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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur adsorptiven Entfernung wenigstens
einer Komponente aus einem wenigstens zweikomponentigen Gasgemisch,
wobei die Regenerierung des beladenen Adsorptionsmittels eine Spülung mit
heißem
Regeneriergas (Heizphase) und eine anschließende Spülung mit kaltem Regeneriergas
(Kühlphase)
umfasst, die Erwärmung
des heißen
Regeneriergasstromes mittels eines Erhitzers erfolgt und zudem parallel
zu dem Erhitzer ein Wärmespeicher
vorgesehen wird.
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Gattungsgemäße Verfahren
zur adsorptiven Entfernung wenigstens einer Komponente aus einem wenigstens
zweikomponentigen Gasgemisch kommen beispielsweise bei der Entfernung
von H2O und CO2 sowie
den Spurenkomponenten N2O, C2H2, C2H4 und
C3H8 aus der Ansaugluft
von Luftzerlegern oder bei der Trocknung von Erdgasen zur Anwendung.
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Derartige
Verfahren zur adsorptiven Entfernung umfassen typischerweise zwei
Molekularsieb-Adsorber (sog. Molsiebstation), von denen jeweils
der eine Molekularsieb-Adsorber das saubere Produkt zur Weiterverarbeitung
in die Luftzerlegungsanlage liefert, während der andere Molekularsieb-Adsorber
regeneriert wird. Die thermische Regenerierung besteht üblicherweise
neben einer kurzen Druckabbauphase zu Beginn der Regenerierung sowie
einer ebenfalls kurzen Druckaufbauphase am Ende der Regenerierung
aus einer Heiz- und Kühlphase;
diese nehmen üblicherweise
zwischen 30% und 60% der Dauer der Adsorptionsphase – die üblicherweise
eine Dauer zwischen 2 und 8 Stunden, typischerweise 4 Stunden aufweist – in Anspruch.
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Im
Falle einer einer Luftzerlegungsanlage vorgeschalteten Adsorptionseinheit
wird als Regeneriergas im Regelfall ein trockener Stickstoffstrom,
der in dem Luftzerleger gewonnen wird, verwendet. Dessen Menge beträgt ca. 20%
des dem Luftzerleger zugeführten
Luftstromes.
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Ausschließlich während der
Heizphase tritt ein Bedarf an Heizenergie auf; dies hat zur Folge, dass
der vorzusehende Erhitzer nur etwa 30% der Zeit in Betrieb ist,
wobei jedoch innerhalb dieser Zeitspanne die gesamte Heizenergie
bereitgestellt werden muss. Daher ist die Anschlussleistung des
Erhitzers etwa drei mal so groß wie
die mittlere benötigte Heizleistung.
Um diese Erhitzer jedoch mit ausschließlich der mittleren Leistung
betreiben zu können,
wird ein Wärmespeicher
vorgesehen, der während
der Kühlphase
mittels eines durch den Erhitzer erwärmten Gasstromes thermisch
beladen wird. Während
der Heizphase wird der Wärmespeicher
jedoch im Gegenstrom zum Erhitzer entladen und liefert die eingespeicherte
Wärme zurück. Diese
Verfahrensweise hat jedoch den Nachteil, dass der zur Beladung verwendete
erhitzte Gasstrom nach der Beladung des Wärmespeichers abgeblasen und
damit verworfen wird, wodurch sich in der Gesamtbilanz ein erhöhtes Regeneriergasaufkommen
bei Adsorptionsanlagen mit Wärmespeicher – verglichen
mit Adsorptionsanlagen ohne Wärmespeicher – ergibt.
