DD288533A5

DD288533A5 - Verfahren zum trennen von gasgemischen durch druckwechseladsorption

Info

Publication number: DD288533A5
Application number: DD33387889A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Maass; Hans Frommann; Michael George; Klaus Wiegleb
Original assignee: Veb Komplette Chemieanlagen Dresden,De
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1989-10-25
Publication date: 1991-04-04
Also published as: GB2237220A; DE4030246A1; GB9022763D0; FR2653355A1; HU906523D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Gasgemischen durch Druckwechseladsorption. Die Erfindung beinhaltet die adsorptive Trennung von Gasgemischen. Sie wird insbesondere bei der Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft angewendet. Nach Abschlusz des Adsorptionsprozesses erfolgt eine zweistufige Druckerniedrigung des beladenen Adsorbers. Dabei wird in der ersten Stufe ein Druckausgleich mit einem zweiten Adsorber ueber die Austrittsenden der beiden Adsorber vorgenommen. In der zweiten Stufe der Druckerniedrigung erfolgt eine beidseitige Entspannung des beladenen Adsorbers gleichzeitig ueber dessen Eintrittsende und Austrittsende bis zum Umgebungsdruck. Das dabei aus dem Austrittsende dieses Adsorbers stroemende Gas wird in einen dritten Adsorber ueber dessen Austrittsende gefuehrt und zum Spuelen dieses Adsorbers genutzt. Das gleichzeitig aus dem Eintrittsende des beladenen Adsorbers ausstroemende Gas wird als Restgas weggefuehrt. Figur{Verfahren, trennen; Gasgemisch; Druckwechseladsorption; Gewinnung; Sauerstoff; Luft, zweistufig; Druckerniedrigung; Adsorber; Druckausgleich; Austrittsende; Eintrittsende, entspannen, spuelen}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung wird bei der adsorptiven Trennung von Gasgemischen angewendet, insbesondere bei der Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Zum Reinigen oder Zerlegen von Gasen, beispielsweise zur Gewinnung von Sauerstoff oder Stickstoff aus der Luft, werden

wegen der Wirtschaftlichkeit und ihrer Effektivität häufig Adsorptionsverfahren angewendet. Besonders buwährt haben sich dabei die Druckwechseladsorptionsverfahren, bei denen das Regenerieren des beladenen Adsorptionsmittels durch

Drucküenkung erfolgt. Die bei der Druckabsenkung eines beladenen Adsorbers frei werdenden Gase werden in der Regel zur Druckerhöhung in anderen Adsorbern, die sich auf einem niedrigeren Druckniveau befinden, eingesetzt, indem ein Druckausgleich durchgeführt wird. Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 2739955 bekannt, bei dem das Regenerieren dos beladenen Adsorbers in 3 Stufen

erfolgt. In der ersten Stufe der Druckerniedrigung verläßt das Gas durch die Eintrittsöffnung, also im Gegenstrom zur

Produktionsrichtung, den Adsorber und wird durch eine Restgasleitung weggeführt. Dieses Ausströmen des Gases über die Eintriiisöffnung des boladenen Adsorbers erfolgt über die gesamte Dauer der Druckerniedrigung. Die erste Stufe wird nach dem Erreichen eines bestimmten Druckes von dei zweiten und dritten Stufe überlagert, wobei in der zweiten Stufe ein Druckausgleich

mit einem anderen Adsorber jeweils über die Austrittsöffnungen der beiden Adsorber und in der dritten Stufe ebenfalls über die

Austrittsöffnung des beladenon Adsorbers ein Druckausgleich mit einem Pufferbehälter durchgeführt wird. Diese Verfahrensweise mit der Anwendung eines Pufferbehälters ist relativ aufwendig und kompliziert. Aus der DE-OS 3132758 ist ein Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches nach dem Druckwechseladsorptionsverfahren

bekannt, bei dem nach Beendigung der Adsorptionsphase eines ersten Adsorbers eine erste Gleichstromentspannungsphase folgt und das dabei anfallende Entspannungsgas zur Spülung einos in einer Desorptionsphase befindlichen zweiten Adsorbers verwendet wird. Anschließend folgt eine zweite Gleichstromspannungsphase, wobei das anfallende Entspannungsgas zum

Aufdrücken des zweiten Adsorbers verwendet wird. Daran schließt sich eine Gasstromentspannung, während der ein Restgas

vom Eintrittsende des ersten Adsorber« abgezogen wird.

