DE10203161B4 - Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses, bestehend aus wenigstens zwei parallel geschalteten Adsorbern, denen über eine Einsatzgasleitung ein zu zerlegendes Gasgemisch zugeführt wird, aus denen über eine Produktgasleitung ein Produktstrom abgezogen wird und aus denen über eine Restgasleitung, vorzugsweise während eines Regenerier-, Spül- und/oder Druckausgleichsschrittes, ein Restgasstrom abgezogen wird, wobei der Druckwechseladsorptionsprozess im Normalbetrieb nach einem vorbestimmten Taktschema betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Störung des Druckwechseladsorptionsprozesses bei der die bestimmungsgemäße Verarbeitung des zu zerlegenden Gasgemisches, die bestimmungsgemäße Erzeugung des Produktstromes und/oder die bestimmungsgemäße Erzeugung des Restgasstromes nicht mehr gewährleistet sind, das vorbestimmte Taktschema derart umgestellt wird, dass über einen Zeitraum von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten ein Restgasstrom kontinuierlich abgeführt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses, bestehend aus wenigstens zwei parallel geschalteten Adsorbern, denen über eine Einsatzgasleitung ein zu zerlegendes Gasgemisch zugeführt wird, aus denen über eine Produktgasleitung ein Produktstrom abgezogen wird und aus denen über eine Restgasleitung, vorzugsweise während eines Regenerier-, Spül- und/oder Druckausgleichsschrittes, ein Restgasstrom abgezogen wird, wobei der Druckwechseladsorptionsprozess im Normalbetrieb nach einem vorbestimmten Taktschema betrieben wird.
  • Druckwechseladsorptionsprozesse stellen oftmals innerhalb eines größeren Gesamtprozesses bzw. einer Anlage lediglich einen Vor- bzw. Teilprozess dar. Im Rahmen von Methanolanlagen oder Steamreformern dient der vorgeschaltete Adsorptionsprozess beispielsweise der Erzeugung eines Wasserstoff-Produktstromes, wobei der Restgasstrom beispielsweise der Unterfeuerung des Steamreformers zugeführt wird. Der plötzliche Ausfall des aus dem Druckwechseladsorptionsprozess abgezogenen Restgasstromes kann bei einer Vielzahl von Anlagentypen zu erheblichen Problemen – die bis zu einem Ausfall der entsprechenden Anlage bzw. des entsprechenden Komplexes reichen können – bei den nachgeschalteten Verbrauchern bzw. Anlagenteilen, denen der Restgasstrom zugeführt wird, führen.
  • Zwar werden in der Regel Mechanismen vorgesehen, die es ermöglichen, dass die dem Druckwechseladsorptionsprozess nachgeschalteten Verbraucher bzw. Anlagenteile auf andere „Gasquellen umschalten” können, jedoch sollte dieses Umschalten möglichst stoßfrei erfolgen. Eine plötzliche Unterbrechung des Restgasstromes ist daher zu vermeiden.
  • Bei einer Störung des Druckwechseladsorptionsprozesses, bei der die bestimmungsgemäße Verarbeitung des zu zerlegenden Gasgemisches, die bestimmungsgemäße Erzeugung des Produktstromes und/oder die bestimmungsgemäße Erzeugung des Restgasstromes nicht mehr gewährleistet sind, – beispielsweise durch den Ausfall eines der Ventile – wird die Zuführung des zu zerlegenden Gasstromes – also des Einsatzgasstromes – sowie die Abführung des Produktgasstromes unverzüglich unterbrochen. Bisher werden bei derartigen Störungen des Druckwechseladsorptionsprozesses auch die Ventile der Restgasleitung(en) geschlossen, so dass den Adsorbern weder Gasströme zugeführt noch Gasströme aus ihnen abgezogen werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass bei einer Störung des Druckwechseladsorptionsprozesses, bei der die bestimmungsgemäße Verarbeitung des zu zerlegenden Gasgemisches, die bestimmungsgemäße Erzeugung des Produktstromes und/oder die bestimmungsgemäße Erzeugung des Restgasstromes nicht mehr gewährleistet sind, das vorbestimmte Taktschema derart umgestellt wird, dass über einen Zeitraum von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten ein Restgasstrom kontinuierlich abgeführt werden kann.
  • Hierbei entspricht die Zusammensetzung des Restgasstromes, der nach der Umstellung des Taktschemas abgeführt wird, vorzugsweise im Wesentlichen derjenigen des Restgasstromes, der während des Normalbetriebes abgezogen wird.
