällt. Diese gesteigerte Wirksamkeit bei niedrigeren Drucken wird jedoch durch die erforderliche grössere Menge zolithisches Molekularsieb und die grössere Menge verunreinigtes Einsatzprodukt (d. i. das eintretende Frischgas plus rückgeführtes Desorbat) die bei niedrigeren Adsorptionsdrucken erforderlich ist, ausgeglichen. Eine grössere Menge verunreinigtes Einsatzprodukt erfordert eine entsprechende Vergrösserung des Kompressors und der Kühleinheit. Eine Abwägung dieser Faktoren ergibt die Auswahl des richtigen Adsorbens und Adsorptionsdruckes zur Erzielung grösster Wirtschaftlichkeit.
Das Verfahren kann für viele Fälle angepasst werden, wo geringe Konzentrationen an Verunreinigungen aus Gasen zu entfernen sind. Solange die Verunreinigung stärker als das erwünschte Gas adsorbiert wird, kann das erfindungsgemässe Verfahren vorteilhaft angewendet werden. Die folgende Liste von Verunreinigungen und Gasen umfasst die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Verfahrens.
1. Entfernung von Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Krypton, Ammoniak, Wasser, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und Schwefelwasserstoff aus Helium und Wasserstoff.
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2. Entfernung von Kohlenwasserstoffen, wie Methan, Äthan, Propan, Butan, Äthylen, Propylen,
Butylen und höheren Kohlenwasserstoffen aus Wasserstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Sauerstoff und Stickstoff
3. Entfernung von Kohlendioxyd, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasser, Schwefeldioxyd aus
Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Argon, Neon, Krypton und Sauerstoff.
In den folgenden Beispielen werden die Vorteile der Erfindung zur Entfernung geringer Mengen an
Verunreinigungen aus Helium und Wasserstoff gezeigt.
Beispiel 1 : Eintretendes frisches Helium (Strömungsgeschwindigkeit 100 Mole/h) mit 1 Vol.-%
Luft (99 Mole/h Helium, 1 Mol/h Luft) wurde mit einem rückgeführten Desorbatgas (3, 93 Mole/h
Helium und 4, 42 Mole/h Luft) vereinigt. Das so erhaltene Eintrittsgas (5 Vol.-% Luft oder 102, 93 Mole/h
Helium und 5, 42 Mole/h Luft) wurde auf 20, 4 atm komprimiert und auf-40 C abgekühlt. Es wurde dann durch ein Adsorptionsbett mit Pellets aus Zeolith A (Porengrösse etwa 5 A) geleitet. Der aus dem Adsorbens austretende Gasstrom enthielt 95, 4% des eintretenden Heliums (98, 11 Mole/h reines Helium).
Dieses Produktgas wurde mit dem Eintrittsgas einem Wärmeaustausch unterworfen und zur Produktlagerung geführt. Während der Desorptionsstufe wurden die eingeschlossenen 4, 82 Mole/h Helium und die adsorbierten 5, 42 Mole/h Luft durch Evakuieren des Adsorptionsbettes auf einen Enddruck von 15 mm Hg gewonnen. Die Strömungsrichtung des Gases während der Desorptionsstufe war der während der Adsorption entgegengesetzt, um den auftretenden chromatographischen Effekt auszunützen. Anderseits wurde auch ein höherer Desorptionsdruck von 200 mm Hg angewendet. In diesem Fall wurde bei Erreichen des Desorptionsdruckes von 200 mg Hg eine geringe Menge gereinigtes Produktgas durch das Bett geleitet um die im Bett verbleibende Luft auszuspülen, wobei der Desorptionsdruck von 200 mm Hg aufrechterhalten wurde.
