DD239947A1

DD239947A1 - Verfahren und anordnung zum betreiben und steuern von adsorptionsprozessen

Info

Publication number: DD239947A1
Application number: DD27939285A
Authority: DD
Inventors: Klaus Walter; Wolfgang Krueger; Gerald Straube; Siegfried Neschke; Bernd-Ulrich Engel
Original assignee: Dresden Komplette Chemieanlag
Priority date: 1985-08-06
Filing date: 1985-08-06
Publication date: 1986-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben und Steuern von Adsorptionsprozessen zur Gastrennung bzw. Gasreinigung. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, mittels einer freiprogrammierbaren Steuervorrichtung die Schaltwechsel der Adsorptionsapparate so auszuloesen, dass bei Vermeidung des Durchbruchs der zu adsorbierenden Komponente(n) die Beladekapazitaet optimal ausgenutzt wird. Dabei wird das Gesamtverfahren eines kombinierten Temperaturwechseladsorptionsprozesses fuer eine Anzahl von Zyklen mit unvollstaendiger Desorption realisiert. Bevorzugt ist die Erfindung fuer adsorptive Gastrennprozesse mit schwankender Konzentration des Eintrittsgasgemisches anwendbar. Fig. 1

Description

Hierzu 1. Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der adsorptiven Stofftrennung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte technische Lösungen der Temperaturswingadsorption mit Temperaturswing bei gleichzeitiger Druckentlastung auf etwa Umgebungsdruck und Spülung im Gegenstrom benutzen zur adsorptiven Entfernung von Komponenten aus Gasgemischen zwei oder mehr Festbettadsorber, in denen nach einem festen Zeitplan die Phasen Adsorption, Entspannen, Heizen, Kühlen und Bespannen wechselweise ablaufen. Nachteil dieser nach festem Zeitplan arbeitenden Verfahren ist ein relativ großer Anteil nicht zur Beladung genutzten Adsorptionsbettes, der dadurch bedingt wird, daß bei der Auslegung der Adsorber die ungünstigsten Betriebsbedingungen, die jedoch nur selten eintreten, zugrunde gelegt werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß betriebsbedingte Schwankungen wie Druck-, Temperatur- und Mengeänderungen nicht bezüglich der Beladetiefe des Adsorberbettes ausgeglichen werden. Weiterhin nachteilig ist, daß die im Laufe der Betriebszeit eintretende Alterung des Adsorbens und die damit einhergehende Abnahme der Beladekapazität bei fester Zeitplansteuerung nur durch Änderung dieses Zeitplanes durch das Bedienungspersonal berücksichtigt werden kann. Erfolgen derartige Änderungen nicht rechtzeitig, so kommt es zum Durchbruch der zu adsorbierenden Komponente mit all den negativen Folgen für die nachfolgenden Prozeßstufen. Eine feste Zeitplansteuerung setzt voraus, daß die Desorption stets mit vollständiger Reaktivierung des Adsorbens erfolgt, wozu ein entsprechend hoher energetischer Aufwand erforderlich ist.

Ferner sind Lösungen bekannt, welche die Umgestaltung der Adsorber auf Basis der Messung von Prozeßgrößen bewirken. So wurde in DE 3 135 732 eine Vorrichtung zur Überwachung der Standzeit von Adsorptionspätronen vorgeschlagen, bei der am Patroneneingang ein Temperaturfühler installiert ist, dessen Meßwert über ein Steuergerät die Geschwindigkeit eines Betriebsstundenzählers nach einer vorgegebenen Funktion ändert und über diesen nach Erreichen der maximal zulässigen Betriebszeit ein Warnsignal auslöst.

Auch wurde bereits vorgeschlagen, in die Austrittsleitungen von Adsorbern Feuchtigkeitsindikatoren zu installieren, die mit elektrischen Kontaktgebern ausgerüstet sind und bei Erreichen eines Sollwertes die Adsorberumschaltung auslösen. Gemäß DE 2 906 386 erfolgt die Unterbrechung des Adsorptionszyklus, wenn der Druck des abgezogenen Gases in einen Sammelbehälter einen vorgegebenen Mindestwert erreicht hat. Als Ausgestaltung dieses Adsorptionsverfahrens wird für einen Zyklus das Desorbieren mit einem Reinigungsgasstrom von Zimmertemperatur aufgezeigt.