  • Dabei kann der Restgasstrom über den vorgenannten Zeitraum wahlweise konstant gehalten oder mit Hilfe eines nachgeschalteten Durchflussreglers gezielt abgesenkt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass mit einer Störung des Druckwechseladsorptionsprozesses, bei der die bestimmungsgemäße Verarbeitung des zu zerlegenden Gasgemisches, die bestimmungsgemäße Erzeugung des Produktstromes und/oder die bestimmungsgemäße Erzeugung des Restgasstromes nicht mehr gewährleistet sind, nicht auch eine Unterbrechung der Abführung des Restgasstromes aus dem Druckwechseladsorptionsprozess einhergeht. Vielmehr wird der Druckwechseladsorptionsprozess durch eine Umstellung des Taktschemas derart Weiterbetrieben, dass über einen Zeitraum von zumindest einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten weiterhin ein in seiner Zusammensetzung im Wesentlichen unveränderter Restgasstrom aus dem Druckwechseladsorptionsprozess abgezogen und den nachgeschalteten Verbrauchern bzw. Anlagenteilen zugeführt werden kann.
  • Prinzipiell ist es möglich, den Zeitraum über den eine Abführung des Restgasstromes während einer Störung des Druckwechseladsorptionsprozesses möglich ist, noch weiter zu verlängern, jedoch kann dann nicht mehr sichergestellt werden, dass die Zusammensetzung des Restgasstromes unverändert bleibt.
  • Das erfindungsgemäß Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Veränderung des Taktschemas auch eine Verlängerung der Takte zur Folge hat.
  • Diese Verfahrensführung hat eine gezielte Absenkung der Restgasstrommenge zur Folge, wodurch ein nochmals verlängertes Abführen des Restgasstromes ermöglicht wird.
  • Ein Zeitraum von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten ist jedoch im Regelfall ausreichend, um nachgeschalteten Verbrauchern, denen der Restgasstrom zugeführt wird, ein stoßfreies Umschalten auf andere Quellen zu ermöglichen.
  • Kommt es zu einer Störung des Druckwechseladsorptionsprozesses, bei der die bestimmungsgemäße Verarbeitung des zu zerlegenden Gasgemisches, die bestimmungsgemäße Erzeugung des Produktstromes und/oder die bestimmungsgemäße Erzeugung des Restgasstromes nicht mehr gewährleistet sind, so ist in den Adsorptionsbehältern und den Adsorptionsmaterialien noch eine bestimmte Menge an Gas gespeichert. Dieses in den Adsorptionsbehältern und den Adsorptionsmaterialien gespeicherte Gas wird nun dazu genutzt, um über einen Zeitraum von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten einen Restgasstrom zu bilden. Das Abziehen des in den Adsorptionsbehältern und den Adsorptionsmaterialien gespeicherten Gases schädigt weder das oder die Adsorptionsmaterialien noch kommt es zu einer Abgabe eines nicht spezifikationsgerechten Produktgasstromes.
  • Auch bei einer Störung eines Restgasventils eines Adsorbers lässt sich die erfindungsgemäße Verfahrensweise anwenden, indem das neue Taktschema so modifiziert wird, dass ein oder mehrere andere gasenthaltende Adsorber als Restgaslieferanten verwendet werden. In diesem Fall kann jedoch nicht immer sichergestellt werden, dass die Zusammensetzung des Restgasstromes unverändert bleibt; siehe hierzu auch Beispiel 2, Tabellen 3 und 4.
  • Bei bestimmten Störungen des Druckwechseladsorptionsprozesses ist es möglich, automatisch auf eine Betriebsart mit reduzierter Adsorberanzahl umzuschalten, bspw. von der Betriebsart 6/1/3 auf die Betriebsart 5/1/2; eine derartige Änderung des Taktschemas wird auch als „Rückschalten” bezeichnet. Hierbei stehen die Bezeichnungen 6/1/3 und 5/1/2 für Adsorptionsprozesse, bei denen 6 bzw. 5 Adsorber parallel angeordnet sind, jeweils 1 Adsorber einen Adsorptionstakt durchläuft und zwischen den Adsorbern 3 bzw. 2 Druckausgleichstakte realisiert werden.
  • Abhängig von der Art der vorausgegangenen Störung gibt es Rückschaltfälle, bei denen zwar eine unterbrechungsfreie, bestimmungsgemäße Erzeugung des Produktstromes gewährleistet, ein kurzzeitiger Ausfall – typischerweise 30 bis 60 Sekunden – des Restgasstromes aber nicht verhindert werden kann. Sofern die Kontinuität des abzugebenden Restgasstromes oberste Priorität hat, kann anstelle der Umschaltung auf die Betriebsart mit reduzierter Adsorberanzahl – also das vorbeschriebene Rückschalten – die erfindungsgemäße Verfahrensweise angewandt werden; siehe Beispiel 3, Tabellen 5 und 6.