Dies erfolgte solange, bis die Restbeladung von Luft einem Partialdruck von 15 mm Hg bei der Adsorptionstemperatur entsprach. (Dies ist erforderlich, um die erforderliche Reinheit des Heliums während der Adsorption aufrecht zu erhalten. ) Ein Teil des Desorbatgases (1 Mol/h Luft, 0, 89 Mole/h Helium), der die gleiche Gesamtmenge Luft enthielt wie im eintretenden frischen Heliumgas enthalten war, wurde verworfen und das übrige Desorbatgas (3, 83 Mole pro Stunde Helium und 4, 42 Mole/h Luft) wurde mit dem eintretenden frischen Helium vereinigt, um den Zyklus zu wiederholen.
Bei diesem Versuch wurden wenigstens 99% des Heliums mit einer Reinheit von praktisch 100% zurückgewonnen, während das Verfahren eines einstufigen Reinigungssystems mit dem gleichen eintretenden frischen Helium bei gleicher Temperatur, gleichem Druck und gleichem Molekularsieb eine nur 90% ige Rückgewinnung des Heliums ergab.
Beispiel 2 : Eintretender frischer Wasserstoff (Strömungsgeschwindigkeit 100 Mole/h) mit 10%
Methan (90 Mole/h Wasserstoff und 10 Mole/h Methan) wurde mit einem rückgeführten Desorbatgas (4, 68 Mole/h H2 und 29, 32 Mole pro Stunde CH4) vereinigt. Das so erhaltene Eintrittsgas (94, 68 Mole/h H2 und 39, 32 Molefh CH4, oder 29 Vol.-% CH ) wurde auf 3, 4 atm komprimiert und auf 0 C abgekühlt.
Es wurde dann durch ein Adsorptionsbett mit Pellets aus Zeolith A (Porengrösse etwa 4 A) geleitet. Der aus dem Adsorbens austretende Gasstrom enthielt 93, 3% des eintretenden Wasserstoffs (88, 40 Mole/h reiner Wasserstoff). Dieses Produktgas wurde mit dem Eintrittsgas einem Wärmeaustausch unterworfen und zur Produktlagerung geführt. Während der Desorptionsstufe wurden die eingeschlossenen 6, 28 Mole/h
Wasserstoff und die adsorbierten 39, 32 Mole/h Methan durch Evakuieren des Adsorptionsbettes auf
2, 6 mm Hg gewonnen. Die Strömungsrichtung des Gases während der Desorptionsstufe war der während der Adsorptionsstufe entgegengesetzt um den auftretenden chromatographischen Effekt auszunützen.
Ein Teil des Desorbatgases (10 Mole/h CH4 und 1, 6 Molefh HJ der die gleiche Gesamtmenge CH4 ent- hielt wie im eintretenden frischen Wasserstoff enthalten war, wurde verworfen und das übrige Desorbatgas (4, 68 Mole/h H2 und 29, 32 Molefh CH4) wurde mit dem eintretenden frischen Wasserstoff vereinigt, um den Zyklus zu wiederholen.
Zur Erläuterung der Vorteile dieses neuartigen Verfahrens wurde der eintretende frische Wasserstoff (90 Mole/h H2 und 10 Mole/h CH4) unter gleichen Temperatur- und Druckbedingungen ohne rückgeführtes Desorbatgas behandelt. Nach Beendigung der Adsorption enthielt das Adsorptionsbett nicht nur adsorbiertes Methan sondern in den Zwischenräumen auch Wasserstoff. Nach vollständiger Desorption war jedes Mol desorbiertes Methan von etwa 0, 6 Molen Wasserstoff begleitet, was einer Ausbeute an gereinigtem Wasserstoff von 93% entspricht, während das erfindungsgemässe Verfahren eine Rückgewinnung an Wasserstoff von 98% ergibt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch zur Gewinnung adsorbierbarer geringer Konzentrationen an Verunreinigungen in Form höherer Konzentrationen angewendet werden als durch übliche Adsorptionsverfahren erhalten werden.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsarten der Erfindung im einzelnen beschrieben wurden, fallen Abänderungen derselben in den Bereich der Erfindung.
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