DE102008007929A1

DE102008007929A1 - adsorption

Info

Publication number: DE102008007929A1
Application number: DE200810007929
Authority: DE
Inventors: Werner Leitmayr
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-08-13
Also published as: WO2009098053A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches (Einsatzgas) mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens, wobei wenigstens eine Komponente des Einsatzgases während der Adsorptionsphase bevorzugt adsorbiert und während der Regenerierphase gewonnen wird, beschrieben. Erfindungsgemäß wird der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom zumindest teilweise und zumindest so lange in das Einsatzgas zurückgeführt, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgassstrom einen definierten Wert überschreitet, ein definiertes Druckniveau beim Regenerieren erreicht ist, eine definierte Menge des Restgasstromes zurückgeführt ist oder ein definiertes Zeitintervall seit Beginn der Regenerierphase verstrichen ist.A method is described for decomposing an at least two-component gas mixture (feed gas) by means of a pressure swing adsorption process, wherein at least one component of the feed gas is adsorbed during the adsorption phase and recovered during the regeneration phase. According to the invention, the residual gas stream obtained during the regeneration phase and at least partially recycled to the feed gas at least until the content of the preferably adsorbed component in the residual gas stream exceeds a defined value, a defined pressure level is reached during regeneration, a defined Amount of residual gas flow is returned or a defined time interval has elapsed since the beginning of the regeneration phase.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches (Einsatzgas) mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens, wobei wenigstens eine Komponente des Einsatzgases während der Adsorptionsphase bevorzugt adsorbiert und während der Regenerierphase gewonnen wird.The The invention relates to a method for disassembling an at least two-component Gas mixture (feed gas) by means of a pressure swing adsorption process, wherein at least one component of the feed gas during the Adsorption phase preferably adsorbed and recovered during the regeneration phase becomes.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Druckwechsel-Adsorptionsverfahren bekannt. Diese dienen dazu, ein wenigstens zweikomponentiges Gasgemisch in seine Bestandteile aufzutrennen bzw. aus einem derartigen Gasgemisch eine oder mehrere Komponenten zu entfernen. Grundsätzlich gilt, dass mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens zwei Austrittsströme bzw. -fraktionen erzeugt werden, wobei einer dieser Ströme die sog. bevorzugte Komponente in möglichst reiner Form enthält; diese stellt im Regelfall die Produktkomponente dar. Während einer der beiden Austrittsströme bei annähernd dem Druck des Roh- bzw. Einsatzgases anfällt – dieser Austrittsstrom liegt auf der sog. Hochdruckseite des Adsorptionsverfahrens vor –, weist der zweite Austrittsstrom, der auf der sog. Niederdruckseite des Adsorptionsverfahrens vorliegt, im Regelfall einen deutlich geringeren Druck auf.Out The prior art discloses a wide variety of pressure swing adsorption processes. These serve to form an at least two-component gas mixture in to separate its constituents or from such a gas mixture to remove one or more components. Basically, that by means of a pressure swing adsorption two exit streams or -fractions are generated, wherein one of these streams, the so-called. preferred component in as possible contains pure form; This usually represents the product component. During a the two outlet streams at approximate the pressure of the raw or feed gas accumulates - this outlet flow is on the so-called high-pressure side of the adsorption process the second outlet stream, which on the so-called. Low pressure side of Adsorption process is present, usually a much lower Pressure on.

Bei einer Vielzahl der aus dem Stand der Technik bekannten Druckwechsel-Adsorptionsverfahren wird die bevorzugte Komponente auf der Hochdruckseite gewonnen. Bei derartigen Druckwechsel-Adsorptionsverfahren macht es oftmals Sinn, den auf der Niederdruckseite anfallenden Restgasstrom, der geringe Mengen der bevorzugten Komponente enthält, zumindest teilweise in das Einsatzgas zurückzuführen. Diese Verfahrensweise führt zu einer Erhöhung der Ausbeute der bevorzugten Komponente.at a variety of known from the prior art pressure swing adsorption the preferred component is recovered on the high pressure side. In such pressure swing adsorption processes, it often makes sense the resulting on the low pressure side residual gas flow, the low Contains amounts of the preferred component, at least partially in attributed the feed gas. These Procedure leads to an increase the yield of the preferred component.