  • Nachfolgend sei das erfindungsgemäße Verfahren anhand unterschiedlicher Druckwechseladsorptionsprozesse näher erläutert.
  • Hierbei stehen die in den Tabellen 1 bis 6 verwendeten Abkürzungen für folgende Verfahrensschritte:
    • A1/A2:
    Adsorptionstakte
    E1–E3:
    Entspannungstakte
    R0–R3:
    Bespannungstakte
    PP1:
    Spülgas bereitstellen (Provide purge)
    P1:
    Spülen (Purge)
    D:
    Dump
    W:
    Wartetakt
  • Die Tabelle 1 zeigt das Taktschema eines 6/1/3-Druckwechseladsorptionsprozesses im Normalbetrieb, während in der Tabelle 2 das nach einer Störung abgeänderte Taktschema des Druckwechseladsorptionsprozesses darstellt (Beispiel 1). Tabelle 1
    Takt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    Taktzeit T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2
    Ads.-Nr.
    Adsorber 1 E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 R0 A1 A2
    Adsorber 2 A1 A2 E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 R0
    Adsorber 3 R1 R0 A1 A2 E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2
    Adsorber 4 R3 R2 R1 R0 A1 A2 E1 E2 E3 PP1 D P1
    Adsorber 5 D P1 R3 R2 R1 R0 A1 A2 E1 E2 E3 PP1
    Adsorber 6 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 R0 A1 A2 E1 E2
    Tabelle 2
    Takt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    Taktzeit T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2
    Ads.-Nr.
    Adsorber 1 E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 W W W
    Adsorber 2 W W E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 W
    Adsorber 3 R1 W W W E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2
    Adsorber 4 R3 R2 R1 W W W E1 E2 E3 PP1 D P1
    Adsorber 5 D P1 R3 R2 R1 W W W E1 E2 E3 PP1
    Adsorber 6 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 W W W E1 E2
  • Wird ein durch eine Störung verursachter Stopp mitten im Takt ausgelöst, so werden sofort alle Einsatzgas- und Produktarmaturen bzw. -ventile geschlossen. Die Druckausgleichs- und Spülsequenzen laufen ungestört weiter. Im nächsten Takt wird dann auf das veränderte Taktschema entsprechend Tabelle 2 umgeschaltet. Erfolgt der Stopp unmittelbar am Taktende, so wird ebenfalls im nächsten Takt auf das veränderte Taktschema entsprechend Tabelle 2 umgeschaltet.
  • In dem veränderten Taktschema entsprechend Tabelle 2 werden die R0-, A1- und A2-Takte zu W-Takten. In diesen sog. Wartetakten sind sämtliche Ventile des entsprechenden Adsorbers – also auch das bzw. die Restgasventile – geschlossen.
  • Neben dem in der Tabelle 2 dargestellten veränderten Taktschema sind eine Vielzahl weiterer Taktschemata denkbar, die eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen.
  • Beispiel 2: Ausfall des Restgasventils eines Adsorbers bei einem 4/1/1-Prozess
  • Die Tabelle 3 zeigt einen 4/1/1-Druckwechseladsorptionsprozess im Normalbetrieb. Wird bspw. am Ende von Takt 1 eine Störung des Restgasventils des Adsorbers 4 festgestellt, die zur Folge hat, dass das Restgasventil nicht geöffnet werden kann, so führt dies bisher zu einer Abschaltung des Druckwechseladsorptionsprozesses, da ein Rückschatten auf eine Betriebsart mit 3 Adsorbern unüblich ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nunmehr folgendes Taktschema realisierbar. Tabelle 3
    Takt 1 2 3 4 5 6 7 8
    Taktzeit T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2
    Ads. Nr.
    Adsorber 1 E1 PP1 D P1 R1 R0 A1 A2
    Adsorber 2 A1 A2 E1 PP1 D P1 R1 R0
    Adsorber 3 R1 R0 A1 A2 E1 PP1 D P1
    Adsorber 4 D P1 R1 R0 A1 A2 E1 PP1
    Tabelle 4
    Takt 1 2 3 4 5 6 7 8
    Taktzeit T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2
    Ads. Nr.
    Adsorber 1 E1 D0 D P1 R1 R0 W W
    Adsorber 2 W W E1 PP1 D P1 R1 W
    Adsorber 3 R1 W W W W PP1 D P1
    Adsorber 4 W W R1 W W W E1 PP1
  • Dabei wird die Sequenz PP1 des Adsorbers 1 in eine Dump-Sequenz D0 umgewandelt, verbunden mit einer entsprechenden Anpassung der Druckstufen von D0 und D. Die Druckwechseladsorptionsanlage kann damit noch für mindestens 7 weitere Takte Restgas liefern, während kein Produkt mehr abgegeben wird. Prinzipiell ist es natürlich auch möglich, die Adsorber sukzessive in das Restgassystem zu entspannen. Dies würde aber in vielen Fällen zu nicht tolerierbaren Schwankungen in der Zusammensetzung des abgegebenen Restgases und zu großen Druckdifferenzen über die Restgasarmaturen führen.
