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Hintergrund der Erfindung
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Der klassische Ansatz zur Herstellung von Distickstoffoxid (N2O) erfolgt über die Zersetzung von Ammoniumnitrat. Distickstoffoxid ist ein Nebenprodukt in Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure. Distickstoffoxid wird in großen Volumina auch als ein Nebenprodukt in der Synthese von Adipinsäure hergestellt; einer von zwei Reaktanten, die in der Nylonherstellung verwendet werden.
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Die Adipinsäure ist eine Dicarbonsäure, die in einem zweistufigen Verfahren hergestellt wird. Die erste Stufe der Herstellung beinhaltet gewöhnlich die Oxidation von Cyclohexan, um eine Mischung aus Cyclohexanon und Cyclohexanol zu bilden. Die zweite Stufe beinhaltet die Oxidation der Mischung mit Salpetersäure, um Adipinsäure herzustellen. Das Distickstoffoxid wird in der Salpetersäureoxidationsstufe als ein Nebenprodukt erzeugt.
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Auf der Grundlage von Experimenten wurde die Stöchiometrie der Gesamtreaktion für die N2O-Produktion bei der Herstellung von Adipinsäure auf etwa 0,3 kg N2O pro Kilogramm des Produkts berechnet.
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Mit einem solch großen Volumen kann das Nebenprodukt aus der Adipinsäuresynthese eine Hauptgeschäftsquelle für N2O werden. Die Gewinnung des N2O aus dem Abgasstrom von der Adipinsäuresynthese erfordert jedoch das Entfernen von verschiedenen Verunreinigungen; wie zum Beispiel höhere Stickoxide, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Feuchtigkeit und organische Verunreinigungen. Derzeitig wird aus Umweltschutzgründen vor der Freisetzung von dem Abgasstrom viel abgebaut.
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Der Arbeitsaufwand wurde entweder unternommen, um Distickstoffoxid für verschiedene Zwecke zu Gewinnen und zu Reinigen oder um Distickstoffoxid in Industrieabgasströmen aus Umweltschutzgründen zu verringern.
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Eine herkömmliche Anordnung und Verfahren zur Distickstoffoxidreinigung ist in dem
EP 0636576 A1 beschrieben. Insbesondere beginnt das Verfahren mit dem Verdichten eines Distickstoffoxidzufuhrgases in einem Verdichter, das Stickstoff, Sauerstoff und Wasser enthält. Ein Teil des wasserfreien Distickstoffoxidzufuhrgases wird einem Wärmeaustauscher zugeführt, wo es teilweise zu einer Gas-Flüssigkeits-Mischung kondensiert wird, welche dann in einer Rektifikationskolonne getrennt wird.
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Einer der Nachteile, der mit dem in diesem Dokument beschrieben Anordnung verbunden ist, ist, dass es komplex ist, weil es drei Wärmeaustauscher und zwei Rektifikationseinheiten umfasst. Darüber hinaus ist der eingesetzte Verdichter auf Grund der Schmieröle, die für seinen Betrieb benötigt werden, potentiell eine zusätzliche Kontaminationsquelle.
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Ein Verfahren zur Trennung von Distickstoffoxid aus Zufuhrströmen, die Mischungen davon mit Sauerstoff und Stickstoff enthalten, ist in dem
US Patent 6080226 beschrieben. In dem Verfahren wird der Zufuhrstrom, der Distickstoffoxid umfasst, durch ein Druckwechseladsorptions(PSA: Pressure swing adsorption)-verfahren gereinigt, welches eine zusätzliche Spülung mit einem sauerstoffarmen Strom verwendet, um einen hochreinen Distickstoffoxidstrom herzustellen. Das Distickstoffoxid wird selektiv adsorbiert und der erste Abstrom enthält folglich N
2 und O
2. Der hochreine Distickstoffoxidstrom kann in einen Adipinsäureherstellungskomplex inkorporiert werden, um Distickstoffoxid aus einem verdünnten Abfallstrom zu gewinnen und um das gewonnene Distickstoffoxid einem Verfahren zur Herstellung von Phenol aus einem aromatischen Kohlenwasserstoff zuzuführen. Nicht reagiertes Distickstoffoxid aus dem Phenolherstellungsschritt kann in einem zweiten Schritt, oder einem entlüfteten PSA-Schritt, gewonnen werden und mit der Gewinnung von Nebenproduktdistickstoffoxid aus Abfallströmen von der Adipinsäureherstellung zur Gewinnung des gesamten Distickstoffoxids kombiniert werden, wodurch die Distickstoffoxidemissionen bei der Adipinsäureherstellung signifikant verringert werden.
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Das
US Patent 6348083 B1 lehrt eine Anordnung und ein Verfahren zur Gewinnung und/oder Reinigung von zumindest einem Teil des Distickstoffoxids, welches in einem Abfallgas, das zumindest zu einem Teil Distickstoffoxid (N
2O) und mindestens eine andere gasförmige Verbindung enthält, enthalten ist. Das Verfahren lehrt außerdem, dass: (a) mindestens ein Distickstoffoxidanteil, der in dem Abgasfluss enthalten ist, durch Permeation getrennt wird, und (b) mindestens ein Teil von dem gasförmigen Distickstoffoxid, das in dem Schritt (a) getrennt wird, gewonnen wird. Vorzugsweise ist die Quelle für den Abfallgasfluss eine Industrieanlage, die ein industrielles Verfahren verwendet, welches das Abfallgas abgibt, vorzugsweise eine Anlage zur Herstellung von Adipinsäure, eine Anlage zur Herstellung von Distickstoffoxid, eine Anlage zur Herstellung von Glycoxylsäure oder eine Anlage zur Herstellung von Salpetersäure.
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Ein Nachteil, der mit der oben beschriebenen Anordnungen und anderen Anordnungen, die ähnliche Techniken verwenden, verbunden ist, ist, dass sie nicht in der Lage sind Kohlendioxidverunreinigungen zu entfernen. Es ist Fachleuten auf dem Gebiet der Reinigungstechnik gut bekannt, dass Kohlendioxid eine Verunreinigungen ist, die mit am schwersten aus einem Distickstoffoxid-haltigen Gas zu entfernen ist.
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Zusätzlich sind, obwohl sie zum Entfernen von Stickstoff-, Sauerstoff-, Wasserstoff-, Kohlenmonoxid- und Wasserverunreinigungen nützlich sind, die oben beschriebenen Anordnungen und andere Anordnungen, die ähnliche Techniken verwenden, nicht in der Lage andere Verunreinigungen, wie zum Beispiel Ammoniak, und Methan zu entfernen.
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Das
US Patent 6,370,911 B1 stellt eine Anordnung und Verfahren zur Distickstoffoxidreinigung bereit, wobei das Distickstoffoxidprodukt bei der Halbleiterherstellung verwendet werden kann. Die Anordnung und Verfahren beinhalten eine erste Unteranordnung, die einen Reinigungstank zur Aufbewahrung von verflüssigtem Distickstoffoxid; einen Evaporator, der mit dem Reinigungstank in Verbindung steht, um einen Distickstoffoxiddampf aufzunehmen, zu verdampfen und zu dem Reinigungstank zurückzuleiten; eine Destillationskolonne, die an einem distalen Ende des Reinigungstanks angeordnet ist, um einen Distickstoffoxiddampf aufzunehmen; und einen Kondensator aufweist, der auf der Destillationskolonne angeordnet ist, wobei leichte Verunreinigungen entfernt werden und ein Distickstoffoxid, das frei von leichten Verunreinigungen ist, dem besagten Evaporator zugeführt und in dem besagten Evaporator zu Dampf konvertiert wird. Eine zweite Unteranordnung, die ein erstes Trockenbettgefäß, das stromabwärts von dem Evaporator angeordnet ist, um den Dampf aufzunehmen und die Essigsäure darin umzusetzen; und ein zweites Trockenbettgefäß aufweist, das stromabwärts von dem besagten ersten Trockenbettgefäß angeordnet ist, um Wasser und Ammoniak aus dem Dampf zu entfernen. Eine dritte Unteranordnung, die einen Produkttank, wobei der gereinigte Distickstoffoxiddampf rekondensiert wird; und ein Transferanschlussstück aufweist, das eine Flüssigkeitspumpe, einen Flüssigkeitsfilter und eine Nebenleitung zur Verteilung des gereinigten Distickstoffoxids auf Aufbewahrungsgefäße umfasst. Die Erfindung ermöglicht das Entfernen von Verunreinigungen und Partikeln, sodass ein ultrareines Distickstoffoxidprodukt, das eine Reinheit von 99,9998% oder höher hat, zu einer Verwendungsstelle geliefert werden kann.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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In der vorliegenden Erfindung wird ein neues N2O-Herstellungsschema zur Reinigung eines Abgasstroms oder eines Abfallgasflusses, die Distickstoffoxid enthalten, bereitgestellt, wobei die Kombination aus einem Nasswäscheabsorptionsverfahren, einem Adsorptionsverfahren und einem Entspannungstrommelverfahren und/oder einem kryogenen Destillationsverfahren mit Rückfluss verwendet wird. Die Erfindung ist zur Herstellung von verschiedenen Distickstoffoxid-Reinheitsgradniveaus für verschiedene Nutzungszwecke geeignet.