Bei denjenigen Druckwechsel-Adsorptionsverfahren, bei denen die bevorzugte Komponente auf der Niederdruckseite und damit während der Regenerierphase des Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens anfällt, sind bisher keine Verfahrensweisen bekannt, bei denen eine Rückführung eines Teilstromes des auf der Niederdruckseite abgezogenen Gasstromes vor das Adsorptionsverfahren realisiert wird.at those pressure swing adsorption processes in which the preferred Component on the low pressure side and thus during the regeneration phase of Pressure swing adsorption is obtained, there are no known procedures, where a return of a Partial stream of the withdrawn on the low pressure side gas stream before the adsorption process is realized.

Bei gattungsgemäßen Druckwechsel-Adsorptionsverfahren wird ein Adsorber während der Adsorption mit Rohgas beschickt. Dabei wird die bevorzugte Produktkomponente adsorbiert und gelangt nur zu einem geringen Anteil auf die Adsorber-Austrittsseite. Ist das Adsorptionsvermögen des Adsorbers erschöpft, wird er optional einer mehrstufigen Entspannung unterworfen, bei der das aus dem Adsorber abströmende Gas in anderen Adsorbern oder einem Pufferbehälter aufgefangen wird. Das aus dem Adsorber abströmende Gas wird aber zu keiner der Austrittsseiten unmittelbar geleitet. Das Gesamtsystem – bestehend aus mehreren Adsorbern und ggf. einem Pufferbehälter – wird daher nicht von adsorbierten Komponenten befreit, und damit regeneriert, sondern es erfolgt lediglich eine Umverteilung innerhalb des Systems. Nach der optionalen Phase der Entspannung wird ein Adsorber regeneriert. Darunter ist zu verstehen, dass Gas die Gesamtheit aller Adsorber (und ggf. des Pufferbehälters) verlässt und in Richtung Niederdruck-Austrittsseite strömt. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass innerhalb des Adsorbers der Druck weiter abgesenkt wird. Der gespeicherte Inhalt der bevorzugten Produktkomponente(n) eines in Regenerierung befindlichen Adsorbers wird somit reduziert. Ein Abströmen des Gases kann dabei über die Ein- oder Austrittsseite des Adsorbers erfolgen.at generic pressure swing adsorption becomes an adsorber during the adsorption charged with raw gas. This is the preferred product component adsorbs and reaches only a small proportion of the adsorber outlet side. Is the adsorption capacity of the adsorber exhausted, he is optionally subjected to a multi-stage relaxation at the effluent from the adsorber Gas is collected in other adsorbers or a buffer tank. The from the adsorber effluent Gas is not directed to any of the exit sides directly. The complete system - consisting from several adsorbers and possibly a buffer tank - is therefore not adsorbed by Components are freed, and thus regenerated, but only done a redistribution within the system. After the optional phase The relaxation is an adsorber regenerated. This is to understand that gas leaves the entirety of all adsorbers (and possibly the buffer tank) and flows in the direction of the low-pressure outlet side. This can, for example, by doing so take place that within the adsorber, the pressure further lowered becomes. The stored content of the preferred product component (s) of a in regeneration adsorber is thus reduced. One outflow of the gas can over take the inlet or outlet side of the adsorber.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens anzugeben, das bei Verfahren, bei denen die bevorzugte Komponente auf der Niederdruckseite eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens gewonnen wird, eine Erhöhung der Ausbeute und/oder der Reinheit dieser bevorzugten Komponente ermöglicht.task The present invention is a generic method for decomposing an at least two-component gas mixture by means to provide a pressure swing adsorption process, which in processes, in which the preferred component on the low pressure side of a pressure swing adsorption process is gained, an increase the yield and / or purity of this preferred component allows.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom zumindest teilweise und zumindest so lange in das Einsatzgas zurückgeführt wird, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgasstrom einen definierten Wert überschreitet, ein definiertes Druckniveau beim Regenerieren erreicht ist, eine definierte Menge des Restgasstromes zurückgeführt ist oder ein definiertes Zeitintervall seit Beginn der Regenerierphase verstrichen ist.to solution This task is a generic method for disassembly an at least two-component gas mixture by means of a pressure swing adsorption process proposed, which is characterized in that during the Regenerierphase obtained, the preferred adsorbed component containing residual gas stream at least partially and at least as long is returned to the feed gas, until the content of the preferably adsorbed component in the residual gas stream exceeds a defined value defined pressure level is reached during regeneration, a defined Amount of the residual gas stream is returned or a defined time interval since the beginning of the regeneration phase has passed.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