Ebenso ist aus der DE-OS 3046268 ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Gasgemisch bekannt, bei dem über das Austrittsende des beladenen Adsorbers ein Druckausgleich nacheinander mit 3 Adsorbern und danach die Spülung eines vierten und fünften Adsorbers erfolgt. Anschließend wird über das Eintrittsende des

beladenen Adsorbers eine Restentspannung durchgeführt.

Bei beiden Verfahren besteht auf Grund mehrerer Gleichstromentspannungsphasen die Gefahr, daß sich in dem beladenen Adsorber die Adsorptionsfront soweit zum Austrittsende bewegt, daß auch das Adsorpt diesen Adsorber durch dessen Austrittsende verläßt. Es ist auch bekannt, den Druckausgleich durch ein gleichzeitiges Öffnen der am Eintrittsende und der am Austrittsende der am Druckausgleich beteiligten Adsorber durchzuführen. Dabei wird der zu beladende Adsorber vor einer erneuten Beladung mit Hilfe einer Vakuumpumpe evakuiert. Ein solches Verfahren wird in der DE-OS 2441447 beschrieben. Der Gebrauch einer Vakuumpumpe bringt jedoch einen höheren apparativen Aufwand mit sich. Ziel der Erfindung

Ziel <*P^r Erfindung ist die Entwicklung dinas Druckwechseladsorptionsverfahrens zum Trennen von Gasgemischen, insbesondere zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft, mit dem bei niedrigem apparativen Aufwand eine Erhöhung der Produktausbeute erreicht werden kann.

-2- 288 533 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aurgabe zugrunde, ein Druckwechseladsorptionsverfahren für mindestens drei Adsorber zu entwickeln,

bei dem nach Abschluß des Adsorptionsprozesses die Druckerniedrigung in dem beladenenAdsorber so durchgeführt wird, daß das nicht adsorbierte produktreiche Gas einem nachfolgenden Adsorptionsprozeß zugeführt und das danach noch nicht desorbierte Gas derart einem weiteren Desorptionsprozeß unterworfen wird, daß ein Gas mit einem möglichst hohen Anteil an

Produktgas desorbiert und dieses produktreiche Gas so in einem nachfolgenden Adsorptionsprozeß eingesetzt wird, daß die Meng& des als Spülgas verwendeten Produktgases verringert werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der erste: ι Stufe der DruckerniedriQung in einem ersten Adsorber ein Druckausgleich mit einem regenerierten zweiten Adsorber mit über die Austrittsenden der beiden Adsorber erfolgt. In dieser Stufe wird produktionsreiches Gas vom Austrittsende (bei der Sauerstoffgewinnung das sauerstoffangereicherte Gas)

des ersten Adsorbers aus dom Zwischenkornvolumen dos Adsorptionsmittels in den unbeladenen zweiten Adsorber geführt.