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In einem Aspekt stellt die Erfindung eine Anordnung zur Reinigung von N2O und/oder zur Herstellung von verschiedenen Reinheitsgraden von N2O bereit. Das gereinigte N2O wird durch die Verarbeitung eines Gasstroms erhalten, der N2O und Verunreinigungen, die leichte und schwere Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Wasser und organische Verbindungen umfassen, enthält. Die Anordnung umfasst:
eine Nasswäscheabsorptionseinheit zum Entfernen von schweren Verunreinigungen aus dem Gasstrom;
einen Verdichter, der mindestens eine Verdichtungsstufe für die Verdichtung des gewaschenen Gasstroms auf einen vorgegeben Druck hat;
eine Kühl- und Trocknungseinheit zum Entfernen von Feuchtigkeit oder Wasser aus dem verdichteten Gasstrom;
eine Adsorptionseinheit zur Aufnahme des Gasstroms aus der Kühl- und Trocknungseinheit und zum Entfernen von schweren Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Wasser und organischen Verbindungen aus dem Gasstrom;
einen Puffertank zum Speichern des Gasstroms aus der Adsorptionseinheit;
eine Verflüssigungseinheit zur Aufnahme des Gasstroms aus dem Puffertank und zur teilweisen Verflüssigung des Gasstroms, um ein Gasgemisch und ein Flüssigkeitsgemisch zu bilden, wobei das Gasgemisch N2O und nicht kondensierendes Gas enthält;
einen Freisetzer (Engl.: releaser) zum Freisetzten des Gasgemischs zurück zur der Adsorptionseinheit und für die Zuführung des Flüssigkeitsgemischs zu einer Trennungseinheit;
eine Trennungseinheit zur Aufnahme des Flüssigkeitsgemischs aus dem Freisetzer; zum Entfernen der leichten Verunreinigungen und organischen Verbindungen aus dem Flüssigkeitsgemisch durch Verdampfen; zum Freisetzten eines Dampfphasengases, das N2O und nicht kondensierendes Gas enthält, zurück zu dem Verdichter; und zum Erzeugen von gereinigtem flüssigen N2O; und
einen Tank zur Aufbewahrung und Verteilung des gereinigten flüssigen N2O.
wobei
die Nasswäscheabsorptionseinheit vorzugsweise eine Laugenwäscheeinheit, eine Säurewäscheeinheit, eine Wasserwäscheeinheit oder Kombinationen davon umfasst; und
die Trennungseinheit vorzugsweise mindestens eine Entspannungstrommel, mindestens eine Destillationskolonne mit Rückfluss oder Kombinationen davon umfasst.
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In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Anordnung zur Reinigung von N2O und/oder zur Herstellung von verschiedenen Reinheitsgraden von N2O bereit. Das gereinigte N2O wird durch die Verarbeitung eines Gasstroms erhalten, der N2O und Verunreinigungen, die leichte und schwere Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Wasser und organische Verbindungen umfassen, enthält. Die Anordnung umfasst:
einen Verdichter, der mindestens eine Verdichtungsstufe für die Verdichtung des Gasstroms auf einen vorgegeben Druck hat;
eine Kühl- und Trocknungseinheit zum Entfernen von Feuchtigkeit oder Wasser aus dem verdichteten Gasstrom;
eine Adsorptionseinheit zur Aufnahme des Gasstroms aus der Kühl- und Trocknungseinheit und zum Entfernen von schweren Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Wasser und organischen Verbindungen aus dem Gasstrom;
einen Puffertank zum Speichern des Gasstroms aus der Adsorptionseinheit;
eine Verflüssigungseinheit zur Aufnahme des Gasstroms aus dem Puffertank und zur teilweisen Verflüssigung des Gasstroms, um ein Gasgemisch und ein Flüssigkeitsgemisch zu bilden, wobei das Gasgemisch N2O und nicht kondensierendes Gas enthält;
einen Freisetzer (Engl.: releaser) zum Freisetzen des Gasgemischs zurück zu der Adsorptionseinheit und für die Zuführung des Flüssigkeitsgemischs zu einer Trennungseinheit;
eine Trennungseinheit zur Aufnahme des Flüssigkeitsgemischs aus dem Freisetzer; zum Entfernen der leichten Verunreinigungen und organischen Verbindungen aus dem Flüssigkeitsgemisch durch Verdampfen; zum
Freisetzen eines Dampfphasengases, das N2O und nicht kondensierendes Gas enthält, zurück zu dem Verdichter; und zum Erzeugen von gereinigtem flüssigen N2O; und
einen Tank zur Aufbewahrung und Verteilung des gereinigten flüssigen N2O;
wobei die Trennungseinheit vorzugsweise mindestens eine Entspannungstrommel, mindestens eine Destillationskolonne mit Rückfluss oder Kombinationen davon umfasst.
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In noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung und Reinigung von Distickstoffoxid (N2O) bereit, umfassend:
Bereitstellen eines Gasstroms, der N2O und Verunreinigungen umfasst, die leichte und schwere Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Wasser und organische Verbindungen umfassen;
Entfernen der schweren Verunreinigungen aus dem Gasstrom mittels Nasswäscheabsorption;
Verdichten des gewaschenen Gasstroms auf einen vorgegebenen Druck, wobei ein Verdichter verwendet wird, der mindestens eine Verdichtungsstufe hat;
Entfernen der Feuchtigkeit oder des Wassers aus dem verdichteten Gasstrom durch eine Kühl- und Trocknungseinheit;
Weiterführen des Gasstroms aus der Kühl- und Trocknungseinheit zu und durch eine Adsorptionseinheit, um die schweren Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Wasser und organischen Verbindungen aus dem Gasstrom zu entfernen;
teilweises Verflüssigen des Gasstroms, nachdem er durch die Adsorptionseinheit geleitet wurde, um ein Gasgemisch und ein Flüssigkeitsgemisch zu erhalten, wobei das Gasgemisch N2O und nicht kondensierendes Gas enthält;
Freisetzten des Gasgemischs zurück zu der Adsorptionseinheit;
Zuleiten des Flüssigkeitsgemischs zu einer Trennungseinheit, die durch Verdampfen leichte Verunreinigungen und organische Verbindungen aus dem Flüssigkeitsgemisch entfernt, wodurch gereinigtes flüssiges N2O und ein Dampfphasengas, das N2O und nicht kondensierendes Gas enthält, erzeugt werden;
Freisetzen des Dampfphasengases, das N2O und nicht kondensierendes Gas enthält, zurück zu dem Verdichter; und
Zuleiten des gereinigten flüssigen N2O zu einem Tank für die Aufbewahrung und Verteilung;
wobei die Nasswäscheabsorptionseinheit vorzugsweise die schweren Verunreinigungen auf Niveaus von unter 500 ppm entfernt.