– der in das Einsatzgas zurückgeführte Restgas(teil)strom zumindest teilweise vor seiner Rückführung zwischengespeichert wird, der in das Einsatzgas zurückgeführte Restgas(teil)strom zumindest auf den Druck des Einsatzgases-verdichtet wird,
– eine Rückführung des Restgas(teil)stromes zumindest so lange erfolgt, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgasstrom wenigstens 99%, vorzugsweise wenigstens 95%, insbesondere wenigstens 80% der geforderten Produktkonzentration beträgt,
– das Einsatzgas ein CO/H₂-, ein H₂/CO₂-, ein C₂H₄/C₂H₆- oder ein C₃H₆/C₃H₈-Gemisch oder ein aus den Komponenten H₂, CO, CH₄, N₂, CO₂ und H₂O oder N₂, O₂, Ar und H₂O bestehendes Gemisch ist und CO, CO₂, C₂H₄, C₃H₆ bzw. O₂ die bevorzugt adsorbierte Komponente darstellt und
– auch nach Überschreiten des definierten Wertes, nach Erreichen des definierten Druckniveaus beim Regenerieren, nach Erreichen der definierten Menge des Restgasstromes oder nach Ablauf des definierten Zeitintervalls zumindest ein Teilstrom des während der Regenerierphase gewonnenen, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltenden Restgasstromes in das Einsatzgas erfolgt.

Further advantageous embodiments of the method according to the invention for disassembling an at least two-component gas mixture by means of a pressure swing adsorption process, which constitute subjects of the dependent claims, are characterized in that

- The recycled in the feed gas residual gas (part) stream is at least partially stored before its return, the recirculated to the feed gas residual gas (part) stream is at least compressed to the pressure of the feed gas,
- A return of the residual gas (partial) current at least until the content of the before zugt adsorbed component in the residual gas stream is at least 99%, preferably at least 95%, in particular at least 80% of the required product concentration,
The feed gas is a CO / H ₂ , a H ₂ / CO ₂ , a C ₂ H ₄ / C ₂ H ₆ or a C ₃ H ₆ / C ₃ H ₈ mixture or one of the components H ₂ , CO, CH ₄ , N ₂ , CO ₂ and H ₂ O or N ₂ , O ₂ , Ar and H ₂ O existing mixture and CO, CO ₂ , C ₂ H ₄ , C ₃ H ₆ and O _{2 are} the preferred represents adsorbed component and
- Even after exceeding the defined value, after reaching the defined pressure level during regeneration, after reaching the defined amount of the residual gas stream or after the defined time interval, at least a partial flow of the recovered during the regeneration phase containing the preferred adsorbed component residual gas flow into the feed gas.

