DE1444435B2

DE1444435B2 - Verfahren und Vorrichtung zur adsorptiven Trennung eines binären Gasgemisches

Info

Publication number: DE1444435B2
Application number: DE1444435A
Authority: DE
Inventors: Pierre Guerin De Montgareuil; Domine Daniel Uriage
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1961-12-14
Filing date: 1962-12-13
Publication date: 1975-08-21
Also published as: NL286549A; GB1023650A; FR1317918A; DE1444435A1; BE625444A; NL147041B; US3242645A; ES283343A1

Description

In der französischen Patentschrift 12 23261 wird die Trennung eines binären Gasgemisches mit Hilfe eines Adsorbens beschrieben, das in der Lage ist, bei einer gegebenen Temperatur vergleichbare, wenn auch verschiedene Mengen der beiden Gasbestandteile, und zwar mit einer genügend großen Geschwindigkeit mindestens für das stärker adsorbierbare Gas im Verhältnis zur Kreislaufgeschwindigkeit des Gasgemisches durch die Adsorbensmasse zu adsorbieren, und das sich leicht bei derselben Temperatur durch alleinige Einwirkung von Vakuum entgasen läßt; dieses Verfahren besteht darin, daß man in einen das Adsorbens enthaltenden und unter Vakuum entgasten, umgrenzten Raum durch dessen erste Zone eine gegebene Menge Gemisch unter Druck bei der betreffenden Temperatur zuläßt, aus dem Raum kurz nach Beendigung des Einlasses des Gemisches durch eine zweite von der ersten entfernt liegende Zone eine erste Gasfraktion abzieht, indem man so den Druck des Raumes auf einen Zwischenwert erniedrigt, und aus dem Raum unter alleiniger Vakuumeinwirkung bei einer Temperatur in der Nähe der Einlaßtemperatür eine Gasfraktion extrahiert; dabei können diese Vorgänge im ganzen periodisch unter Einführung einer neuen Menge des Gemisches in den Raum in jeder Periode nach Extraktion der Gasrestfraktion durch Vakuum von der vorhergehenden Periode wiederholt werden. Dieses Verfahren beruht auf der Einstellung aufeinanderfolgender Gleichgewichte auf dem Weg durch eine Kolonne zwischen adsorbiertem und nichtadsorbiertem Gas, in denen die Konzentrationen an am wenigstens adsorbierbarem Gas in der nichtadsorbierten Phase und in der adsorbierten Phase sich in kontinuierlicher Weise vom Einführungsende zum Abzugsende kreuzen. Das Verfahren gestattet insbesondere in wirtschaftlicher Weise, aus Luft mit Hilfe von natürlichen oder künstlichen Zeolithen eine Fraktion mit einem Gehalt von 90 bis 95% Sauerstoff bei einer Extraktionsausbeute an Sauerstoff von ungefähr 75% zu erhalten, wobei die restliche Verunreinigung in der Hauptsache aus Argon besteht.

Dieses, bekannte Verfahren gestattet jedoch nicht, eine Trennung von Sauerstoff und Argon in Gegenwart von bekannten, natürlichen oder künstlichen (~\ Zeolithen vorzunehmen, deren beide Bestandteile sich beim Gleichgewicht in annähernd gleichen Mengen adsorbieren. Bei diesem Verfahren verhält sich das Argon im wesentlichen in derselben Weise wie der Sauerstoff und bleibt infolgedessen mit dem Sauerstoff vermischt, so daß es dessen Reinheit herabsetzt.

In der französischen Patentschrift 12 07 699 wird auch schon die adsorptive Trennung von Luft mit Hilfe eines Zeolithen mit einem wirksamen Porendurchmesser von annähernd 4 A angegeben, wobei man die Differenz der Adsorptionsgeschwindigkeiten ihrer beiden Bestandteile ausnutzt. Der am schnellsten adsorbierbare Bestandteil ist hier der Sauerstoff. Indessen wird bei dem Verfahren nach dieser Patentschrift nach Abzug einer Fraktion, die an Stickstoff angereichert ist, am Eintrittsende des zu zerlegenden Gases eine Fraktion, die an Sauerstoff angereichert ist, im Verlauf eines Gasrückflusses im umgekehrten Sinn durch die ganze Adsorbensmasse abgezogen, was zu einer Entspannung am Eintrittsende und gegebenefalls zu einer Umkehrspülung durch einen Teil der mit Stickstoff angereicherten ν Fraktion führt. Es ist also notwendig, ein relativ großes Druckgefälle an dem Adsorbensende dem Eintrittsende entgegengesetzt aufrechtzuerhalten, und infolgedessen ergibt sich ein ziemlich hoher Aufwand an Kompressionsenergie. Außerdem gestattet dieses bekannte Verfahren nicht die Gewinnung des Sauerstoffs in einer hohen Konzentration, denn es ist durch den aus dem Rückfluß stammenden Stickstoff verdünnt, während das Adsorbens niemals entgast wird.