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Die
Einbindung von Wärmespeichern
ermöglicht
zwar eine wesentlich verbesserte Nutzung der Erhitzerleistung, jedoch
ist von Nachteil, dass der Verbrauch an Regeneriergas ansteigt,
da ein Teil des Regeneriergases zur Beladung des Wärmespeicher benötigt wird
und anschließend
verworfen wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren
zur adsorptiven Entfernung wenigstens einer Komponente aus einem wenigstens
zweikomponentigen Gasgemisch anzugeben, das den vorbeschriebenen
Nachteil vermeidet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur adsorptiven Entfernung wenigstens
einer Komponente aus einem wenigstens zweikomponentigen Gasgemisch
vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet, dass
- – während der
Heizphase ein erster Teilstrom des Regeneriergasstromes über den
Erhitzer und ein zweiter Teilstrom des Regeneriergasstromes über den
Wärmespeicher
geführt
und beide Teilströme anschließend dem
zu regenerierenden Adsorber zugeführt werden und
- – während der
Kühlphase
ein erster Teilstrom des Regeneriergasstromes über den Erhitzer und anschließend zum
Zwecke des Aufladens des Wärmespeichers über diesen
geführt
und anschließend
zusammen mit einem zweiten Teilstrom des Regeneriergasstromes, der
weder dem Erhitzer noch dem Wärmespeicher
zugeführt
wird, dem zu regenerierenden Adsorber zugeführt wird.
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Im
Gegensatz zu den zum Stand der Technik zählenden Verfahren ist nunmehr
der vorzusehende Wärmespeicher
so zu gestalten, dass er bei der Beladung mit erhitztem Regeneriergas
auf der Eintrittseite während
der gesamten Beladungsphase zu jedem Zeitpunkt kaltes Gas auf seiner
Austrittsseite aufweist. Dadurch lässt sich das Regeneriergas, nachdem
es den Wärmetransport
vom Erhitzer zum Wärmespeicher
bewerkstelligt hat, noch zum Abkühlen
des zu regenerierenden Adsorptionsmittels verwenden, wodurch folglich
kein Kühlgas
verloren geht. Der Regeneriergasbedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens
entspricht somit einem Verfahren, bei dem auf einen Wärmespeicher
verzichtet wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur adsorptiven
Entfernung wenigstens einer Komponente aus einem wenigstens zweikomponentigen
Gasgemisch, die Gegenstände
der abhängigen
Patentansprüche
darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
- – vor Beginn
der thermischen Regenerierung ein Druckabbau, vorzugsweise auf Umgebungsdruck,
und nach erfolgter thermischer Regenerierung ein Druckaufbau erfolgt,
- – während der
Druckaufbauphase zumindest ein Teilstrom des Regeneriergasstromes über den
Erhitzer und anschließend
zum Zwecke des Aufladens des Wärmespeichers über diesen
geführt und
- – sofern
das der adsorptiven Entfernung zugeführte Gasgemisch in einer den
Adsorbern vorgeschalteten Vorkühlungseinheit
einer Abkühlung unterworfen
wird, der aus dem Wärmespeicher austretende
kalte Gasstrom dem zu regenerierenden Adsorber und/oder der Vorkühlungseinheit zugeführt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend
anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Das
in der Figur dargestellte Adsorptionsverfahren, das bspw. der Entfernung
von H2O und CO2 sowie
den Spurenkomponenten N2O, C2H2, C2H4 und C3H8 aus der Ansaugluft
eines Luftzerlegers dient, weist zwei parallel geschaltete Adsorber
A1 und A2 auf. Diesen wird über
die Leitungen 1 und 2 oder 1 und 3 bei
geöffneten
Ventilen a bzw. c die zu reinigende Ansaugluft zugeführt. Über die
Leitungen 4 und 6 oder 5 und 6 wird
bei geöffneten
Ventilen e bzw. g die gereinigte Ansaugluft abgezogen und nach Abkühlung im
Hauptwärmetauscher
E über
Leitung 7 der eigentlichen kryogenen Zerlegung, die in
der Figur nicht dargestellt ist, zugeführt.
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Während sich
der Adsorber A1 in der Adsorptionsphase befindet und bei einem erhöhten Druck
die Entfernung von H2O, CO2 sowie
den oben genannten Spurenkomponenten aus der Ansaugluft erfolgt,
wird der Adsorber A2 regeneriert und umgekehrt. Dabei durchläuft der
jeweils zu regenerierende Adsorber vier unterschiedliche Phasen:
ein Druckabbau auf Umgebungsdruck, ein Spülen mit heißem Regeneriergas bei Umgebungsdruck,
ein anschließendes
Kaltspülen
mit Regeneriergas bei Umgebungsdruck und einen Druckaufbau auf den
gewünschten
Adsorptionsdruck.