Erfindungsgemäß wird nunmehr der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom – der die eigentliche Produktfraktion darstellt – nicht mehr unmittelbar seiner weiteren Verwendung zugeführt, sondern zumindest solange, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgasstrom einen definierten Wert erreicht bzw. überschreitet, in das Einsatzgas zurückgeführt. Die Festlegung des definierten (Grenz)Wertes wird sich hierbei an der von dem Abnehmer geforderten Qualität des Produktgasstromes orientieren. Diese Rückführung von Restgas mit "mangelnder Qualität" vermeidet die Verunreinigung des Produkts mit unerwünschten Komponenten, was im Durchschnitt eine Erhöhung der Produktqualität zur Folge hat Darüber hinaus führt eine Rückführung zu einer Erhöhung der Konzentration der bevorzugt zu adsorbierenden Komponente im Einsatzgas, woraus in der Folge eine Erhöhung der maximalen Reinheit der bevorzugt adsorbierte Komponente in dem auf der Niederdruckseite des Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens abgezogenen Restgasstrom resultiert.According to the invention will now while the regeneration phase obtained, the preferred adsorbed component Containing Restgasstrom - the the actual product fraction represents - not directly its fed to further use, but at least until the content of the preferably adsorbed Component in the residual gas stream reaches or exceeds a defined value, returned to the feed gas. The determination The defined (limit) value will be determined by the customer required quality Orient the product gas stream. This recycling of residual gas with "poor quality" avoids the contamination of the product with unwanted Components, resulting in an average increase in product quality In addition leads one Return to an increase the concentration of the component to be adsorbed in the Feed gas, resulting in an increase in the maximum purity the preferred adsorbed component in the low pressure side the pressure swing adsorption withdrawn residual gas stream results.

Im Regelfall wird vor Erreichen des definierten Grenzwertes der gesamte Restgasstrom in das Einsatzgas zurückgeführt werden. Es sind jedoch Szenarien denkbar, bei denen eine nur teilweise Rückführung des die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltenen Restgasstromes zweckmäßig sein kann. Beispielhaft genannt hierfür seien Verfahrensweisen, bei denen der nicht in das Einsatzgas zurückgeführte Teilstrom des Restgases zum Zwecke des Druckausgleiches zwischen zwei oder mehreren Adsorbern einem oder mehreren (anderen) Adsorbern zugeführt wird.in the Normally, before reaching the defined limit, the entire Residual gas stream are returned to the feed gas. However, these are scenarios conceivable in which only a partial recycling of the adsorbed preferred Component contained residual gas stream may be appropriate. exemplary called for this be procedures in which the not recycled to the feed gas partial flow of the residual gas for the purpose of pressure equalization between two or a plurality of adsorbers one or more (other) adsorbers is supplied.

Der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom kann ferner zumindest teilweise und zumindest so lange in das Einsatzgas zurückgeführt werden, bis ein definiertes Druckniveau beim Regenerieren erreicht ist, eine definierte Menge des Restgasstromes zurückgeführt ist oder ein definiertes Zeitintervall seit Beginn der Regenerierphase verstrichen ist.Of the while the regeneration phase obtained, the preferred adsorbed component Containing residual gas stream may further at least partially and at least be returned to the feed gas for as long as until a defined pressure level is reached during regeneration, a defined amount of the residual gas stream is returned or a defined Time interval since the beginning of the regeneration phase has elapsed.

Die beiden letztgenannten Alternativen werden durch immer realistischere Simulationsprogramme möglich, die im Vergleich zu einer Konzentrationsmessung regelungstechnisch einfachere Mengen- bzw. Zeitmessungen und -steuerungen ermöglichen.The Both of these latter alternatives are becoming increasingly realistic Simulation programs possible, the control technology compared to a concentration measurement allow easier quantity and time measurements and controls.

Zur Vergleichmäßigung des Stroms und der Zusammensetzung der in das Einsatzgas zurückgeführten Restgasstrommenge ist es von Vorteil, wenn ein Zwischenspeicherbehälter in der Rückführleitung vorgesehen ist. Mittels dieser Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass die dem Druckwechsel-Adsorptionsverfahren zugeführte Einsatzgasmenge über die Zeit konstant ist. Der in das Einsatzgas zurückgeführte Mengenstrom kann auch ausschließlich durch eine Durchflussregelung konstant gehalten werden.to Equalization of Electricity and the composition of recycled in the feed gas residual gas flow It is advantageous if a buffer tank provided in the return line is. By means of this embodiment it can be ensured that the pressure swing adsorption process supplied Feed gas quantity over the time is constant. The recycled into the feed gas mass flow can also exclusively by a flow control are kept constant.

Die vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahrensweise schließt jedoch nicht aus, dass ggf. auch dann noch ein Restgasteilstrom in das Einsatzgas zurückgeführt wird, wenn der definierte Grenzwert bereits überschritten wurde.The above-described procedure according to the invention includes but not from that, if necessary, even then a residual gas partial stream is returned to the feed gas, if the defined limit has already been exceeded.