Auch wurde vorgeschlagen (DE 2 814 456), die Steuerung einer Adsorptionsvom'chtung mittels einer pneumatisch arbeitenden, logische Bauelemente aufweisenden, Programmschaltung vorzunehmen, wobei die Zykluszeit der Drucksteuerung so ausgelegt ist, daß die Adsorption im jeweiligen Apparat bei Erreichen eines vorgegebenen Beladedruckes verwendet wird.

Gemäß GB-Schrift 2.100.471 wird ein Adsorptionsprozeß dargestellt, bei dem die vom CCyGehalt beeinflußte pH-Wert-Messung mit zur Steuerung der C0₂-Adsorbtion herangezogen wird und bei dem die Steuerkreise insgesamt von einem Computer mit dreigliedriger Rückkopplungsfunktion gesteuert werden.

Weiterhin wurde vorgeschlagen (US-Schrift 3.405.507), Energieeinsparungen bei einem Kohlenwasserstoffadsorptionsprozeß durch Zwischenschaltung regenerativer Wärmeübertrager (Kompensatoren) zu erzielen und die Schaltwechsel für die Zyklen über ein Temperatursignal vom erhitzten Adsorbenbett in Verbindung mit einem Signal, das den Durchtritt der Reichgaskomponente am Kompensator meldet, über Ventile zu vollziehen, die durch nicht ausschließlich zeitgesteuerte Ventilwechselprogramme gesteuert werden. In der US-Schrift 3.540.188 wurde eine Lösung dargelegt, die den Durchbruch der Schlüsselkomponente eines Gases über Gasanalysatoren einer Steuervorrichtung signalisiert, die nach Erreichen der zulässigen Erhitzung des Adsorptionsbettes von einem Temperaturfühler ein weiteres Signal erhält und dann automatisch den Zykluswechsel einleitet.

Die vorgeschriebenen Lösungen ermöglichen zwar eine Anpassung der Adsorberstandzeiten an Betriebsschwankungen, jedoch nicht den Ausgleich des zunehmenden Kapazitätsabfalls des Adsorbers. Für viele Adsorptionsprozesse ist es nachteilig, wenn die zu adsorbierende Komponente erst mit Durchbruch durch das Adsorbensbett signalauslösend erfaßt wird. Nachteilig ist auch der in bekannten Lösungen beschriebene erhöhte Lösungen apparative Aufwand in Gestalt von Meß- bzw. Sammelgefäßen oder zusätzlicher Wärmetauscher. Weiterhin haftet diesen Lösungen als Mangel an, daß bei Prozessen, deren Desorptionszyklus kürzer als der Adsorptionszyklus ist, die Zeitdifferenz nicht optimal für die Prozeßführung genutzt wird.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zur adsorptiven Reinigung von Gas- oder Flüssigkeitsgemischen bereitzustellen und dazu eine Anordnung zur prozeßgesteuerten Durchführung eines solchen Verfahrens.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, mittels einer medienbedingten Steuerung des Schaltwechsels der Adsorber ein Verfahren so zu realisieren, daß die den bekannten Lösungen anhaftenden Nachteile vermieden bzw. verringert werden.