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Das
bei beiden Adsorbern A1 und A2 zum Einsatz kommende Regeneriergassystem
nutzt das aus der in der Figur nicht dargestellten Coldbox stammende
Regeneriergas, bei dem es sich beispielsweise um Stickstoff handelt.
Dieser wird über
Leitung 17 dem Hauptwärmetauscher
E zugeführt,
in diesem gegen die abzukühlende
Ansaugluft in der Leitung 6 angewärmt und über Leitung 16 aus
dem Wärmetauscher
E abgezogen.
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Während der
Druckabbauphase wird dieser Stickstoff- bzw. Regeneriergasstrom
bei geöffnetem Regelventil
m und geöffnetem
Abblasventil l über
die Leitungsabschnitte 15 und 18 ggf. einer weiteren
Verwendung zugeführt.
Zeitgleich wird aus dem zu entspannenden Adsorber – im Folgenden
sei dies der Adsorber A2 – bei
geöffnetem
Ventil d über
Leitung 19 ein H2O/CO2-Gasgemisch
als Restgas abgezogen.
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Während der
der Druckabbauphase nachgeschalteten Heizphase wird ein erster Teilstrom
des Regeneriergasstromes – vorzugsweise
ca. 30% des gesamten Regeneriergasstromes – bei geöffnetem Regelventil n über die
Leitung 14 dem Erhitzer H zugeführt, während ein zweiter Teilstrom
des Regeneriergasstromes bei geöffnetem
Regelventil m dem (zuvor beladenen) Wärmespeicher S zugeführt wird. Bei
geöffneten
Ventilen k und h – die
Ventile i und l sind geschlossen – werden die beiden vorerwähnten Teilströme über die
Leitungsabschnitte 11 bzw. 12, 10 und 8 dem
zu regenerierenden Adsorber A2 zugeführt.
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Während der
nachfolgenden Kühlphase
wird weiterhin ein erster Teilstrom des Regeneriergasstromes – vorzugsweise
ca. 30% des gesamten Regeneriergasstromes – bei geöffnetem Regelventil n über die
Leitung 14 dem Erhitzer H zugeführt. Dieser Teilstrom wird
nunmehr jedoch nicht dem Adsorber A2 zugeführt, sondern im Gegenstrom
durch den Wärmespeicher
S geführt,
um diesen aufzuladen. Der aus dem Wärmespeicher S über die
Leitung 13 austretende Teilstrom des Regeneriergasstromes
ist aufgrund des Wärmeaustausches
im Wärmespeicher
S abgekühlt
und wird nunmehr mit dem bei geöffnetem Regelventil
m über
die Leitung 15 zugeführten
zweiten Teilstrom des Regeneriergasstromes vermischt. Bei geöffneten
Ventilen i und h – die
Ventile k und l sind nunmehr geschlossen – werden die vereinigten Regeneriergasteilströme über die
Leitungsabschnitte 9 und 8 dem zu regenerierenden
Adsorber A2 zugeführt.
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Während der
der Kühlphase
nachfolgenden Druckaufbauphase wird nunmehr das Ventil i geschlossen
und das Ventil l geöffnet.
Dies hat zur Folge, dass der Wärmespeicher
S weiter beladen werden kann, da die Zuführung eines Teilstromes des Regeneriergasstromes
zu dem Wärmespeicher
S über
den Erhitzer H – wie
sie während
der Kühlphase realisiert
wird – nicht
unterbrochen ist.