  • Beispiel 3: Rückschaltung mit diskontinuierlicher Restgasabgabe
  • Kommt es bspw. bei einem 6/1/3-Druckwechseladsorptionsprozess gegen Ende von Takt 11 – siehe Tabelle 5 – zu einer Störung im Adsorber 6, die ein sofortiges Abschalten des Adsorbers 6 erfordert, so kann nur in den Takt 10 des in der Tabelle 6 dargestellten 5/1/2-Druckwechseladsorptionsprozesses gewechselt werden, sofern die bestimmungsgemäße Abgabe des Produktstromes aufrechterhalten werden soll. Bei einer Umschaltung auf Takt 9 bestünde die Gefahr, dass der Adsorber 1 überladen würde, was zur Folge hätte, dass nicht spezifikationsgerechtes Produkt abgegeben würde. Bei der vorbeschriebenen Verfahrensweise muss jedoch eine zeitweilige Unterbrechung des Restgasstromes in Kauf genommen werden (Adsorber 4: D → D). Tabelle 5
    Takt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    Taktzeit T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2
    Ads. Nr.
    Adsorber 1 E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 R0 A1 A2
    Adsorber 2 A1 A2 E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 R0
    Adsorber 3 R1 R0 A1 A2 E1 E2 E3 PP1 D P1 R3 R2
    Adsorber 4 R3 R2 R1 R0 A1 A2 E1 E2 E3 PP1 D P1
    Adsorber 5 D P1 R3 R2 R1 R0 A1 A2 E1 E2 E3 PP1
    Adsorber 6 E3 PP1 D P1 R3 R2 R1 R0 A1 A2 E1 E2
    Tabelle 6
    Takt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    Taktzeit T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2
    Tim 100 60 30 60 30 60 30 60 30 60 30
    Ads. Nr.
    Adsorber 1 E1 E2 PP1 D P1 R2 R1 R0 A1 A2
    Adsorber 2 A1 A2 E1 E2 PP1 D P1 R2 R1 R0
    Adsorber 3 R1 R0 A1 A2 E1 E2 PP1 D P1 R2
    Adsorber 4 P1 R2 R1 R0 A1 A2 E1 E2 PP1 D
    Adsorber 5 PP1 D P1 R2 R1 R0 A1 A2 E1 E2
  • Falls eine unterbrechungsfreie Restgasabgabe höchste Priorität hat, kann dagegen auf das erfindungsgemäße Taktschema umgeschaltet werden (siehe Tabelle 2, Takt 12). Dabei geht Adsorber 4 von der Dump-Sequenz D über in die Spülsequenz P1 bei kontinuierlicher Restgasabgabe.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses, bestehend aus wenigstens zwei parallel geschalteten Adsorbern, denen über eine Einsatzgasleitung ein zu zerlegendes Gasgemisch zugeführt wird, aus denen über eine Produktgasleitung ein Produktstrom abgezogen wird und aus denen über eine Restgasleitung, vorzugsweise während eines Regenerier-, Spül- und/oder Druckausgleichsschrittes, ein Restgasstrom abgezogen wird, wobei der Druckwechseladsorptionsprozess im Normalbetrieb nach einem vorbestimmten Taktschema betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Störung des Druckwechseladsorptionsprozesses bei der die bestimmungsgemäße Verarbeitung des zu zerlegenden Gasgemisches, die bestimmungsgemäße Erzeugung des Produktstromes und/oder die bestimmungsgemäße Erzeugung des Restgasstromes nicht mehr gewährleistet sind, das vorbestimmte Taktschema derart umgestellt wird, dass über einen Zeitraum von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten ein Restgasstrom kontinuierlich abgeführt werden kann.
  2. Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Restgasstromes, der nach der Umstellung des Taktschemas abgeführt wird, im Wesentlichen derjenigen des Restgasstromes, der während des Normalbetriebes abgezogen wird, entspricht.
  3. Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum, über den eine Abführung des Restgasstromes möglich ist, wenigstens 1 bis 5 Minuten beträgt.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführung des Restgasstromes unter Beibehaltung eines konstanten Restgasmengenstromes erfolgt.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Druckwechseladsorptionsprozesses nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Taktschemas auch eine Verlängerung der Takte zur Folge hat.
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DE2739955C2 (de) * 1976-09-07 1988-02-11 L'air Liquide, S.A. Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude, Paris, Fr
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