Bekannt ist ferner die Auftrennung eines Sauerstoff-Stickstoff-Gemisches mittels Zeolith 4 A nach einem periodischen Adsorptionsverfahren mit sehr raschen Zyklen von 10 Sekunden. Außerdem wurde ein mit entwässertem kristallinen Zeolith wie Mordenit oder Molekularsieb 4 A arbeitendes Verfahren zur Trennung eines Stickstoff-Methan-Gemisches beschrieben, bei dem die Abnahme im Stickstoffgehalt ein Maximum sehr nahe am Anfang des Adsorptionsvorganges erreicht und dann allmählich abfällt. Aus diesem Verhalten ist zu folgern, daß die rasche Adsorption zu Beginn auf dem Unterschied der Adsorptionsgeschwindigkeiten der beiden Bestandteile beruht.

Die eingangs erwähnte französische Patentschrift 12 23 261, bei der die Zulassungsperiode des Gasgemisches in das Adsorptionsbett und die Abzugsperiode einer angereicherten Fraktion nacheinander stattfinden und die Entnahme unter Druckverminderung erfolgt, ehe die Konzentrationen der Komponenten sich über die Länge der Adsorbensschicht auf das Gleichgewicht eingestellt haben, verwendet den für diese Arbeitsweise besonders 'geeigneten Zeolith 5 A und erwähnt, daß sich bei der Adsorption das Argon wie Sauerstoff verhält, weil die adsorbierten Mengen und die Trenngeschwindigkeiten einander sehr nahe liegen. Infolgedessen werden bei der dort beschriebenen Luftzerlegung Sauerstoff und Argon als eine Komponente gemeinsam angesehen und abgetrennt.

Im Hinblick auf den Stand der Technik mußte angenommen werden, daß die Gewinnung reinen Sauerstoffes einerseits und des für viele Zwecke wertvollen Argons andererseits auf adsorptivem Wege nicht möglich sein würde. Demgegenüber hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, die Trennung von Sauerstoff und Argon auf rein adsorptivem Wege bei möglichst geringem Energieverbrauch zu verwirklichen.

Das Verfahren der Erfindung geht von der bekannten adsorptiven Trennung eines binären Gasgemisches aus, bei dem eine bestimmte Menge des Gasgemisches unter Druck in eine mit einem Zeolith gefüllte und unter Vakuum entgaste Adsorptionssäule eingeführt wird und die Abführung der Gasfraktionen aus der Adsorptionssäule bei einer Temperatur nahe der Temperatur des Gasgemisches bei der Einführung vorgenommen wird, und dieses Verfahren ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß bei der Trennung eines Argon-Sauerstoff-Gemisches ein Zeolith mit einem wirksamen PorenduTchmesser von annähernd 4 Ä verwendet wird und die Durchlaufgeschwindigkeit des Gasgemisches durch die Adsorptionssäule höher gehalten wird, als sie für die Einstellung des Adsorptionsgleichgewichtes für Argon und Sauerstoff erforderlich ist, und die erste, an Argon angereicherte Gasfraktion bereits während der Einführung des Gasgemisches in die Adsorptionssäule aufgefangen wird, während die zweite, an Sauerstoff eingereicherte Gasfraktion nach Unterbrechung der Einführung des Gasgemisches aus der Adsorptionssäule abgezogen wird.