Nach erfolgtem Druckausgleich mit dem zweiten Adsorber wird in der zweiten Stufe der Druckerniedrigung eine beidseitige Entspannung des ersten Adsorbers gleichzeitig über dessen Eintrittsende und Austrittsende bis zum Umgebungsdruck

vorgenommen. Das dabei aus dem Porenvolumen und aus den Mikroporen des Adsorptionsmittels tretende produktrfliche Gas (bei der Sauerstoffgewinnung sausrstoffangereichertes Gas) strömt über das Austrittsende dieses Adsorbers und über das

Austrittsende eines dritten Adsorbers in den zuletzt genannten und durchströmt diesen, wobei vorrangig Sauerstoff adsorbiert

wird. Das hierbei gleichzeitig aus dem Eintrittsende des ersten Adsorbers austretende desorbierte Gas enthält den abgetrennten

Gasanteil (bei der Sauerstoffgewinnung aus der Luft den Stickstoff), welcher in an sich bekannter Weise als Restgas weggeführt Durch das gleichzeitige und beidseitige Entspannen des ersten Adsorbers in der zweiten Stufe der Druckerniedrigung werden an

dessen Eintrittsende und Austrittsende die Konzentrationsprofile stärker polarisiert als bei einer aufeinanderfolgenden

Druckabsenkung. Dadurch tritt durch das Austrittsende dieses Adsorbers ein produktreiches (sauerstoffreiches) Gas und durch

das Eintrittsende ein Gas aus, welches reich ist an dem abgetrennten Gasanteil (Stickstoff). Auf diese Weise werden höhere

Ausbeuten an Produktgas erreicht als bei Verfahren mit zeitlich nacheinander erfolgender Druckabsenkung. Der dritte Absorber, der vorher einen Desorptionsprozeß durchlaufen hat, wird auf diese Weise im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung von einem produktreichen Gas durchströmt, so daß eine Spülung mit produktreichem Gas erfolgt. Es

wurde festgestellt, daß diese Spülung vorteilhaft ist, um das Produktgas in der geforderten Reinheit zu erzeugen. Es ist daher zweckmäßig, daß der in der ersten Stufe der Druckerniedrigung erfolgende Druckausgleich mit dem nachfolgenden Adsorber mit geringeren Mengen Spülgas bzw. ohne densen vorherige Spülung mit Produktgas vorgenommen wird.

Im Sinne der Erfindung wird unter dem Eintrittsende eines Adsorbers dasjenige Ende gesehen, durch das das Gasgemisch in den Adsorber eintritt. Dagegen wird als Austrittsende dasjenige Ende des Adsorbers bezeichnet, durch das das Produktgas den Adsorber verläßt. Soll beispielsweise mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Sauerstoff aus der Luft gewonnen werden,

so ist das Eintrittsende dasjenige Ende des Adsorbers, durch das die Luft in den Absorber eintritt und das Austrittsende ist dasjenige Adsorberende, durch das der Sauerstoff aus dem Adsorber austritt.

Weiterhin wird im Sinne der Erfindung jenes Gas als Produktgas bezeichnet, welches durch das erfindungsgemäße Adsorptionsverfahren in annähernd reiner Form gewonnen werden soll. Will man beispielsweise Sauerstoff aus der Luft

gewinnen, so stellt der Sauerstoff das Produktgas dar.

Überraschend wurde festgestellt, daß mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise auch bei hohen Gasgemisch-(Luft-)Belastungen der Adsorber biw. verhältnismäßig groben Zeoiith mit einer Korngröße oberhalb 2 mm hohe Ausbeuten an Produktgas (Sauerstoff) im Vergleich zu den bekannten Verfahren erreicht werden. Dies ist darauf zurückzuführen,

daß die aus Produktgas bestehenden Spülgasmengen stark gesenkt werden können und damit insbesondere die im Kreislauf ad- und desorbierte Produktgasmenge, die für die Prozeßauslegung limitiert ist, geringer ist.