Im Regelfall wird der Einsatzgasstrom vor seiner Zuführung in den Druckwechsel-Adsorptionsprozess einer Verdichtung unterworfen. Dies ist erforderlich, da die Adsorption typischerweise bei einem Druck zwischen 2 und 30 bar erfolgt, der Einsatzgasstrom jedoch oftmals nur unter einem niedrigen Druck vorliegt. Häufig beginnt die Regenerierphase des Adsorbers bereits bei einem Druckniveau, das über dem Druck des unverdichteten Einsatzgasstrom liegt. Ein Restgas(teil)strom welcher in dieser Phase der Regenerierung in das Einsatzgas zurückgeführt werden soll, kann durch einfache Entspannung, ohne den Einsatz eines zusätzlichen Verdichters, zurückgeführt werden. Oftmals wird nur in dieser Phase Restgas zurückgeführt und somit das Ende der Rückführung nicht über die erreichte Konzentration der bevorzugten Komponente bestimmt, sondern über das Druckniveau beim Regenerieren.in the As a rule, the feed gas stream before its supply in the pressure swing adsorption process subject to compaction. This is necessary because the adsorption typically at a pressure between 2 and 30 bar, the However, feed gas stream is often only at a low pressure. Often the regeneration phase of the adsorber already starts at a pressure level, the above the pressure of the uncompressed feed gas flow is. A residual gas (part) stream which are recycled in this phase of regeneration in the feed gas should, by simple relaxation, without the use of an additional Compressor to be returned. Often, only in this phase residual gas is returned and thus the end of Repatriation does not have the achieved concentration of the preferred component, but on the pressure level when regenerating.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens ermöglicht nicht nur höhere Reinheiten und Ausbeuten bzgl. der bevorzugt adsorbierten Komponente, sondern auch in Einzelfällen eine Reduzierung des spezifischen Energieverbrauches, insbesondere im Teillastbetrieb des Gesamtsystems.The inventive method for decomposing an at least two-component gas mixture by means a pressure swing adsorption process not only allows higher purities and yields with respect to the preferred adsorbed component, but also in individual cases a reduction in specific energy consumption, in particular in partial load operation of the overall system.

Claims

Process for the decomposition of an at least two-component gas mixture (feed gas) by means of a pressure swing adsorption process, wherein at least one component of the feed gas is adsorbed during the adsorption phase and recovered during the regeneration phase, characterized in that the residual gas stream obtained during the regeneration phase and containing the preferably adsorbed component at least partially and at least as long is returned to the feed gas until the content of the preferred adsorbed component in the residual gas stream exceeds a defined value, a defined pressure level is reached during regeneration, a defined amount of the residual gas flow is returned or a defined time interval since the beginning of the regeneration phase has passed.

Method according to claim 1, characterized in that that the recycled in the feed gas residual gas (part) stream at least partially cached prior to its repatriation becomes.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the recycled in the feed gas residual gas (part) stream is compressed at least on the pressure of the feed gas.

Method according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that a return of the residual gas (part) stream at least until the content of the preferably adsorbed Component in the residual gas stream at least 99%, preferably at least 95%, in particular at least 80% of the required product concentration is.

Method according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the feed gas is a CO / H ₂ -, a H ₂ / CO ₂ -, a C ₂ H ₄ / C ₂ H ₆ - or a C ₃ H ₆ / C. ₃ H ₈ mixture or one of the components H ₂ , CO, CH ₄ , N ₂ , CO ₂ and H ₂ O or N ₂ , O ₂ , Ar and H ₂ O existing mixture and CO, CO ₂ , C ₂ H ₄ , C ₃ H ₆ or O _{2 represents} the preferred adsorbed component.

Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that even after exceeding the defined Value, after reaching the defined pressure level during regeneration, after reaching the defined amount of the residual gas stream or after Expiration of the defined time interval at least a partial stream of the while the regeneration phase obtained, the preferred adsorbed component containing residual gas stream into the feed gas.