Ziel und Aufgabe werden erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß der mit Absorbat beladene Adsorber für eine Anzahl von Zyklen unvollständig desorbiert wird, wodurch die Verwendung von Abwärme oder anderer kostengünstiger Energieträger möglich ist, und daß der Adsorberwechsel aufgrund von Meßdaten aus den in der Beladephase und in der Desorptionsphase befindlichen Apparaten erfolgt. Als Meßdaten dienen zum einen die Konzentration der zu adsorbierenden Komponente(n) im zu beladenen Apparat an vorgegebenen Punkten (Höhen) im Adsorbensbett und zum anderen ein vorgegebener Bespannungsdruck im desorbierten Apparat. Diese Meßdaten lösen über ein intelligentes Steuersystem dann einen Umschaltimpuls aus, wenn nach Erreichen der vorgegebenen Grenzkonzentration an den Meßsonden des zu beladenen Absorbers eine von dem Steuersystem ermittelte Zeitspanne vergangen ist, die wiederum in sich begrenzt wird durch den Zeitpunkt des Erreichens des vorgegebenen Bespannungsenddruckes im regenerierten Adsorber.

Infolge wiederholt unvollständiger Regenerierung der Adsorber verringert sich die Adsorptionszeit mit zunehmender Zyklenanzahl. Um diesen Sachverhalt zu berücksichtigen, vergleicht ein intelligentes Steuersystem, welches eine freiprogrammierbare Steuerung oder ein Mikrorechnersystem sein kann, eine im Desorptionszyklus vorhandene Reservezeit AT_R, die zwischen der Kühlphase und der Bespannphase liegt, automatisch mit einer frei wählbaren Mindestzeit ΔΤ_Μ,_η, die wiederum so groß zu wählen ist, daß keine Verkürzung der notwendigen Bespannzeit erfolgt.

Das Vergleichsergebnis bildet das Kriterium für eine notwendig werdende Hochtemperaturaktivierung, bei der eine intensive Desorption mit erhöhter Regeneriertemperatur und wahlweise erhöhter Regeneriergasmenge im Anschluß an die Adsorptionsphase dann erfolgt, wenn die Bedingung ΔΤ_Μίη s ΔΤ_Η erfüllt ist. Im einzelnen werden von dem Steuersystem folgende Beziehungen bei Verwendung von zwei Meßsonden im Adsorbensbett zur Bestimmung und Auslösung des Umschaltimpulses verarbeitet (vgl. nachstehendes Diagramm).

ΔΤ_Μ2 = S · ΔΤ_Μ1

T_R =Τ_Μ2 + ΔΤ_Μ2-ΔΤ_Β

ΔΤ_Κ =T_R-T_K

S = f (Meßstellenanordnung, quantitativ nicht erfaßbare Einflüsse^ie ungleichmäßige Strömungsverteilung usw.)

ft* 2

\nJs.

ΔΤ_Κ

Oc

TR Tu I I

-A⁷M-

Tmi

Τ_Ε - Zeitpunkt des Erreichens des Grenzdruckes in der Entspannphase

T_H - Zeitpunkt des Erreichens der Grenztemperatur in der Heizphase

T_K - Zeitpunkt des Erreichens der Grenztemperatur in der Kühlphase

T_R — spätester Zeitpunkt für Beginn des Bespannens

T_u - Zeitpunkt für Adsorberwechsel

T_M1 - Zeitpunkt des Erreichens der Grenzkonzentration an der 1. Meßstelle in Strömungsrichtung

T_M2 - Zeitpunkt des Erreichens der Grenzkonzentration an der 2. Meßstelle in Strömuhgsrichtung

ΔΤ_Η - Reservezeit

ΔΤ_Β" - maximale Bespannzeit

ΔΤ_Μ1 - Zeitspanne zwischen dem Erreichen der Grenzkonzentration an der 1. und 2. Meßstelle in Strömungsrichtung

ΔΤ_Μ2 - Zeitspanne zwischen dem Erreichen der Grenzkonzentration an der 2. Meßstelle und der Adsorberoberkante in Strömungsrichtung

Zusammenfassend stellt sich die erfindungsgemäße Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt dar: Ein intelligentes Steuersystem ermittelt auf Grund des Zeitintervalls der Grenzwertfeststellung der zu messenden Komponente zwischen den beiden Meßfühlern die Zeit, die bis zum Durchbruch bleibt und löst den Bespannbeginn im anderen Adsorber so rechtzeitig in Auswertung der aus konkstruktiven und technologischen Werten berechneten maximalen Bespannzeit aus, daß die Bespannung vollständig erfolgen kann. Die Umschaltung der Zyklen erfolgt auf Grund der Feststellung (Messung) des Bespannungsenddruckes durch Impuls des Steuersystems.