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Der
Wärmespeicher
S ist vorzugsweise so ausreichend zu dimensionieren, dass auch am
Ende seiner Beladungsphase noch kaltes (Regenerier)Gas aus ihm austritt
und folglich die gesamte Wärme
im Speicher S verbleibt. Während
gewöhnliche
Wärmespeicher,
bei denen die erfindungsgemäße Kaltgasrückführung nicht
realisiert wird, eine Brutto-Wärmekapazität von 160
bis 200% gegenüber
der Netto-Wärmekapazität (= gespeicherte
Wärme ohne Wärmeübergangszone)
aufweisen, sollten Wärmespeicher,
die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur
Anwendung kommen, eine Brutto-Wärmekapazität von 200
bis 250%, bezogen auf die Netto-Wärmekapazität, aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere bei vergleichsweise großen Anlagen, also beispielsweise
bei einer Luftzerlegungsanlage mit einer Luftmenge von mehr als
100.000 Nm3/h. Würden derartige Anlagen ohne
Wärmespeicher
realisiert, lägen
die vorzusehenden Erhitzer oberhalb der gängigen Baureihen für Erhitzergrößen. Das
Vorsehen eines Wärmespeichers
ermöglicht
es, die Baugrößen der
Erhitzer um den Faktor 3 zu verringern. Nachfolgend sei ein Beispiel
für eine
sehr große
Luftzerlegungsanlage angeführt:
Luftstrom:
500.000 Nm3/h Luft bei 15°C und 6 bara.
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Adsorber mit jeweils 120 t Adsorbensmaterial.
Regenerierstrom:
90.000 Nm3/h Unrein-Stickstoff bei 1.15
bara während
der Heiz- und Kühlphase
Zeiten:
Adsorption 240 min; Druckabbau 6 min; Druckaufbau 15 min; Schaltzeit
3 min; Heizzeit 70 min; Kühlzeit
146 min.
Mengenstrom durch den Erhitzer: konstant 26.250 Nm3/h mit Eintrittstemperatur 20°C und Austrittstemperatur
210°C. Leistung:
1.800 kW.
Beladung des Wärmespeichers
während
der Kühl-, der
Schalt- und den Druckauf- und Druckabbauphasen, d.h. 170 min mit
26.250 Nm3/h über den Erhitzer.
Gespeicherte
Nettowärme:
4,37 MWh, Bruttokapazität
9,5 MWh bei dT = 190 K.
Entladung des Wärmespeichers mit 63.750 Nm3/h während
der Heizphase (70 min) im Gegenstrom zur Beladung.
Wärmespeicher:
215 t Quarzitsplitt 10 bis 18 mm.
Behältervolumen: 130 m3.
Behältermaße: Durchmesser:
4,5 m; Höhe:
10 2 m.
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Würde auf
die erfindungsgemäß vorzusehende
Kalt-Regeneriergasrückführung nach
dem Wärmespeicher
in das Regeneriergas verzichtet werden, blieben ca. 30% des Regeneriergases
für die Kühlung der
Adsorber ungenutzt. Das hätte
die nachteilige Folge, dass während
der Kühlphase
zusätzlich 30%
Regeneriergas bereitgestellt werden müssten und zudem aus Gründen einer
gleichmäßigen Regeneriergasabgabe
dieser Gasstrom während
der Heizphase ebenfalls bereitgestellt und ungenutzt abgeblasen
und damit verworfen werden müsste.
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Das
während
der Druckab- und der Druckaufbauphase abgeblasene kalte Regeneriergas
lässt sich
beispielsweise in die im Regelfall vorzusehende Vorkühlungseinheit,
die in der Figur nicht dargestellt ist, vor den Adsorbern A1 und
A2 leiten, wodurch eine bessere Vorkühlung in den ersten 10 Minuten nach
Beginn der Adsorptionsphase erreicht wird. Da gerade dann die Adsorber
aufgrund der während
der Druckaufbauphase erfolgten Stickstoff-Adsorption besonders warm
geworden sind, ist eine kurzzeitig abgesenkte Lufteintrittstemperatur
günstig
für den Adsorptionsprozess.
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Wahlweise
kann das aus dem Wärmespeicher
austretende kalte Abgas – anstelle
einer Zugabe in den dem Adsorber zuzuführenden Kühlstrom – auch in vorteilhafter Weise
der Vorkühlungseinheit zugeführt werden.
Realisierbar sind darüber
hinaus Kombinationen aus gleichzeitiger Zuführung in den bzw. die Adsorber
sowie die Vorkühlungseinheit.