So beträgt die Steigerungsrate der Produktgasausbeute bei mittleren Zeolithkorngrößen von ca. 1 mm gegenüber bekannten Verfahren ca. 15%, bei Korngrößen oberhalb von 2 mm aber bis zu 25% bzw. bei spezifischen Luftbelastungen von ca. 0,8m³ Luft

pro 1 Adsorber bezogen auf den produzierenden Adsorber ca. 10% und bei ca. 1,2 m³ Luft pro 1 Adsorber bezogen auf den produzierenden Adsorber bis zu ca. 25%.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist das Schema einer Druckwechseladsorptionsanlage dargestellt, in der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird. Mit Hilfe dieses Verfahren soll Sauerstoff mit einer Konzentration von 90Vol.-% aus der Luft gewonnen werden. Den Kern der Druckwechseladsorptionsanlage bilden der erste Adsorber 1, der zweite Adsorber 2 und der dritte Adsorber 3. Diese sind mit dem Adsorptionsmittel Zeoiith Typ 5A gefüllt; ihr Volumen beträgt jeweils 101. In den unteren Teil dieser drei Adsorber 1,2,3 mündet die Luftzuführungsleitung 4, durch die verdichtete Luft in die Adsorber eintritt. Diese Enden der drei Adsorber 1,2,3, durch die die verdichtete Luft in die Adsorber eintritt; werden als Eintrittsenden dieser Adsorber bezeichnet. In dem zu jedem Adsorber 1,2,3 führenden Teil der Luftzuführungsleitung 4 ist jeweils ein Luftabsperrventil angeordnet. So ist in dem zum ersten Adsorber 1 führenden Teil der Luftzuführungsleitung 4 das erste Luftabsperrventil 5, in dem zum zweiten Adsorber 2 führenden Teil aas zweite Luftabsperrventil 6 und in dem zum dritten Adsorber 3 führenden Teil das dritte Luftabsperrventil 7 vorgesehen. In den zu jedem Adsorber 1,2,3 führenden Teil der Luftzuführungsleitung 4 mündet jeweils zwischen dem Adsorber und dem Luftabsperrventil die Restgasleitung 8, in der dem ersten Adsorber 1 das erste Restgasventil 9, dem zweiten Adsorber 2 dns zweite Restgasventil 10 und dem dritten Adsorber 3 das dritte Restgasventil 11 zugeordnet ist. In den oberen Teii der drei Adsorber 1,2,3 mündet die Sauerstoffleitung 12, durch die der gewonnene Sauerstoff aus den Adsorbern austritt. Diese Enden der drei Adsorber 1,2,3, durch die der Sauerstoff die Adsorber verläßt, worden als Austrittsenden bezeichnet. In jedem zu den Adsorbern 1,2,3 führenden Teil der Sauerstoffleitung 12 ist ein Sauerstoffventil angeordnet. Dabei ist in dem zu dem ersten Adsorber 1 führenden Teil der Sauerstoffleitung 12 das erste Sauerstoffventil 13, in dem zum zweiten Adsorber 2 führenden Teil das zweite Sauerstoffventil 14 und in dem zum dritten Adsorber 3 führenden Teil das dritte Sauerstoffventil 15 angeordnet. Die drei Teile der Sauerstoffleitung 12 sind zwischen den drei Adsorbern 1,2,3 und

den drei Sauerstoffventilen 13,14,15 durch die Entspannungsgasleitung 16 jeweils miteinander verbunden. In der Entspannungsgasleitung 16 sind drei Entspannungsventile vorgesehen, wobei dem ersten Adsorber 1 das erste Entspannungsventil 17, dem zweiten Adsorber 2 das zweite Entspannungsventil 18 und dem dritten Adsorber 3 das dritte Entspahnungsventil 19 zugeordnet ist. Auf diese Weise wird ermöglicht, daß in den beiden Stufen der Druckerniedrigung Gas durch die Entspannungsgasleitung 16 von dem Austrittsende eines Adsorbers zu dem Austrittsende eines anderen Adsorbers strömen kann, wobei der dritte Adsorber von dieser Gasströmung unberührt bleibt. Bei diesem Vorgang sind jeweils zwei Entspannungsventile geöffnet und ein Entspannungsventil ist geschlossen.