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In noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung und Reinigung von Distickstoffoxid (N2O) bereit, umfassend:
Bereitstellen eines Gasstroms, der N2O und Verunreinigungen umfasst, die leichte und schwere Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Wasser und organische Verbindungen umfassen;
Verdichten des Gasstroms auf einen vorgegebenen Druck, wobei ein Verdichter verwendet wird, der mindestens eine Verdichtungsstufe hat;
Entfernen der Feuchtigkeit oder des Wassers aus dem verdichteten Gasstrom, wobei eine Kühl- und Trocknungseinheit verwendet wird;
Weiterführen des Gasstroms aus der Kühl- und Trocknungseinheit zu und durch eine Adsorptionseinheit, um die schweren Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder Wasser und organischen Verbindungen aus dem Gasstrom zu entfernen;
teilweises Verflüssigen des Gasstroms, nachdem er durch die Adsorptionseinheit geleitet wurde, um ein Gasgemisch und ein Flüssigkeitsgemisch zu erhalten, wobei das Gasgemisch N2O und nicht kondensierendes Gas enthält;
Freisetzen des Gasgemischs zurück zu der Adsorptionseinheit;
Zuleiten des Flüssigkeitsgemischs zu einer Trennungseinheit, die durch Verdampfen leichte Verunreinigungen und organische Verbindungen aus dem Flüssigkeitsgemisch entfernt, wodurch gereinigtes flüssiges N2O und ein Dampfphasengas, das N2O und nicht kondensierendes Gas enthält, erzeugt werden;
Freisetzen des Dampfphasengases, das N2O und nicht kondensierendes Gas enthält, zurück zu dem Verdichter;
Zuleiten des gereinigten flüssigen N2O zu einem Tank für die Aufbewahrung und Verteilung.
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Der Gasstrom kann 5,0 bis 99,9 Vol.-%; vorzugsweise 25,0 bis 60,0 Vol.-% N2O enthalten. Der Reinheitsgrad des gereinigten N2O reicht vorzugsweise von 99,9% bis 99,9999% Reinheit.
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Die leichten Verunreinigungen werden vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus N2, O2, NO, CO, Ar, H2, Methan, C2-Verbindungen und Kombinationen davon. Die schweren Verunreinigungen werden vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus CO2, NO2, CO, H2O, C2+-Verbindungen und Kombinationen davon. Die organische(n) Verbindung(en) wird(werden) vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Methan, C2+-Verbindungen, C2-Verbindungen und Kombinationen davon. Das nicht kondensierende Gas wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ar, N2, O2, CO, NO, Methan und Kombinationen davon.
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Das Gasgemisch, das zurück zu der Adsorptionseinheit freigesetzt wird, wird vorzugsweise verwendet, um die Adsorptionseinheit zu regenerieren. Die Adsorptionseinheit umfasst vorzugsweise mindestens zwei parallele Adsorptionsbetten, wobei jedes Bett mindestens eine Schicht aus Adsorptionsmitteln umfasst und wobei die zwei parallelen Adsorptionsbetten abwechselnd in einem kontinuierlichen Wechselbetrieb verwendet werden (Engl.: alternately used in continuous swing Operation). Die Trennungseinheit umfasst vorzugsweise mindestens eine Entspannungstrommel, mindestens eine Destillationskolonne oder Kombinationen davon.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den begleitenden Figuren, die einen materiellen Bestandteil dieser Beschreibung darstellen, zeigt:
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die 1 ein schematisches Diagramm von einer Anordnung zur Gewinnung und Reinigung von N2O aus einem Abgasstrom, der N2O enthält;
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die 2(a) ein Phasendiagramm von N2O und CO2 bei 1,0 MPa; und
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die 2(b) ein Phasendiagramm von N2O und CO2 bei 2,5 MPa.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Diese Erfindung ist auf die Gewinnung und Reinigung von Distickstoffoxid (N2O) aus einem N2O-haltigen Gasstrom gerichtet, um verschiedene Reinheitsgrade von Distickstoffoxid herzustellen. Die Quelle des Gasstroms kann aus irgendeinem Verfahren stammen, wie zum Beispiel aus einem industriellen Verfahren. Ein gutes Beispiel für ein industrielles Verfahren ist der Abgasstrom von der Adipinsäureherstellung.
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Die Quelle des Gasstroms enthält 5,0 bis 99,9 Vol.-% Distickstoffoxid, vorzugsweise 20 bis 70,0 Vol.-% Distickstoffoxid und besonders vorzugsweise 25,0 bis 60,0 Vol.-% Distickstoffoxid.
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Der Abgasstrom von einer Adipinsäureherstellungsanlage, die Salpetersäure aus Oxidationsmittel verwendet, enthält gewöhnlich 28,0–55,0 Vol.-% Distickstoffoxid.
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Die Hauptverunreinigungen, die in dem N2O-angereicherten Strom vorliegen können, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, N2, O2, H2, Ar, NOx (NO und NO2), CO, CO2, Feuchtigkeit, Methan und andere organische Spurenverbindungen.
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Die schweren Verunreinigungen haben typischerweise Siedepunkte, die gleich oder höher dem Siedepunkt des N2O sind. Die leichten Verunreinigungen haben Siedepunkte, die niedriger als der Siedepunkt des N2O sind.
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Die leichten Verunreinigungen können, sind aber nicht darauf beschränkt, N2, O2, NO, CO, Ar und H2 umfassen. Die schweren Verunreinigungen können, sind aber nicht darauf beschränkt, CO2, NO2 und H2O umfassen. Die organischen Verbindungen können, sind aber nicht darauf beschränkt, C2+-Verbindungen, CH4-Verbindungen und C2-Verbindungen umfassen. Allgemein gehören Methan und die C2-Verbindungen zu den leichten Verunreinigungen, während die C2+-Verbindungen zu den schweren Verunreinigungen gehören.
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Die 1 ist eine schematische Darstellung von einer Anordnung zur Gewinnung und Reinigung von N2O in Übereinstimmung mit den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung zur Gewinnung und Reinigung von Distickstoffoxid umfasst neun Einheiten. Das Zufuhrgas zu der Anordnung wird als „Abgasstrom” bezeichnet, weil es der Abgasstrom von einem weiteren Verfahren ist, wie zum Beispiel ein Abgasstrom aus einer Anlage zur Adipinsäureherstellung.
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Die Einheiten 2, 3 und 4 in der 1 sind eine Nasswäscheabsorptionseinheit, eine Verdichtereinheit beziehungsweise eine Kühl- und Trocknungseinheit. Diese drei Einheiten dienen vornehmlich dazu, die schweren Verunreinigungen und Feuchtigkeit aus dem Abgasstrom 1 zu entfernen. Die schweren Verunreinigungen können durch Nasswäsche entfernt werden; und die Feuchtigkeit kann durch die Kühl- und Trocknungseinheit entfernt werden, nachdem der Druck des Stroms erhöht worden ist.
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Die Einheiten 5 und 6 in der 1 sind eine Adsorptionseinheit beziehungsweise ein Puffertank. Die Adsorptionseinheit 5 fungiert dazu die schweren Verunreinigungen, Feuchtigkeit und organische Verbindungen aus dem Gasstrom, hinab bis auf Spurenniveau, zu entfernen. Der Gasstrom aus der Adsorptionseinheit 5 wird in dem Puffertank 6 aufbewahrt.
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Die Einheit 7 in der 1 ist eine Verflüssigungseinheit, die fungiert, um den Verfahrensstrom aus dem Puffertank 6 teilweise zu verflüssigen, sodass er ein Gasgemisch und ein Flüssigkeitsgemisch bildet, wobei das Gasgemisch N2O-Gas und nicht kondensierendes Gas enthält. Die Einheit 8 ist eine Freisetzereinheit 8, die das Gasgemisch zurück zu der Adsorptionseinheit 5 freisetzt. Dieses Gasgemisch, das zurück freigesetzt wird, wird in der Adsorptionseinheit 5 als ein Regenerationsgasstrom verwendet. Die Freisetzereinheit 8 führt das Flüssigkeitsgemisch auch einer Trennungseinheit 9 (hierin auch als Destillationseinheit 9 bezeichnet) zu.
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Das nicht kondensierende Gas kann, ist aber nicht darauf beschränkt, Ar, N2, O2, CO3 NO und Methan umfassen. Folglich werden diese Verunreinigungen in dem Gasstrom aus dem Gasstrom entfernt, indem sie als Teil des nicht kondensierenden Gases freigesetzt werden.