Für den Fall des Versagens einer Meßsonde für die Beladekonzentrationswerte wird dem Steuersystem eine obere Begrenzung der Beladezeit vorgegeben, so daß nach Vergehen derselben die Umschaltung von Beladen auf Desorption erfolgt

Die Anordnung zum Steuern und Betreiben eines kombinierten Temperaturswing-Adsorptionsverfahrens besteht im wesentlichen aus wenigstens zwei durch Rohrleitungen und Armaturen verbundenen Adsorptionsgefäßen, die dadurch wechselweise umschaltbar sind. Im oberen Teil des Adsorbensbettes, das durch Siebe im zylindrischen Teil des Gefäßes eine untere und obere Begrenzung hat, sind jeweils zwei gleiche Meßsonden, die auf eine vorbestimmte Konzentration der zu adsorbierenden Gaskomponente ansprechen, so angeordnet, daß - in Strömungsrichtung des Beladestromes gesehen - zwischen denselben und zwischen der oberen Sonde und der Adsorbensbettoberkante Abstände bestehen. Eine zweckmäßige Anordnung ist dann gegeben, wenn der Abstand zwischen den Sonden und zwischen Adsorbensbettoberkante und oberer Sonde gleich ist. Im freien Raum zwischen Adsorbensbett und Gefäßboden ist jeweils eine Druckmeßdose mit Geber installiert

Zur Erfassung und Verarbeitung der Signale von den Konzentrationsmeßsonden und den Druckmeßsonden dient ein freiprogrammierbares Steuersystem. Dieses Steuersystem ermittelt aus dem Zeitintervall des Ansprechens der beiden Konzentrationsmeßsonden die Zeitspanne, die bis zum Erreichen des Durchbruchs der zu adsorbierenden Komponente zur Verfügung steht und ermittelt daraus den Zeitpunkt für den Bespannungsbeginn. Des weiteren wird eine an sich freiwählbare Mindestzeit eingegeben, die jedoch gleich bzw. größer zu sein hat als die geringste Reservezeit ΔΤ_Η, die zwischen Ende der Kühlphase und dem Beginn der Bespannzeit liegt und die mit steigender Zyklenzahl kürzer wird. Die jeweilig zur Verfügung stehende Reservezeit ΔΤ_Π wird automatisch von dem Steuersystem ermittelt und mit der Mindestzeit verglichen. Wird die Reservezeit ΔΤ_Β s der Mindestreservezeit, so werden über Steuerleistungen die Armaturen betätigt, welche den Weg für das Bespannmedium freigeben. Das Erreichen des Soll-(End)druckes der Bespannung wird mittels Druckmeßdose mit Grenzwertkontakt dem Steuersystem mitgeteilt. Jetzt wird der Zykluswechsel durch das Steuersystem über Impulsleitungen zu den Armaturen ausgelöst.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird in Verbindung mit Fig. 1. das Verfahren gemäß der Erfindung näher beschrieben.