Da die Adsorptionskoeffizienten für Sauerstoff und Argon im Gleichgewicht am Molekularsieb 4 Ä einander sehr ähnlich sind, war bei solcher Arbeitsweise nur eine schwache Argonanreicherung· zu erwarten. Es ist deshalb überraschend, daß sich der Unterschied in den Adsorptionsgeschwindigkeiten von Argon und Sauerstoff dahin ausnutzen läßt, daß trotz nahezu gleicher Adsorptionskoeffizienten eine Trennung von Argon und Sauerstoff zu erreichen ist. Vorzugsweise wird bei dem Verfahren der Erfindung die Trennung annähernd bei Umgebungstemperatur durchgeführt.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird vorzugsweise eine Vorrichtung benutzt, bei der die Adsorptionssäule durch ein Rückschlagventil in zwei Abteile unterteilt ist, die jeweils über ein Absperrventil mit einer Vakuumpumpe verbindbar sind. In beiden Abteilen und dem Auffangraum für die an Argon angereicherte Gasfraktion wählt man zweckmäßig einen solchen Rauminhalt, daß die Zusammensetzung der Gasfraktion, die in dem Abteil mit der an den Auffangraum angeschlossenen Zone adsorbiert ist, im wesentlichen gleich derjenigen des zu zerlegenden Gasgemisches ist, und man vereinigt nachfolgend das von diesem Abteil abgezogene Gas mit dem zu zerlegenden Gasgemisch.

Die Adsorption und Desorption können periodisch wiederholt werden, indem man in jeder Periode wieder Gasgemisch in den mit Adsorption gefüllten ίο Raum einführt. Das Verfahren der Erfindung hat mit demjenigen der französischen Patentschrift 12 23 261 den isothermen Charakter in dem Sinne gemein, daß die Desorption der adsorbierten Fraktion durch einfache Anlegung von Vakuum ohne Temperaturerhöhung und die Arbeit unter einem ständig variablen Druck erfolgen. Es nutzt gleichfalls einen Kolonneneffekt aus, wobei die Kreislaufgeschwindigkeit des Gasgemisches über die Adsorbensmasse derart festgelegt ist, daß das Gemisch sich progressiv an dem am langsamsten adsorbierbaren Bestandteil in entsprechendem Maße anreichert, wie es auf neue Adsorbensschichten trifft. Dagegen wird die Anreicherung nicht infolge der größeren Adsorptionskapazität des Adsorbens im Gleichgewicht für einen der Bestandteile des Gasgemisches, sondern auf Grund der überlegenen Adsorptionsgeschwindigkeit des einen von beiden erzielt.

Andere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsformen an Hand der Zeichnungen.

F i g. 1 erläutert die aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgänge für die Trennung des Argon-Sauerstoff-Gemisches;

F i g. 2 zeigt die adsorbierten Sauerstoff- und Argonmengen bei drei verschiedenen Temperaturen als Funktion der Zeit an einem Kunstzeolith;

F i g. 3 zeigt eine Trennvorrichtung, bei der die Adsorptionssäule in zwei Abteile unterteilt ist; F i g. 4 stellt den Einfluß der Gasbeladung des Adsorbens auf die Anreicherung und das Extraktionsverhältnis bei der Zerlegung eines Gemisches mit 5,3 Volumprozent Argon an dem Kunstzeolith 4 A dar;

F i g. 5 erläutert den Einfluß der Länge der Adsorbenssäule auf die Anreicherung und das Extraktionsverhältnis bei der Trennung eines Gemisches mit 5,7% Argon auf dem Kunstzeolith 4 A;

F i g. 6 erläutert die Veränderung der Anreicherung als Funktion des Extraktionsverhältnisses bei der Trennung eines Sauerstoff-Argon-Gemisches mit 10,55% Argon an demselben Zeolith;

Fig. 7 zeigt eine Gruppe in Reihe geschalteter Adsorptionssäulen;

F i g. 8 zeigt eine Gruppe von in Reihe geschalteten und in zwei Abteile unterteilten Adsorptionssäulen.

An Hand der Fig. 1 werden nachstehend drei Grundstufen des Verfahrens nach der Erfindung beschrieben. Drei Behälter 1, 2 und 3 sind in Reihe geschaltet und können durch die Ventile 4 und 5 miteinander in Verbindung gesetzt werden. Der Behälter 1 enthält das zu trennende Gasgemisch unter Überdruck. Er kann auch aus einer Gasverteilungsanlage unter konstantem Druck bestehen. Der Behälter 2 stellt die mit Zeolith gefüllte Adsorptionssäule dar, die vorher unter Vakuum mittels Luftpumpe 7 über Ventil 6 entgast worden ist. Der Behälter 3 ist

ein Auffanggefäß, das vorher mittels Vakuumpumpe 9 über das Ventil 8 unter Vakuum gesetzt worden ist. Die Ventile 4, 6 und 8 sind zunächst geschlossen, und das Ventil 5 ist offen. Der Fraktionierungsvorgang verläuft wie folgt:

Man öffnet Ventil 4. Die aus dem Behälter 1 austretende Gasmischung strömt durch die Adsorptionssäule in den Behälter 3 über, bis die Drücke in allen drei Behältern 1, 2 und 3 ausgeglichen sind. Die hierfür erforderliche Zeit hängt von dem Anfangsdruck und der Länge der Adsorptionssäule ab, ist aber verhältnismäßig kurz. Sie beträgt nur einige Sekunden für die Zerlegung eines Sauerstoff-Argon-Gemisches auf einer 1,50 m langen Kolonne, gefüllt mit Kunstzeolith 4 A.

Dann trennt man die Behälter 1, 2 und 3 voneinander, indem man die Ventile 4 und 5 schließt. Darauf schaltet man die Vakuumpumpen 7 und 9 ein und öffnet die Ventile 6 und 8. Das Ausgangsgemisch ist in zwei Fraktionen getrennt worden, die eine ist mit Argon angereichert und wird durch die Vakuumpumpe 9 abgesaugt. Die andere ist mit dem Sauerstoff angereichert und wird durch die Vakuumpumpe 7 abgesaugt.

Bei dieser Einrichtung kann man den Behälter 3 und seine Vakuumpumpe 9 durch einen Behälter von der Art eines Gasometers ersetzen.

Die Adsorptionskoeffizenten für Sauerstoff und Argon betragen im Gleichgewicht auf dem Molekularsieb 4 A in Granalien bei 20° C und 760 mm Quecksilber (in cm³ bei Normalbedingungen je g Adsorbens)

Sauerstoff ...' 2,6 cnrVg

Argon 2,2cnvVg

Hieraus läßt sich eine sehr schwache Argonanreicherung im nicht adsorbierten Gas erwarten, die praktisch ohne Interesse ist.

Die Adsorptionsgeschwindigkeiten dieser beiden Gase an dem Molekularsieb 4 A sind dagegen bei und oberhalb Umgebungstemperatur verschieden, wie die Kurven der F i g. 2 zeigen, die die adsorbierte Menge jedes Gases in cm³/g bei Normaldruck als Funktion der Zeit angeben. Der Sauerstoff wird am raschesten adsorbiert.

Die nachfolgende Tabelle gibt für verschiedene Temperaturen die prozentuale Adsorption an Sauerstoff und Argon nach 30 Sekunden gegenüber der im Gleichgewicht adsorbierten Menge auf dem Molekularsieb Λ A an.

Tabelle I

Temperatur

Sauerstoff

Argon

20⁰C

0⁰C

-78,5° C

97,5

80

60

Die Abweichung zwischen den Adsorptionsgeschwindigkeiten von Sauerstoff und Argon steigt also entsprechend an, wenn die Temperatur sinkt. Die nachfolgenden Trennbeispiele beziehen sich auf sauerstoffreiche Sauerstoff-Argon-Gemische als Ausgangsprodukt, wie man sie z. B. als Trennprodukte aus Luft durch das Verfahren der französischen Patentschrift 12 23 261 erhält.

Die Vorrichtung entspricht Fig. 3. Der zylindrische Behälter 2 hat 50 mm Durchmesser und 1,5 m Länge und enthält 2 kg Zeolith 4 A in Körnern von 1,6 mm. Diese Säule kann durch ein Rückschlagventil 10 in der Mitte in zwei Abteile 11 und 12 unterteilt werden. Nach einem Arbeitsgang kann das Gas aus jedem Abteil durch eine Vakuumpumpe 15 oder 16 zur Volumenmessung und Analyse evakuiert werden. Der Behälter ist in seinem Volumen veränderbar, und dies gestattet, das aus der Säule 2 austretende Volumen der an Argon angereicherten Gasfraktion und infolgedessen das Abzugsverhältnis S = abgezogenes Gasvolumen zu behandeltes Gasvolumen veränderlich zu gestalten. Andererseits definiert man die Anreicherung an Argon durch den Gewinn G — Gehalt des abgezogenen Gases an Argon in °/o: Gehalt des Ausgangsgases an Argon und die Ausbeute durch das Extraktionsverhältnis E=abgezogene Argonmenge zu Ausgangsargonmenge. Der Wirkungsgrad der Trennung ist also durch die Kurve der Änderung des Gewinnes G als Funktion des Extraktionsverhältnisses E definiert.