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Die Trennungseinheit 9 in der 1 umfasst mindestens eine Entspannungstrommel, mindestens eine Destillationskolonne mit Rückfluss oder Kombinationen aus einer oder mehreren Entspannungstrommeln und einer oder mehreren Destillationskolonnen mit Rückfluss. Die Einheit 9 entfernt durch Verdampfen oder Destillation die leichten Verunreinigungen, um Distickstoffoxid herzustellen, das die vordefinierte Reinheit hat. Die Einheit 9 setzt frei oder recycelt ein Dampfphasengas, das N2O und nicht kondensierendes Gas enthält, zu der Verdichtereinheit 3.
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Die Einheit 10 in der 1 ist ein Aufbewahrungstank, der das endgültige gereinigte Distickstoffoxid mit verschiedenen Reinheitsgraden aus der Trennungseinheit 9 aufbewahrt und verteilt.
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In dieser Anordnung werden schwere Verunreinigungen, wie zum Beispiel NO2 und CO2, durch die Verwendung einer Kombination der Absorption von Laugen- und Wassernasswäschern in der Nasswäscheabsorptionseinheit 2; und der Adsorption von der Adsorptionseinheit 5 entfernt. NO2 und CO2 können entfernt werden, indem die Adsorptionseinheit 5 alleine verwendet wird.
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Die molekulare Masse von Kohlendioxid ist fast dieselbe wie die von Distickstoffoxid (CO2: 44,01 und N2O: 44,01). Der Unterschied in den Siedepunkten ist nur 1,86°C (N2O: –38,27°C und CO2: –40,13°C) bei 1,0 MPa (1 MPa = 106 Pa). Es ist schwierig und nicht effektiv durch Destillation CO2 von N2O zu trennen. Die CO2-Konzentrationsniveaus in dem Endprodukt sollten durch die Nasswäsche- und Adsorptionsverfahren, zusammen mit dem Entfernen von anderen schweren Verunreinigungen wie NO2, gesteuert werden.
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Auf Grund dessen, dass der Siedepunkt von CO und NO geringer ist als der von Distickstoffoxid, werden die leichten Verunreinigungen CO und NO durch die Kombination aus der Verflüssigungseinheit 7 und der Freisetzereinheit 8 als Teil der nicht kondensierenden Gase entfernt. Sie können darüber hinaus mittels Entspannungsdestillation (Engl.: flash distillation) oder kontinuierlicher Destillation mit Rückfluss auf Spurenniveau reguliert werden, was mit dem Entfernen von Methan, Argon, Sauerstoff und Stickstoff einhergeht.
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Die Entspannungsdestillation ist ein einstufiges kontinuierliches Verfahren, in dem ein Flüssigkeitsgemisch teilweise verdampft wird: der produzierte Dampf und die verbleibende Flüssigkeit befinden sich im Gleichgewicht, welche dann getrennt und entfernt werden. Die Zufuhr wird, bevor sie in die Entspannungstrommel eintritt, vorgewärmt. Von daher kann ein Teil der Zufuhr verdampfen. Die erwärmte Mischung fließt dann durch ein Druckreduzierungsventil zu der Entspannungstrommel, und es findet die Trennung zwischen dem Dampf und der Flüssigkeit statt.
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Die Entspannungsdestillation wird am meisten für die Trennung von Bestandteilen verwendet, die bei sehr unterschiedlichen Temperaturen sieden. Sie ist nicht für die Trennung von Bestandteilen mit vergleichbaren Flüchtigkeiten oder auf Spurenniveaus effektiv, was die Verwendung einer kontinuierlichen Destillation mit Rückfluss erfordert.
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Für hohe Konzentrationen an Kohlenmonoxid (CO) kann eine katalytische Konversion von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid über einem Katalysator eingesetzt werden, wobei Sauerstoff, der in dem Gasstrom vorhanden ist, mit CO reagiert, um zusätzliches CO2 zu bilden. Dann wird das hergestellte CO2 mittels Laugen- und Wassernasswäschern entfernt.
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Für hohe Konzentrationen an NO und NO2 kann vor dem Nasswäscheverfahren Ozon eingeführt werden. Das Ozon oxidiert unlösliches NO und NO2 schnell zu löslichen oxidierten Verbindungen, wie zum Beispiel N2O5. Das Ozon kann vor Ort und nach Bedarf hergestellt werden, indem Sauerstoff durch einen Ozongenerator geführt wird.
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In dem Gasstrom können organische Verbindungen vorhanden sein, die aus der Herstellungsanlage oder einem Verdichter (Schmieröl) stammen können. In der vorliegenden Anordnung können die organischen C2+-Verbindungen (C2+ meint organische Verbindungen, die eine Kohlenstoffanzahl von mehr als zwei haben) durch die Adsorption in der Adsorptionseinheit 5 hinab bis auf Spurenniveau entfernt werden. Spuren von CH4 und C2 (C2 meint organische Verbindungen, die eine Kohlenstoffanzahl von zwei haben) können durch Entspannungsdestillation oder kontinuierliche Destillation mit Rückfluss in der Einheit 9 zusammen mit anderen leichten Verunreinigungen entfernt werden.
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Die vorliegende Erfindung entfernt den Großteil der schweren Verunreinigungen, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, den Großteil des CO2 und NO2, durch Nasswäsche in der Nasswäscheabsorptionseinheit 2, und sie entfernt die verbleibenden schweren Verunreinigungen in den Produkten hinab bis auf Spurenniveau durch die Adsorption in der Adsorptionseinheit 5. Der Großteil des Ar, N2 und O2 in dem N2O-angereicherten Strom kann durch den Freisetzer 8 nach einer teilweisen Verflüssigung des Stroms als nicht kondensierende Gase abgetrennt werden. Dann wird die Entspannungstrommel oder Destillationskolonne mit Rückfluss verwendet, um den Strom weiter zu reinigen und die Konzentration der leichten Verunreinigungen, wie zum Beispiel die Konzentration von CO, NO, Ar, CH4, N2 und O2, in dem Strom weiter hinab bis auf Niveaus zu verringern, die erforderlich sind, um die erlaubte Grenzmenge, entsprechend den Produktbeschreibungen, zu erfüllen.
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Die Anordnung bietet die Flexibilität verschiedene Reinheitsgrade an N2O herzustellen, wie zum Beispiel Industriegrad, Medizingrad und Elektronikgrad, wobei die Reinheit von 90% bis 99,999+% reicht, um die verschiedenen Bedürfnisse der verschiedenen Verbraucher zu erfüllen.
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Das beispielhafte Verfahren, welches die Anordnung zur Gewinnung und Reinigung von N2O, die in der 1 gezeigt ist, verwendet, wird unten nun im Detail beschrieben.
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Der N2O-angereicherte Gasstrom 1 wird der Nasswäscheabsorptionseinheit 2 zugeführt, um den Großteil des NO2 und CO2 zu entfernen. Die Nasswäscheeinheit kann einen Laugenwäscher, eine Säurewäscheeinheit, einen Wasserwäscher oder Kombinationen davon in Serien umfassen. Das NO2 und CO2 werden am Auslass der Nasswäscheeinheit 2 auf vorgegebene Werte eingestellt werden, zum Beispiel auf weniger als 500 ppm (ppm meint 10–6 bezogen auf das Volumen).
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Nachdem die Wassertropfen aus dem Gasstrom entfernt worden sind, wird eine einstufige oder mehrstufige Verdichtereinheit 3 verwendet, um den Druck des Gasstroms auf einen vorgegebenen Druck zu erhöhen.
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Der erhöhte Druck ist für das offenbarte Verfahren erforderlich. Wenn der Druck des hineinkommenden Gases niedrig ist, dann muss der Druck, bevor der Gasstrom in die Adsorptionseinheit 5 eintritt, erhöht werden. Der verdichtete Druck des Gasstroms wird hauptsächlich durch die Druckanforderung an das Produkt und den Druckabfall über das gesamte Herstellungsverfahren bestimmt.