Die drei Luftabsperrventile 5,6,7 und die drei Restgasventile 9,10,11 sind in einem gemeinsamen Ventilblock angeordnet. Ebenso sind auch die drei Sauerstoffventile 13,14,15 und die drei Entspannungsventile 17,18,19 in einem gemeinsamen Ventilblock angeordnet. Solche Ventilblöcke sind in der DD-PS 265806 beschrieben. Die Anordnung der beiden Ventilblöcke unmittelbar an den drei Adsorbern 1,2,3 ist in der DD-Patentanmeldung WP Γ301D/328448-6 erläutert. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind die einzelnen Gasleitungen und Ventile in der zugehörigen Zeichnung einzeln dargestellt. Der Adsorptionsprozeß in dem Adsorber 1 wird beendet, wenn die Adsorptionsfront in diesem Adsorber beginnt, das Austrittsende zu erreichen. Zu diesem Zeitpunkt herrscht in diesem Adsorber ein Druck von 0,46MPa. Die Beendigung des Adsorptionsprozesses erfolgt durch das Schließen des ersten Luftabsperrventiles 5 und durch das Schließen des ersten Sauerstoffventil 13.

Die erste Stufe der Druckerniedrigung des beladenen ersten Adsorbers 1 erfolgt durch einen Druckausgleich mit dem regenerierten zweiten Adsorber 2 durch Öffnen des ersten und des zweiten Entspannungsventiles 17,18, während alle anderen Ventile der Druckwechseladsorptionsanlage zu diesem Zeitpunkt geschlossen sind. Bei diesem Druckausgleich strömt sauerstoffreiches Gas aus dem Zwischenkornvolumen des Adsorbenten über das Austrittsende des ersten Adsorbers 1 und das Austrittsende des zweiten Adsorbers 2 in den zuletzt genannten. Dabei sinkt in dem ersten Adsorber 1 der Druck von 0,46MPa auf ca. 0,23MPa und steigt in dem zweiten Adsorber 2 von 0,1 MPa auf 0,23MPa. Der Druckausgleich dauert etwa 3 Sekunden. Bei einer anderen Betriebsvariante, die vor allem bei größeren Druckwecheladsorptionsanlagen in Betracht zu ziehen ist, wird während des Druckausgleiches der den Druck abgebende Adsorber wieder über sein Eintrittsende mit verdichteter Luft beaufschlagt. Diese Luftzuführung wird beendet, wenn der Druckausgleich abgeschlossen ist.

Durch Schließen des zweiten Entspannungsventiles 18 wird der Druckausgleich und damit die erste Stufe der Druckerniedrigung beendet. Es folgt nun die zweite Stufe der Druckerniedrigung indem ersten Adsorber 1, welche durch das zusätzliche Öffnen des dritten Entspannungsventiles 19 und des dritten Restgasventiles 11 vorgenommen wird, wobei das erste Entspannungsventil 17 geöffnet bleibt. Dadurch .strömt sauerstoffreiches Gas, welches auch durch die Druckerniedrigung entsprechend den Gleichgewichts- und kinetischen Bedingungen desorbiert, über das Austrittsende des ersten Adsorbers 1 und das Austrittsende des dritten Adsorbers 3 in den zuletzt genannten Adsorber und spült diesen, wobei ein Teil des Sauerstoffes adsorbiert wird. Dieser Spülvorgang erfolgt im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung. Das Spülen des dritten Adsorbers 3 wird somit nicht nur mit dem Produktgas Sauerstoff vorgenommen, sondern auch mit einem sauerstoffreichen Gas, das aus dem Porenvolumen und aus den Mikroporen des Adsorbenten kommt. Auf diese Weise erfordert die erfindungsgemäße Sauerstoffgewinnung weniger oder keinen produzierten Sauerstoff zum Spülen eines Adsorbers. Nach dem Austritt des Spülgases aus dem dritten Adsorber 3 verläßt dieses die Druckwechseladsorptionsanlage durch die Restgasleitung 8.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des dritten Entspannungsventiles 19 öffnet auch das erste Restgasventil 9, wodurch mit Stickstoff angereichertes Restgas aus dem ersten Adsorber 1 tritt und durch die Restgasleitung 8 die Druckwechseladsorptionsanlage verläßt. Dieses Restgas strömt im Gegenstrom zur Adsorpttonsrichtung aus dem ersten Adsorber 1. In der zweiten Stufe der Druckerniedrigung erfolgt somit in dem ersten Adsorber 1 eine Entspannung gleichzeitig sowohl über das Eintrittsende als auch über das Austrittsende des Adsorber;, Da in der Restgasleitung 8 und in der Entspannungsgasleitung 16 jeweils Drosseln vorgesehen sind, geht diese Druckemiedrigung gezielt vonstatten. Nach etwa 2-4 Sekunden (beginnend mit dem Öffnen des dritten Entspannungsventiles 13 und des ersten Restgasventiles 9) ist der Druck in dem ersten Adsorber 1 auf dem Umgebungsdruck der Anlage gesunken.