Nachstehend wird der Einfluß der verschiedenen Variablen, wie Gasdruck, Druckgefälle, Beladung des Adsorbens mit Gas, Länge der Adsorptionssäule und Argongehalt des Ausgangsgemisches auf diesen Trennungswirkungsgrad erläutert. Der Einfluß des Anfangsdruckes des Gases ist bestimmt worden, indem man die Gasgemische in Behältern von verschiedener Kapazität behandelt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

Tabelle II

Kapazität
in Liter

Effektiver

Eintrittsdruck

(kg/cm²)

Behandeltes
Volumen (bei
760 mm in Liter)

Anfangsargongehalt in Volumprozent

Extraktionsverhältnis
in »/0 E

Gewinn
G

Enddruck

6,7	1,25	7,71	5,5	49,7	2,26	Luftdruck
6,7	2	10,2	5,5	48	2,2	370 g/cm²
1	8	8	5,5	50	1,8	Luftdruck

Der Einfluß des Druckgefälles ist studiert worden, indem man für denselben Eintrittsdruck die Durchgangsweite des Ventils 5 (Fig. 3) veränderlich machte. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

Tabelle III	Behan deltes Volumen ω	Druckgefälle	Extrak tionsver hältnis	Gewinn G
Effektiver Eintritts druck (kg/cm²)	7,7 6,8	lichte Ventilweite 12 mm lichte Ventilweite 2 mm	49,7 36,4	2,26 3,2
1,25 1,25

Der Gewinn ist merklich auf Kosten einer gewissen Verminderung des Extraktionsverhältnisses verbessert. Ein gesteigertes Druckgefälle, das die Dauer des Durchganges vergrößert, steigert den Leistungsgrad der Trennung zumindest in dem Bereich relativ hoher Gewinne.

Der Einfluß der Gasbeladung des Adsorbens ist in F i g. 4 wiedergegeben. Hier gibt die ausgezogene Kurve die Veränderung des Gewinnes als Funktion des Extraktionsverhältnisses für ein abgetrenntes Volumen von ungefähr 8 1 (Kapaztät von 1 Liter, Anfangsdruck 8 kg/cm² effektiv) und Enddruck zwischen 300 und 400 g/cm² effektiv wieder. Die gestrichelte Kurve entspricht einer behandelten Menge von 18 bis 20 1 (Kapazität Von 6,7 1, Anfangsdruck 5 kg/cm² effektiv) und einem Enddruck von 1,5 bis 2 kg/cm² effektiv. Der Leistungsgrad der Trennung ist ein wenig kleiner bei einer stärkeren Beladung zumindest in dem Bereich relativ hoher Gewinne.

Der Einfluß der Länge der Adsorptionssäule wird ersichtlich, wenn man die in den beiden Säulenabteilen verbleibenden Gase getrennt auffängt und analysiert. In der folgenden Tabelle finden sich die Argongehalte der Gase der beiden Abteile 11 und 12 und des Behälters 3 (Fig. 3) bei einer Kapazität von 1 Liter, einem Anfangsdruck von 8 kg/cm² effektiv und einem Anfangsgehalt des Gases an Argon von 5,3 Vo.

Tabelle IV	Abteil Nr.	Argongehalt in Volum prozent	Extraktions verhältnis in°/o	Gewinn
Volumen des Behälters 3				G
(cms)	11 12 3	3,5 4,7 14,5	29,8	2,7
670	11 12 3	3,2 5,1 18,6	24,0	3,4
390	11 12 3	3,4 5,7 27,9	14,4	5,2
86

Man sieht, daß der Argongehalt des Abteils 12 höher ist als der des Abteils 11. Dies bestätigt die progressive Anreicherung der Gasphase an Argon entsprechend der Begegnung mit neuen Adsorbensschichten. Andererseits kann man z. B. durch Veränderung der Stellung des die beiden Abteile trennenden Rückschlagventils im zweiten Abteil eine Gasfraktion von gleichem oder angenähert demselben Argongehalt wie die Ausgangsmischung erhalten, so daß diese Gasfraktion in die Trennvorrichtung wieder eingedüst werden kann. Man kann so die Zahl der Trennböden für eine gegebene Anreicherung und

ίο ein gegebenes Extraktionsverhältnis merklich vermindern.