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Zum Beispiel ist der Einlassdruck des Abgasstroms aus dem Adipinsäureherstellungsverfahren gewöhnlich etwa 0,12 bis 0,20 MPa. Der Druck muss auf 2,0 bis 5,0 MPa, vorzugsweise 2,0 bis 4,0 MPa, besonders vorzugsweise 3,0 bis 4,0 MPa erhöht werden, bevor der Gasstrom in die Adsorptionseinheit 5 eintritt.
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Der Sättigungsdruck für Distickstoffoxid N2O ist bei einer Temperatur von –20°C 1,801 MPa. Der Arbeitsdruck sollte über 3,602 MPa sein, um N2O bei –20°C zu verflüssigen, wenn das inerte Gas (nicht kondensierendes Gas, wie zum Beispiel Argon, Stickstoff und Sauerstoff) etwa 50,0% des Gesamtgasgemischs ausmacht. Der Druckabfall, der sich über die verschiedenen Arbeitseinheiten erstreckt, sollte auch berücksichtigt werden.
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Der Gasstrom wird mit einem weiteren Strom (Dampf), der von der Einheit 9 kommt, am Einlass der zweiten Stufe der Verdichtereinheit 3 (in den Fällen, in denen der Verdichter mindestens zwei Stufen hat) gemischt. Der gemischte Gasstrom durchläuft dann die Kühl- und Trocknungseinheit 4. Die Einheit 4 erniedrigt dann die Temperatur weiter und entfernt kondensiertes Wasser oder Nebel.
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Die Adsorptionseinheit 5 umfasst mindestens zwei Adsorptionsbetten. Die ein- oder mehrschichtigen Betten können mit verschiedenen Arten von Adsorptionsmitteln gepackt sein, wie zum Beispiel Aktivkohle, Aktivtonerde und einem 13X Molekularsieb. Die Adsorptionseinheit 5 entfernt Feuchtigkeit, CO2 und NO2 auf ein erforderliches Niveau und sie entfernt organische Spurenverbindungen (wie zum Beispiel jene, die aus dem Abgasstrom oder dem Verdichterschmiermittel stammen).
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Die Adsorptionseinheit kann auch verwendet werden, um Spuren von C2+-Kohlenwasserstoffen zu entfernen.
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In der Praxis kann aus Sicherheitsgründen ein anorganisches Molekularsieb anstelle von Aktivkohle verwendet werden, um die organischen Spurenverbindungen zu entfernen. Zusätzlich können für einen kontinuierlichen Betrieb zwei parallele Adsorptionsbetten abwechselnd verwendet werden: sodass, während das eine Adsorption betreibt, das andere regeneriert wird. Das Adsorptionsverfahren ist ein entscheidender Schritt, um die Konzentrationen von CO2 und NO2 hinunter auf die für das Endprodukt erforderlichen Werte zu verringern.
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Der Gasstrom aus der Einheit 5 wird dann in einem Puffertank 6 aufbewahrt.
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Bei vorgegebenen Druck und Temperatur verflüssigt der Verflüssiger in der Verflüssigungseinheit 7 den Gasstrom aus der Einheit 6 teilweise. Der zweiphasige Flüssigkeitsstrom aus der Verflüssigungseinheit 7, der sowohl Gas als auch Flüssigkeit enthält, wird der Freisetzereinheit 8 zugeführt.
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Die Einheit 8 trennt das nicht kondensierende Gas, hauptsächlich Argon, Stickstoff und Sauerstoff mit Spuren von CO, NO und Methan, ab. Das nicht kondensierende Gas wird dann zurück an die Adsorptionseinheit 5 geleitet (oder es wird freigesetzt), um die verbrauchten Adsorptionsbetten zu regenerieren (Spülen und Abkühlen). Das Flüssigkeitsgemisch aus dem Boden der Freisetzereinheit 8 wird der Trennungseinheit 9 zugeführt, die die Entspannungstrommel und/oder die Destillationskolonne mit Rückfluss umfasst.
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Die leichten Kohlenwasserstoffe, die Methan und/oder C2-Verbindungen umfassen und die durch Adsorption schwer vollständig zu entfernen sind, können durch Entspannungsdestillation zusammen mit anderen leichten Verunreinigungen, wie zum Beispiel CO und NO, in der Einheit 9 entfernt werden.
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Es wird ein Dampf, der über 90 Vol.-% N2O und nicht kondensierendes Gas enthält, aus der Einheit 9 zurück zu der zweiten Stufe des Verdichters 3 geleitet (oder recycelt). Die flüssige Phase vom Boden der Einheit 9, welche das gereinigte flüssige N2O ist, wird für die Aufbewahrung oder Verteilung an die Einheit 10 geleitet.
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Es können zur Energierückgewinnung und zur Kühlung oder Erwärmung des Gasstroms in dem Verfahren einige Wärmetauscher und Mischer (in der 1 nicht gezeigt) vorhanden sein. Der Gasstrom aus jeder Stufe des Verdichters kann mit Kühlwasser oder mit anderen gekühlten Medien gekühlt werden; die Verdichter in sowohl der Kühl- und Trocknungseinheit als auch in der Verflüssigungseinheit können auch mit Kühlwasser oder anderen gekühlten Medien gekühlt werden. Das nicht kondensierende Gas und die Flüssigkeit aus der Freisetzereinheit 8 und der Einheit 9 können in dem Verfahren mit dem Gasstrom Wärme austauschen.
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Der Zweck für den Wärmeaustausch zwischen dem Flüssigkeitsgemisch aus der Freisetzereinheit 8 und dem Gasstrom aus der Adsorptionseinheit 5 ist, die Temperatur des Flüssigkeitsgemischs, das der Einheit 9 zugeführt wird, zu erhöhen und die Temperatur des Gasstroms für die Verflüssigung zu erniedrigen. Nach dem Wärmeaustausch wird der Gasstrom in dem Puffertank 6 aufbewahrt und durch die Kühlanlage in der Einheit 7 verflüssigt. Die Temperatur des Flüssigkeitsgemischs nach diesem Wärmeaustausch ist ein entscheidender Parameter, um das Niveau der leichten Verunreinigungen in dem Produkt zu bedingen. Wie viel von den leichten Verunreinigungen mit dem Dampf entfernt wird (und wie viel in der Flüssigkeit zurückbleibt) hängt vom Zustand der Zufuhr zu der Einheit 9 ab, d. h. wie viel von der Zufuhr im Dampfstadium eintritt, was wiederum durch die Heizmenge gesteuert wird. Mit anderen Worten, der Verdampfungsgrad beeinflusst die Konzentration (Verteilung) von leichten Verunreinigungen in der Dampfphase und der flüssigen Phase.
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Als ein Beispiel wird nun ein Verfahren zum Erhalten eines Distickstoffoxidprodukts mit 99,9% Reinheit im Detail beschrieben werden.
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Der N2O-haltige Abgasstrom mit einem Druck von 0,15 MPa wird einem Laugennasswäscher zugeführt, um den Großteil an NO2 und CO2 zu entfernen. Dann wird ein Wasserwäscher verwendet, um die Laugentröpfchen aus dem Gasstrom zu entfernen. Der Druckabfall über die zwei Nasswäscher ist etwa 0,05 MPa. Als Kontrollparameter sollen die Niveaus von NO2 und CO2 nach dem Waschverfahren in dem Gasstrom weniger als 500,0 ppm sein. Es werden Pumpen verwendet, um die Laugenlösung beziehungsweise das Wasser dem oberen Teil der Wäscher zuzuführen.
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Nach der Abtrennung der Laugentröpfchen wird der Gasstrom einem zweistufigen Verdichter zugeführt, der den Druck des Stroms von 0,10 MPa auf 1,0 MPa (erste Stufe) und auf 3,04 MPa (zweite Stufe) erhöht. Es wird Wasser wird als ein Kühlmittel zum Abkühlen des verdichteten Gasstroms von 139,2°C auf 38,0°C verwendet. Zwischen den ersten und zweiten Stufen wird der Gasstrom mit Dampf (95,6 Vol.-% N2O mit einem Druck von 1,0 MPa und einer Temperatur von –39,7°C) gemischt, der aus der Trennungseinheit 9 zurück freigesetzt wurde.
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Die Kühl- und Trocknungseinheit wird dann verwendet, um das Gas auf 10°C zu kühlen und das kondensierte Wasser zu entfernen.