Durch das gleichzeitige beidseitige Entspannen des Adsorbers 1 werden an dessen Austrittsende relativ hohe Sauerstoffkonzentrationen erreicht. Die Konzentrationsprofile an dem Eintrittsende, hier tritt ein stickstoffreiches Gas aus, und an dem Austrittsende des ersten Adsorbers 1, an dieser Stelle tritt ein sauerstoffreiches Gas aus, werden durch das gleichzeitige und beidseitige Entspannen stärker polarisiert als bei einer aufeinanderfolgenden Druckabsenkung. Auf diese Weise wird eine höhere Ausbeute an Sauerstoff erreicht als bei Verfahren mit aufeinanderfolgender Druckabsenkung. Weiterhin gleichzeitig mit dem Öffnen des dritten Entspannungsventiles 19 und dem ersten Restgasventil 9 öffnet auch das zweite Luftabsperrventil 6 und das zweite Sauerstoffventil 14, wodurch in dem zweiten Adsorber 2 ein neuer Adsorptionsprozeß beginnt. Dieser Adsorptionsprozeß in dem zweiten Adsorber 2 verläuft auf diese Weise zeitgleich mit der zweiten Stufe der Druckerniedrigung in dem ersten Adsorber 1. Er dauert etwa 35 bis 40 Sekunden. Nach Abschluß dieses Adsorptionsprozesses erfolgt auf die beschriebene Weise eine erneute zweistufige Druckerniedrigung.

Die vorgeschlagene Verwendung eines sauerstoffreichen Gases zur Adsorberspülung als teilweisen oder vollständigen Ersatz des gewonnenen Sauerstoffes bringt eine Erhöhung der Sauerstoffaupbeute um ca. 15% mit sich. Der gewonnene Sauerstoff weist eine Konzentration von 90Vol.-% auf.

Claims

1. Verfahren zum Trennen von Gasgemischen durch Druckwechseladsorption unter Verwendung einer Gruppe von wenigsten drei Adsorbern, bei dem in einem ersten Adsorber nach Beendigung des Adsorptionsprozesses eine zweistufige Druckerniedrigung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe der Druckerniedrigung ein Druckausgleich mit einem zweiten Adsorber nur über die Austrittsenden der beiden Adsorber erfolgt, in der zweiten Stufe der Druckerniedrigung eine beidseitige Entspannung des ersten Adsorbers gleichzeitig über dessen Eintrittsende bis zum Umgebungsdruck vorgenommen wird, das dabei aus dem Austrittsende dieses Adsorbers strömende Gas in einen dritten Adsorber über dessen Austrittsende geführt wird und diesen Adsorber durchströmt und das gleichzeitig aus dem Eintrittsende des ersten Adsorbers ausströmende Gas in an sich bekannter Weise als Restgas weggeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleich mit einem nachfolgenden Adsorber ohne dessen vorherige Spülung mit Produktgas vorgenommen wird.