Die am Ausgang der Adsorptionssäule erhaltene Anreicherung hängt also von deren Länge für eine konstante Adsorptionsmasse ab. Dies erscheint auf Grund der Fig. 5 einleuchtend, die den Gewinn und das erhaltene Extraktionsverhältnis mit einer gleichen Menge Kunstzeolith A4, nämlich 2 kg, einem effektiven Anfangsdruck von 1,25 kg/cm² bei einem Ausgangsgemisch mit 5,7% Argon, einerseits mit einer Säule von 2,64 m Länge und 37 mm Durchmesser (ausgezogene Kurve), andererseits mit einer Säule von 1,5 m Länge und 50 mm Durchmesser (gestrichelte Kurve) wiedergibt. Man sieht, daß der Wirkungsgrad der Trennung bei der längeren Säule beträchtlich angestiegen ist. Indessen gibt es natürlich eine Optimallänge, oberhalb welcher die Trennung weniger gut wird.

Fig. 6 zeigt in Veränderung des Gewinnes als Funktion des Extraktionsverhältnisses bei der Trennung eines Sauerstoff-Argon-Gemisches mit 10,55 Volumprozent Argon, das zunächst im Behälter 1 von 1 1 unter einem effektiven Druck von 8 kg/cm² enthalten ist, über einer Säule von 1,5 m Länge mit 2 kg Kunstzeolith 4 A. Man erhält eine merkliche Anreicherung wie im Falle der Trennung von an Argon ärmeren Gemischen.

Im allgemeinen ist es nicht möglich, die Bestandteile eines Gasgemisches in praktisch reinem Zustand durch einen einzigen Fraktioniervorgang zu erhalten.

Es ist dann zweckmäßig, ihn zu wiederholen, indem man eine gewisse Zahl von Trennvorrichtungselementen in Reihe schaltet. Die zu zerlegende Mischung wird in eine Trenneinrichtung der mittleren Zone einer Reihe von ähnlichen Einrichtungen, wie in F i g. 1 oder 3 gezeigt, eingeführt.

Fig. 7 zeigt eine Gruppe aus mehreren Adsorptionssäulen nach Art der Fig. 1, um Fraktionen zu erhalten, die an jedem der Bestandteile konzentrierter sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Ventile, Kompressoren und Vakuumpumpen fortgelassen worden. Das Gasgemisch wird durch die Leitung 25 nach Zusatz von zwei Fraktionen derselben Zusammensetzung, deren Herkunft später angegeben werden soll, in die Adsorbenssäule 20 eingeführt. Man zieht eine mit Argon angereicherte Fraktion ab, die durch Leitungen 26 und 28 zur Säule 22 geführt wird, und zwar zwecks späterer Anreicherung nach Wiederverdichtung in einem nicht dargestellten Kompressor. Andererseits zieht man aus der Adsorbenssäule 20 durch eine nicht dargestellte Vakuumpumpe eine Fraktion ab, die mit Sauerstoff angereichert ist und durch die Leitungen 27 und 29 in die Säule 21 gedrückt wird, und zwar zwecks späterer Anreicherung an Sauerstoff. An die Trennsäulen 21 und 22 können sich weitere Säulen 23 und 24 anschließen. Die mit Argon angereicherte Fraktion wird immer in die unmittelbar höhere Säule geschickt, während die mit Sauerstoff angereicherte Fraktion in

509534/352

die unmittelbar darunterliegende Säule geschickt wird. Es wird also die Säule 20 außer mit dem zu zerlegenden Gasgemisch auch mit einer in der Säule 21 angereicherten und durch Leitung 31 zurückgeführten Fraktion und einer in der Säule 22 verarmten und durch eine nicht dargestellte Vakuumpumpe über die Leitung 32 zurückgeführte Fraktion gespeist. Die Arbeitsbedingungen, wie Säulenlänge, Einführungsdruck usw., wählt man derart, daß die verschiedenen, am Eingang einer Säule vereinigten Fraktionen im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung haben. Schließlich zieht man am Austritt 34 der Säule 24 eine Fraktion, die sehr reich an Argon ist, und am Austritt 35 der Säule 23 mit einer Vakuumpumpe eine Fraktion ab, die sehr reich an Sauerstoff ist.