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Dann wird ein Wärmetauscher verwendet, um die Temperatur des Gasstroms durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Gasstrom und dem nicht kondensierenden Gas aus der Freisetzereinheit 8 (32,6 Vol.-% N2O mit einem Druck von 1,1 MPa und einer Temperatur von –66,1°C) weiter auf –1,0°C zu erniedrigen. Nach dem Wärmeaustausch wird das nicht kondensierende Gas für die Regeneration der verbrauchten Adsorptionsbetten (Spülung, Regeneration, Erwärmen und Kühlen) in der Adsorptionseinheit 5 verwendet. Ein Teil des Gasstroms, der in dem Puffertank 6 aufbewahrt wird, wird verwendet, um die verbrauchten Adsorptionsbetten für den nächsten Zyklus wieder unter Druck zu setzen.
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Die Adsorptionseinheit verwendet zum Entfernen von organischen Verbindungen (C2+), Feuchtigkeit, Kohlendioxid beziehungsweise Stickstoffdioxid, zwei parallele Adsorptionsbetten, welche mehrschichtige Betten sind, die mit Aktivkohle, Aktivtonerde und einem 13X Molekularsieb gepackt sind. Die entscheidenden Parameter für den Gasstrom aus dem Adsorptionsbett sind, dass die Konzentration des CO2 weniger als 1,0 ppm und die Konzentration des NO2 weniger als 0,5 ppm ist. Die zwei parallel Adsorptionsbetten werden im Wechselbetrieb betrieben, sodass, während das eine Adsorption betreibt, das andere regeneriert wird.
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Der Gasstrom aus dem Adsorptionsbett mit –1°C wird einem weiteren Wärmeaustauscher zugeführt, wobei der Gasstrom den Wärmeaustausch mit der gesättigten Flüssigkeit aus dem Boden der Freisetzereinheit 8 durchmacht, um die Temperatur der besagten Flüssigkeit auf einen vorgegebenen Wert (von –66,4°C auf –39,7°C) für die Entspannungsverdampfung in der Trennungseinheit 9 zu erwärmen und zu erhöhen.
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Die Flüssigkeitstemperatur (oder der Druck) ist für den erfolgreichen Betrieb der Entspannungstrommel entscheidend. Nach dem oben erwähnten Wärmeaustausch wird der Gasstrom aus dem Adsorptionsbett mit einer Temperatur von –29,2°C in dem Puffertank 6 aufbewahrt. Der Gasstrom aus dem Puffertank 6 wird dann an die Verflüssigungseinheit 7 geleitet und teilweise durch die Kühlanlage in der Verflüssigungseinheit 7 verflüssigt.
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Der zweiphasige Flüssigkeitsstrom aus der Verflüssigungseinheit 7 wird der Freisetzereinheit 8 zugeführt, um das nicht kondensierende Gas, hauptsächlich Stickstoff, Argon und Sauerstoff mit Spuren von CC, NO und organischen Verbindungen, wie zum Beispiel Methan, abzutrennen und zu entfernen. Das nicht kondensierende Gas wird der Adsorptionseinheit zugeführt, nachdem es für die Abkühlung des Gasstroms zu der Adsorptionseinheit wie oben beschrieben verwendet worden ist. Der Flüssigkeitsstroms aus dem Boden der Freisetzereinheit 8 wird, nachdem seine Temperatur durch Wärmeaustausch mit dem Gasstrom aus dem Adsorptionsbett wie oben beschrieben erhöht wurde, an die Entspannungstrommel geleitet. Die Entspannungsfraktion (etwa 60%) hängt von den Betriebsbedingungen und den Konzentrationsgrenzen für die Verunreinigungen in dem Endprodukt ab. Der Dampf mit den Spuren an nicht kondensierendem Gas wird wie oben beschrieben der zweiten Verdichtungsstufe zugeführt und mit dem Gasstrom in der zweiten Verdichtungsstufe gemischt. Die flüssige Phase ist das Produkt und wird an den Flüssigkeitstank 10 geleitet.
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Ein Fachmann auf dem Gebiet weiß, dass einige Detektoren installiert werden sollten, um die Konzentrationen, die Temperatur, Flussrate und den Druck zu überwachen und zu testen.
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Beispiele
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Basierend auf der Datenbank und der thermodynamischen Methode, wurde eine Simulationsreihe durchgeführt, wobei die kommerzielle Software ASPEN Plus verwendet wurde.
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Der Abgasstrom aus einer Adipinsäureherstellungsanlage, in der Salpetersäure als Oxidationsmittel verwendet wird, enthält gewöhnlich 28,0–55,0 Vol.-% Distickstoffoxid. Die Zusammensetzung eines Abgasstroms aus einer typischen Adipinsäureanlage, wie sie an zwei Testproben bestimmt wurde, ist in der Tabelle 1 aufgeführt. In den folgenden Simulationen wurde ein Abgasstrom mit einer ähnlichen Zusammensetzung verwendet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der N2O-angereicherte Abgasstrom aus der besagten Adipinsäureanlage als erstes mit Luft vermischt wurde, um durch Oxidieren von NOx und Leiten durch 3 sequentielle Wasserwäscher verdünntes HNO3 herzustellen, worauf dann der Gasstrom in den Tröpfchenabscheider geleitet wurde, um die Tröpfchen von den Aerosolen zu trennen.
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Die analytischen Ergebnisse des Abgasstroms, die in der Tabelle 1 gezeigt sind, sind die für den Abgasstrom, der nach dem Tröpfchenabscheider in der Anlage erhalten wurde, wobei sie auf trockener Basis gemessen wurden. Der Hauptbestandteil des NOx, aufgeführt in der Tabelle 1, war NO. Tabelle 1: Analytisches Ergebnis für den Abgasstrom (trockene Basis)
| Gegenstand | Ergebnis (v/v)
(Probe 1) | Ergebnis (v/v)
(Probe 2) | Testverfahren |
| N2O | 47,47% | 49,45% | GC-ECD* |
| N2 | 41,90% | 40,52% | GC-TCD** |
| NOx*** | 68 ppm | 78 ppm | Stickoxidanalysator |
| O2 | 3,90% | 3,50% | GC-TCD |
| CO | 0,21% | 0,23% | GC-TCD |
| CO2 | 6,51% | 6,29% | GC-TCD |
| Kohlenwasserstoffe | < 2 ppm | < 2 ppm | GC |
*GC-ECD: Gaschromatographie-Elektroneneinfangdetektor
**GC-TCD: Gaschromatographie-Wärmeleitfähigkeitsdetektor
***NO
x: NO, und NO
2 -
Beispiel 1
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Herstellung von 99,9% reinem N2O
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In diesem Beispiel wurde eine Anordnung, die eine Nasswäscheeinheit, einen Verdichter, eine Kühl- und Trocknungseinheit, eine Adsorptionseinheit, einen Verflüssiger, einen Freisetzer und eine Entspannungstrommel umfasst, verwendet, um 99,9% N2O herzustellen.
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Das Simulationsergebnis ist in der Tabelle 2 gezeigt.
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Der anfängliche Anteil an N2O in dem Gasstrom war 47,42%, der nach der Nasswäsche auf 49,10%, nach der Adsorption auf 54,66%, in der flüssigen Phase in der Freisetzereinheit auf 98,81% und nach der Entspannungstrommel auf 99,92% angehoben wurde. Die 99,92% N2O-Flüssigkeit wurde als das Produkt aufbewahrt. Die N2O-Gewinnungsrate war 53,53%, wobei die Gewinnungsrate als der N2O-Masseanteil in dem Produkt zu dem in dem Abgas definiert ist.
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Für das CO2 war der anfängliche Anteil 6,50%, der durch die Nasswäsche auf 0,27% und dann weiter durch die Adsorption auf 0,51 ppm verringert wurde.
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Nach der Entspannung war der endgültige Anteil in dem Produkt 0,94 ppm.
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Für das CO war der anfängliche Anteil 0,21%. Es war schwierig das CO effektiv durch Nasswäsche und Adsorption zu entfernen. Es konnten sich sehr geringe Mengen an CO in Wasser lösen. Durch Adsorption kann CO entfernt werden, es war jedoch verglichen mit der Entspannungsdestillation nicht ökonomisch. Das CO wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 45,6 ppm verringert, und nach der Entspannung war es in dem Produkt weiter auf 2,46 ppm verringert.