Ein Rohgas, bestehend aus Luft von Umgebungstemperatur und einem Druck 0,8 MPa tritt bei 1 in eine Adsorptionsanlage ein, gelangt durch Leitung 2, Armatur 3 und Leitung 4 in ein auf etwa 283 ⁰K gekühltes und auf etwa 0,8 MPa bespanntes Adsorptionsgefäß 5. Im Adsorbensbett 6, bestehend aus einer Schicht Kieselgel und einer Schicht Molekularsieb des Typs CaA mit 68-80 Mol-% Ca²⁺-lonen, werden der Wasserdampf und das CO₂ beim Durchströmen des Rohgases zurückgehalten und Reingas, bestehend aus N₂, O₂ und Ar verläßt über Leitung 7, Armatur 8 und Leitung 9 die Anlage. Zwecks Vermeidung des Durchbruchs der zurückzuhaltenden Komponente(n) und dennoch optimaler Ausnutzung des Adsorberbettes wird das Fortschreiten der Adsorptionsfront von zwei Meßsonden für Infrarotadsorptionsmeßgeräte, die auf einen CO₂-Gehalt von 10 ppm ansprechen, nacheinander signalisiert. Der Abstand zwischen Adsorbensbettoberkante und der Sonde 11 ist hier gleich dem Abstand zwischen den Sonden 11 und 10 gewählt, so daß die Zeitspanne zwischen den beiden Signalen etwa der Zeitspanne ist, die bis zum Durchbruch zur Verfügung steht. Ausgehend von dem Signal der Sonde 11 erfolgt das Bespannen des Adsorptionsgefäßes 5', das sich zuvor, d. h. während der Beladezeit des Adsorptionsgefäßes 5, in der Desorptionsphase befand. Dazu wird die Armatur 12' geschlossen. Ist der Bespann-Solldruck von etwa 0,75 MPa erreicht, erfolgt der Zykluswechsel, wozu die Armaturen 13', 8 und 3 geschlossen und zunächst die Armaturen 3', 8' für die Adsorption und Armatur 12 für die Entspannung des Adsorptionsgefäßes 5 geöffnet werden. Am Ende der Entspannung wird zwecks Einleitung über Leitung 15 von Heizgas 14 niederer Temperatur von etwa 373 K - hier trockenes, durch Verdichtung mittels Gebläse erwärmtes Restgas aus einer Luftzerlegungsanlage - die Armatur 13 geöffnet und bedingt durch die bewußt niedrig gewählte Temperatur des Heizgases nur ein geringes Heizen und somit unvollständiges Regenerieren des Adsorbensbettes 6 bewirkt. Daran schließt sich mit gekühltem Restgas aus einer Luftzerlegungsanlage die Kühlphase an, die bis zum Bespannbeginn währt, der Wiederum vom Signal der Sonde 11' des gleichzeitig in der Adsorptionsphase befindlichen Adsorptionsgefäßes 6' ausgelöst wird.

Mit zunehmender Zyklenzahl sinkt bei dieser unvollständigen Aktivierung die Beladekapazität des Adsorbens, so daß an einem bestimmten Punkt eine Totalaktivierung mit einem auf höhere Temperatur von etwa 493 K erwärmten Heizgas erforderlich wird, da die Adsorptionsphase nicht kürzer werden darf als die gesamte Desorptionsphase. Dieser Punkt ist also spätestens dann erreicht, wenn ohne jegliche Zeitreserve nach Auslösen der Bespannung durch das Meßergebnis der Sonde 11 (1Γ) gerade noch die notwendige Bespannzeit im Anschluß an die Mindestzeit zum Spülen vorhanden ist.

Da in diesem Ausführungsbeispiel das Heizen und Kühlen des jeweils in der Desorptionsphase befindlichen Adsorbensbettes mittels direkter Heizung oder Kühlung durch einen Heiz/Kühlgasstrom erfolgt, fließt also während des Entspannens des Adsorptionsgefäßes 6 durch Leitung 4 und Armatur 12 zum Auslaß 16 das Adsorbart, hier CO₂ und Wasserdampf, das danach in den Teilphasen Heizen und Kühlen immer mehr verändert wird.

Anhand der Fig. 1 und unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird in einem Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Anordnung zum Steuern und Betreiben von Adsorptionsverfahren näher beschrieben:

Verdichtete Luft von etwa 0,8 MPa und einer Temperatur von 278 K tritt als Rohgas bei 1 in die Adsorptionsanlage ein. Es gelangt durch Leitung 2 und Armatur 3 in ein zuvor auf 283 K gekühltes und auf 0,8 MPa bespanntes Adsorptionsgefäß 5, in dessen Adsorbensbett 6 - in Strömungsrichtung gesehen - im oberen Teil übereinander zwei Meßsonden 10,11 angeordnet sind, die über eine Impulsleitung mit einem CO₂-Meßgerät des Typs „Infralyt 4" verbunden sind, das auf einen vorbestimmten oberen Grenzwert von CO₂ in Luft anspricht. Dieses Meßgerät überträgt jeweils bei Feststellung der vorbestimmten C0₂-Konzentration, d. h. bei der entsprechenden Höhe der Adsorptionsfront, ein Signal auf ein freiprogrammierbares Steuersystem 17, des Typs PC603. Aus der Zeitspanne zwischen Ansprechen der Meßsonde 10 und Ansprechen der Meßsonde 11 ermittelt der Rechnerteii des Steuersystems unter Wertung des Abstandes zwischen Sonde 11 und Adsorbensbettoberkante den Zeitraum, der bis zum Durchbruch des CO₂ noch vorhanden ist und bestimmt daraus für das in der Desorptionsphase befindliche Adsorptionsgefäß 5' den Zeitpunkt des Bespannbeginns, der beuErreichen durch das Steuersystem und über Impulsleitungen durch Schließen der Armaturen 12' und 13' und Öffnen der Armatur 3' ausgelöst wird. Eine jeweils im freien Raum zwischen Adsorbensbett und Gefäßboden (-Deckel) installierte Druckmeßdose 18 bzw. 18' spricht auf einen vorgegebenen Bespannungsenddruck, in diesem Falle die Druckmeßdose 18' auf 0,75 MPa an, teilt dies über einen Grenzwertkontakt dem Steuersystem 17 mit, welches daraufhin über Impulsleitungen die Armaturen 3 und 8 schließt und gleichzeitig die Armaturen 8' und 12 öffnet, womit der Zykluswechsel erfolgt. Das Öffnen der Armatur 13 zur Freigabe des Heiz- bzw. Kühlgases des Eintritts 14 erfolgt druckgesteuert am Ende der Entspannung.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zum Betreiben und Steuern von Adsorptionsprozessen zur Entfernung von Komponenten aus Gasgemischen in zyklisch umschaltbaren Festbettadsorben, die nach dem Temperaturwechselprinzip arbeiten, gekennzeichnet dadurch, daß eine Totalaktivierung des sich jeweils in der Desorptionsphase befindlichen Adsorbers erst nach Durchführung einer endlichen Anzahl Zyklen mit unvollständiger Desorption erfolgt, wobei die Totalaktivierung dann ausgelöst wird, wenn die einem Steuersystem eingegebene Mindestreservezeit bei dem von diesem durchgeführten Vergleich mit der Reservezeit ergibt, daß die Reservezeit, die aus dem Zeitintervall zwischen Erreichen einer vorgegebenen Grenztemperatur der Kühlphase und dem spätestmöglichen Bespannbeginn gebildet wird, kleiner wird als die Mindestreservezeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die unvollständige Desorption mit Medien niedriger Temperatur als sie zur Totalaktivierung benötigt werden, erfolgt.
3. Anordnung zum Betreiben und Steuern von Adsorptionsprozessen zur Entfernung von Komponenten aus Gasgemischen in zyklisch umschaltbaren Anlagen der Druckwechseladsorption oder der kombinierten Temperatur-Druckwechseladsorption mit Meßsonden für Gasanalysatoren, Druckerfassungseinrichtungen, gegebenenfalls Temperaturmeßeinrichtungen und einer Steuereinrichtung, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb der Adsorptionsbetten jeweils in Abständen im Strömungsweg mindestens zwei Meßsonden eines Gasanalysators angeordnet sind, daß in Strömungsrichtung des Rohgases gesehen hinter dem Adsorptionsbett im Adsorber jeweils eine Druckerfassungseinrichtung angeordnet ist, welche einen Grenzwertkontakt aufweist, und daß der Gasanalysator und die Druckerfassungseinrichtung in Wirkverbindung mit der Steuereinrichtung stehen, welche die Zykluswechsel von Adsorption und Desorption auslöst.
4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zwischen den Meßsonden des Gasanalysators gleich dem Abstand zwischen Adsorptionsbettoberkante und der oberen Meßsonde ist.