Fig. 8 zeigt eine Gruppe aus mehreren Adsorptionssäulen nach Art der Fig. 3, d. h., die Säulen sind hier in zwei durch ein Rückschlagventil getrennte Abteile unterteilt. In diesem Fall ist der Anreicherungsgrad der am Ende jeder Säule abgezogenen Fraktion in dem Grade der Verarmung der aus dem ersten Abteil abgezogenen Fraktion höher. Das zu zerlegende Gasgemisch wird durch die Leitung 44 nach Zusatz von drei Fraktionen, deren Herkunft später erläutert werden soll, in die Säule 40 eingeführt, die durch ein Rückschlagventil 43 in zwei Abteile 41 und 42 unterteilt ist. Am Ausgang der Säule fängt man durch die Leitung 46 eine Fraktion auf, die stark mit Argon angereichert ist und nach Verdichtung durch einen nicht dargestellten Kompressor nicht in die unmittelbar darüberliegende Anreicherungssäule 50, sondern in die folgende Säule 70 eingeführt wird. Durch getrennte Entgasung fängt man die in jedem der Abteile 41 und 42 adsorbierten Fraktionen auf. Die aus dem Abteil 42 kommende Fraktion, deren Zusammensetzung ziemlich nahe derjenigen des zu trennenden Ausgangsgemisches liegt (die Arbeitsbedingungen, insbesondere die betreffenden Volumina der Abteile und das Volumen des nicht dargestellten Auffangraumes sowie der Anfangsdruck werden dementsprechend gewählt), wird zum Eintritt der Säule durch Leitung 45 zurückgeschickt. Die aus dem Abteil 41 kommende Fraktion, die mit Sauerstoff angereichert ist, wird durch Leitung 47 zum Eintritt der unmittelbar darunterliegenden Säule 60 geleitet. Dieser Kreislauf wird in gleicher Weise auf die aus den anderen Säulen abgezogenen Fraktionen angewandt. Man schickt also zum Eingang der Säule 40, die das zu zerlegende Gasgemisch erhält, einerseits durch Leitung 57 die durch Entgasung des ersten Abteils der Säule 51 abgezogeneJFraktipn_und andererseits durch Leitung 86 die Fraktion zurück, die am Austritt der zweiten Erschöpfungssäule abgezogen wurde. Schließlich fängt man einerseits durch die Leitungen 56 und 76 zwei Fraktionen, die stark an Argon angereichert sind, und andererseits durch Leitung 87 eine Fraktion auf,

as die stark an Sauerstoff angereichert ist. In dem Fall, wo die durch Leitungen 56 und 76 abgezogenen Fraktionen alle beide aus praktisch reinem Argon bestehen, kann nian sie ohne weiteres vermischen.
Man kann die Säulen auch in drei oder mehr Abteile unterteilen und die am Austrittsende abgezogene angereicherte Fraktion nicht mehr in die zweite Säule in der Reihenfolge, sondern in die dritte Säule leiten, vorausgesetzt, daß man Gasfraktionen von im wesentlichen gleicher Zusammensetzung vermischt.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur adsorptiven Trennung eines binären Gasgemisches, bei dem eine bestimmte Menge des Gasgemisches unter Druck in eine mit einem Zeolith gefüllte und unter Vakuum entgaste Adsorptionssäule eingeführt wird und die Abführung der Gasfraktionen aus der Adsorptionssäule bei einer Temperatur nahe der Temperatur des Gasgemisches bei der Einführung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Trennung eines Argon-Sauerstoff-Gemisches ein Zeolith mit einem wirksamen Porendurchmesser von annähernd 4 A verwendet wird und die Durchlaufgeschwindigkeit des Gasgemisches durch die Adsorptionssäule höher gehalten wird, als sie für die Einstellung des Adsorptionsgleichgewichts für Argon und Sauerstoff erforderlich ist, und die erste, an Argon angereicherte Gasfraktion bereits während der Einführung des Gasgemisches in die Adsorptionssäule aufgefangen wird, während die zweite, an Sauerstoff angereicherte Gasfraktion nach Unterbrechung der Einführung des Gasgemisches aus der Adsorptionssäule abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung annähernd bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionssäule (2) durch ein Rückschlagventil (10) in zwei Abteile unterteilt ist, die jeweils über ein Absperrventil (13, 14) mit einer Vakuumpumpe verbindbar sind.