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Für das NO war der anfängliche Anteil 50,0 ppm. Es war schwierig das NO effektiv durch Nasswäsche und Adsorption zu entfernen. Es konnten sich sehr geringe Mengen an NO in Wasser lösen. Das NO wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 6,0 ppm verringert, und nach der Entspannung war es in dem Produkt auf 0,944 ppm verringert. Tabelle 2: Herstellung von 99,9% N
2O
| von | Zufuhr | Nasswäsche | Adsorption | Verflüssiger | Freisetzer | Freisetzer | Entspannung | Entspannung |
| zu | Nasswäsche | Verdichter | Verflüssiger | Freisetzer | Adsorption | Entspannung | 2. Verdichtungsstufe | Aufbewahrung |
| Temperatur (°C) | 20,0 | 25,3 | –1,0 | –49,0 | –66,3 | –39,7 | –39,7 | –39,7 |
| Druck (MPa) | 0,15315 | 0,101325 | 3,041325 | 3,001325 | 1,101325 | 1,001325 | 1,001325 | 1,001325 |
| Massenfluss (kg/h) | 164,2169 | 153,7882 | 168,4743 | 168,4743 | 101,3516 | 67,1206 | 17,25173 | 49,86887 |
| Volumenanteil des Bestandteils |
| O2 | 0,038963 | 0,040383 | 0,038783 | 0,038783 | 0,057258 | 2,20E–03 | 7,76E–03 | 2,42E–04 |
| N2 | 0,418598 | 0,433863 | 0,412509 | 0,412509 | 0,615926 | 9,67E–03 | 0,035672 | 5,42E–04 |
| N2O | 0,474245 | 0,490901 | 0,546589 | 0,546589 | 0,323656 | 0,988075 | 0,956375 | 0,999209 |
| H2O | 9,99E–04 | 0,032358 | 6,85E–07 | 6,85E–07 | 6,76E–10 | 2,04E–06 | 1,19E–08 | 2,75E–06 |
| CO | 2,10E–03 | 2,17E–03 | 2,07E–03 | 2,07E–03 | 3,09E–03 | 4,56E–05 | 1,68E–04 | 2,46E–06 |
| CO2 | 0,065083 | 2,68E–04 | 5,07E–07 | 5,07E–07 | 3,05E–07 | 9,06E–07 | 9,15E–07 | 9,04E–07 |
| NO | 5,00E–05 | 5,18E–05 | 5,06E–05 | 5,06E–05 | 7,32E–05 | 5,98E–06 | 2,03E–05 | 9,44E–07 |
| NO2 | 9,99E–06 | 3,09E–08 | 2,85E–08 | 2,85E–08 | 8,59E–11 | 8,47E–08 | 1,59E–09 | 1,44E–07 |
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Für das H2O war der anfängliche Anteil 999,0 ppm; ganz gleich wie viel Wasser in dem Gasstrom enthalten ist, der Gasstrom wird nach dem Waschen annähernd mit H2O gesättigt sein. Nach der Behandlung in der Kühl- und Trocknungseinheit war der Anteil als Wasser verringert und er wurde durch die Adsorption weiter auf 0,685 ppm verringert, und der Anteil an Wasser in dem Produkt war etwa 2,75 ppm.
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Für das O2 war der anfängliche Anteil 3,90%. Es war schwierig den O2 durch Nasswäsche und Adsorption zu entfernen (es konnten sich sehr geringe Mengen an O2 in Wasser lösen). Der O2 wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 0,22% verringert, und nach der Entspannung war er in dem Produkt auf 240 ppm verringert.
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Für den N2 war der anfängliche Anteil 41,86%. Es war schwierig den N2 durch Nasswäsche und Adsorption zu entfernen (es konnten sich sehr geringe Mengen an N2 in Wasser lösen). Der N2 wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 0,97% verringert, und nach der Entspannung war er in dem Produkt auf 542,0 ppm verringert.
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Für das gesamte Verfahren umfassen die entscheidenden Parameter für einen erfolgreichen Betrieb den Enddruck des Verdichters, die Konzentrationen von CO2 und H2O nach der Adsorption, die Temperatur und den Druck im Verflüssiger, die Einlasstemperatur und den Druck in der Entspannungstrommel.
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Beispiel 2
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Herstellung von 99,999% reinem N2O
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In diesem Beispiel wurde eine Anordnung, die eine Nasswäscheeinheit, einen Verdichter, eine Kühl- und Trocknungseinheit, eine Adsorptionseinheit, einen Verflüssiger und einen Freisetzer und eine Destillationskolonne mit Rückfluss umfasst, verwendet, um 99,999% N2O herzustellen. Die Kolonne hatte 10 theoretische Böden und wurde mit einer Rückflussrate 2 betrieben (die Rückflussrate war das Verhältnis von Rückfluss zu Kopfprodukt). Die Endergebnisse sind in der Tabelle 3 aufgeführt.
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Der anfängliche Anteil an N2O in dem Gasstrom war 47,42%, der nach der Nasswäsche auf 49,10%, nach der Adsorption auf 56,52%, nach der Freisetzereinheit auf 98,81% und nach der Destillation auf 99,9993% angehoben wurde, was als das Produkt aufbewahrt wurde. Die N2O-Gewinnungsrate war 52,82%.
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Für das CO2 war der anfängliche Anteil 6,50%, der durch die Nasswäsche auf 0,27% und dann weiter durch die Adsorption auf 0,485 ppm verringert wurde. Der endgültige Anteil in dem Produkt war 0,781 ppm.
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Für das CO war der anfängliche Anteil 0,21%. Das CO wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 45,3 ppm verringert, und in dem Produkt war es weiter bis auf nahezu Null verringert.
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Für das NO war der anfängliche Anteil 50,0 ppm. Das NO wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 6,0 ppm verringert, und in dem Produkt wurde es nahezu Null. Tabelle 3: Herstellung von 99,999% N
2O
| von | Zufuhr | Nasswäsche | Adsorption | Verflüssiger | Freisetzer | Freisetzer | Destillationskolonne | Destillationskolonne |
| zu | Nasswasche | Verdichter | Verflüssiger | Freisetzer | Adsorption | Kolonne | 2. Verdichtungsstufe | Aufbewahrung |
| Temperatur (°C) | 20,0 | 25,3 | –1,0 | –49,0 | –66,1 | –39,4 | –40,0 | –38,7 |
| Druck (MPa) | 0,15315 | 0,101325 | 3,041325 | 3,001325 | 1,101325 | 1,001325 | 0,98 | 0,97 |
| Massenfluss (kg/h) | 164,4003 | 153,7882 | 177,3239 | 177,3239 | 102,0083 | 75,31555 | 26,09674 | 49,21882 |
| Volumenanteil des Bestandteils |
| O2 | 0,038963 | 0,040382 | 0,037277 | 0,037277 | 0,05706 | 2,19E–03 | 6,26E–03 | 8,06E–16 |
| N2 | 0,418598 | 0,433868 | 0,395508 | 0,395508 | 0,613058 | 9,62E–03 | 0,02756 | 2,90E–18 |
| N2O | 0,474245 | 0,490898 | 0,565183 | 0,565183 | 0,326736 | 0,988135 | 0,966034 | 0,999993 |
| H2O | 9,99E–04 | 0,032357 | 1,46E–06 | 1,46E–06 | 1,37E–09 | 4,05E–06 | 1,03E–23 | 6,23E–06 |
| CO | 2,10E–03 | 2,17E–03 | 1,98E–03 | 1,98E–03 | 3,07E–03 | 4,53E–05 | 1,30E–04 | 9,30E–21 |
| CO2 | 0,065083 | 2,68E–04 | 4,85E–07 | 4,85E–07 | 2,85E–07 | 8,40E–07 | 9,51E–07 | 7,81E–07 |
| NO | 5,00E–05 | 5,18E–05 | 4,89E–05 | 4,89E–05 | 7,32E–05 | 5,95E–06 | 1,70E–05 | 1,03E–16 |
| NO2 | 9,99E–06 | 3,09E–08 | 2,79E–08 | 2,79E–08 | 8,03E–11 | 7,72E–08 | 2,40E–21 | 1,19E–17 |
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Für das H2O war der anfängliche Anteil 1000 ppm. Nach dem Kühlen und Trocknen war er verringert und nach der Adsorption war er weiter auf 1,46 ppm verringert. Der Anteil an Wasser in dem Produkt war etwa 6,23 ppm.
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Für den O2 war der anfängliche Anteil 3,9%. Der O2 wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 0,22% verringert, und nach der Destillation war er in dem Produkt weiter auf etwa Null ppm verringert.
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Für den N2 war der anfängliche Anteil 41,86%. Der N2 wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 0,96% verringert, und nach der Destillation war er weiter auf etwa Null ppm verringert.
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Für das gesamte Verfahren umfassen die entscheidenden Parameter für einen erfolgreichen Betrieb den Enddruck des Verdichters, die Auslasskonzentration von CO2 und H2O nach der Adsorption, die Auslasstemperatur aus dem Verflüssiger, den Druck in der Freisetzeinheit, die theoretische Bodenanzahl der Destillationskolonne und die Rückflussrate, den Kolonnenbetriebsdruck und die Einlasszufuhrtemperatur zur Destillationskolonne.
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Beispiel 3
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Herstellung von 99,9% reinem N2O ohne Nasswäsche
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In diesem Beispiel wurde eine Anordnung, die einen Verdichter, eine Kühl- und Trocknungseinheit, eine Adsorptionseinheit, einen Verflüssiger und Freisetzer, und eine Entspannungstrommel umfasst, verwendet, um 99,9% N2O ohne ein Nasswäscheverfahren herzustellen. Dies war ein vereinfachtes Verfahren, das ein qualifiziertes Produkt herstellt.
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Der Ergebnis ist in der Tabelle 4 aufgeführt. Tabelle 4: Herstellung von 99,9% N
2O ohne Nasswäsche
| von | Zufuhr | Adsorption | Verflüssiger | Freisetzer | Freisetzer | Entspannung | Entspannung |
| zu | Verdichter | Verflüssiger | Freisetzer | Adsorption | Entspannung | 2. Verdichtungsstufe | Aufbewahrung |
| Temperatur (°C) | 20,0 | –1,0 | –49,0 | –66,3 | –39,6 | –39,6 | –39,6 |
| Druck (MPa) | 0,15315 | 3,041325 | 3,001325 | 1,101325 | 1,001325 | 1,001325 | 1,001325 |
| Massenfluss (kg/h) | 164,2169 | 169,5656 | 169,5656 | 101,4353 | 68,13675 | 18,19446 | 49,94228 |
| Volumenanteil des Bestandteils |
| O2 | 0,038963 | 0,038587 | 0,038587 | 0,057228 | 2,20E–03 | 7,50E–03 | 2,34E–04 |
| N2 | 0,418598 | 0,410342 | 0,410342 | 0,615577 | 9,67E–03 | 0,034403 | 5,23E–04 |
| N2O | 0,474245 | 0,548891 | 0,548891 | 0,323999 | 0,987945 | 0,957799 | 0,999088 |
| H2O | 9,99E–04 | 9,72E–08 | 9,72E–08 | 9,53E–11 | 2,87E–07 | 1,70E–09 | 3,92E–07 |
| CO | 2,10E–03 | 2,06E–03 | 2,06E–03 | 3,09E–03 | 4,55E–05 | 1,62E–04 | 2,37E–06 |
| CO2 | 0,065038 | 6,33E–05 | 6,33E–05 | 3,79E–05 | 1,13E–04 | 1,14E–04 | 1,12E–04 |
| NO | 5,00E–05 | 5,04E–05 | 5,04E–05 | 7,31E–05 | 5,97E–06 | 1,97E–05 | 9,14E–07 |
| NO2 | 9,99E–06 | 9,77E–06 | 9,77E–06 | 2,93E–08 | 2,88E–05 | 5,51E–07 | 3,92E–05 |
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Der anfängliche Anteil an N2O in dem Gasstrom war 47,42%, der nach der Adsorption auf 54,89%, nach der Freisetzereinheit auf 98,80% und nach der Entspannungstrommel auf 99,91% angehoben wurde. Die N2O-Gewinnungsrate war 53,53%.
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Für das CO2 war der anfängliche Anteil 6,50%, der durch die Adsorption auf 63,3 ppm verringert wurde. Nach der Entspannung war der endgültige Anteil in dem Produkt 112,0 ppm. Die Länge der Adsorptionskolonne sollte länger sein, um das Entfernen von CO2 ohne die Wäscheeinheit zu bewältigen.
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Für das CO war der anfängliche Anteil 0,21%. Obwohl das CO durch Adsorption entfernt werden kann, wurde in diesem Verfahren ein Entspannungsverfahren angewendet. Das CO wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 45,5 ppm verringert, und in dem Produkt war es weiter auf 2,37 ppm verringert.
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Für das NO war der anfängliche Anteil 50,0 ppm. Das NO wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 6,0 ppm verringert, und in dem Produkt war es auf 0,91 ppm verringert.
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Für das H2O war der anfängliche Anteil 1000 ppm. Nach dem Kühlen und Trocknen war der Anteil verringert und nach der Adsorption war er weiter auf 0,097 ppm verringert. Der Anteil an Wasser in dem Produkt war etwa 0,339 ppm.
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Für den O2 war der anfängliche Anteil 3,9%. Obwohl der O2 durch Adsorption entfernt werden kann, wurde in diesem Verfahren ein Entspannungsverfahren angewendet. Der O2 wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 0,22% verringert, und in der Entspannungstrommel wurde er weiter auf 234 ppm verringert.
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Für den N2 war der anfängliche Anteil 41,86%. Obwohl der N2 durch Adsorption entfernt werden kann, wurde in diesem Verfahren ein Entspannungsverfahren angewendet. Der N2 wurde in dem Freisetzer als nicht kondensierendes Gas freigesetzt und war auf 0,97% verringert, und er wurde in der Entspannungstrommel weiter auf 523,0 ppm verringert.
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Für das gesamte Verfahren umfassen die entscheidenden Parameter für einen erfolgreichen Betrieb den Enddruck des Verdichters, die Auslasskonzentration von CO2 und H2O aus der Adsorption, die Auslasstemperatur aus dem Verflüssiger, den Freisetzerdruck, den Betriebsdruck und die Zufuhrtemperatur zu der Entspannungstrommel.
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Beispiel 4 (Vergleich)
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Destillation zum Entfernen von CO2
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In diesem Beispiel wurde eine Phasenanalyse für CO2 und N2O durchgeführt. Das Ergebnis des T-x-y-Diagramms bei einem Druck von 1,0 MPa ist in der 2a gezeigt. Der Graph zeigt, dass der Siedepunkt für CO2 –40,19°C beziehungsweise für N2O –39,61°C war. Der Unterschied war 0,58°C, was anzeigt, dass es ziemlich schwer war CO2 von N2O mittels Destillation zu trennen.
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Selbst bei einem Druck von 2,5 MPa war der Unterscheid in den Siedepunkten nur 3,5°C. Es war also immer noch schwierig CO2 von N2O mittels Destillation zu trennen, wie es in der 2b gezeigt ist.
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Für andere schwere Bestandteile, wie zum Beispiel NO2, konnten ähnliche Schlüsse gezogen werden.
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Demnach war die Destillation nicht effektiv, um CO2 aus N2O zu entfernen.
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Die vorhergehenden Beispiele und die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sollen vielmehr als Illustration verstanden werden, und nicht als Einschränkung für die vorliegende Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist. Es kann ohne Weiteres erkannt werden, dass zahlreiche Variationen und Kombinationen an den oben dargelegten Merkmalen verwendet werden können, ohne sich von der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen dargelegt ist, zu entfernen. Solche Variationen werden nicht als eine Abweichung vom Geist und Schutzbereich der Erfindung aufgefasst und es ist beabsichtigt, dass alle solchen Variationen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche umfasst sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0636576 A1 [0006]
- US 6080226 [0008]
- US 6348083 B1 [0009]
- US 6370911 B1 [0012]