DE1919557B2

DE1919557B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen von einer oder mehreren Komponenten aus Gasgemischen durch selektive Adsorption und nachfolgende Desorption

Info

Publication number: DE1919557B2
Application number: DE1919557A
Authority: DE
Inventors: John Lewis Lackawanna N.Y. Wagner (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1968-05-07
Filing date: 1969-04-17
Publication date: 1978-03-02
Also published as: JPS5528725B1; BE732471A; ES366847A1; GB1270296A; DE1919557A1; BR6908486D0; NL6906979A; FR2007999A1; DE1919557C3; NL160731B; NL160731C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von einer oder mehreren Komponenten aus Gasgemischen durch selektive Adsorption und nachfolgende Desorption, bei dem mindestens drei Adsorberbetten alternierend in einer Adsorptionsphase durch Einleiten des Einsatzgases und Abziehen des nicht adsorbierten Produktgases beladen und in einer Desorptionsphase bei einem niedrigeren Druck desorbiert werden, wobei ein Teil des Produktgases zurückgeführt und mit mindestens einem Teil des zurückgeführten Produktgases das desorbierte Bett mindestens teilweise wiederaufgedrückt wird.

Es ist bekannt (FR-PS 14 61 965), bei einem solchen Verfahren die Adsorberbetten alternierend vier Phasen durchlaufen zu lassen. Dabei schließt an die unter hohem Druck durchgeführte Adsorptionsphase eine erste Druckminderungsphase an, bei der beide Adsorberbettenden abgesperrt sind und die adsorbierte Komponente über ein kegelventil aus einer mittleren Adsorberbettzone abströmt. In einer zweiten Druckminderungs- und Spüiphase wird Spülgas in Form von Einsatz-, Produktoder Fremdgas an beiden Adsorberbettenden eingeleitet, während Gas aus dem mittleren Bereich mittels eines Kompressors unter Umgehung des Regelventils abgezogen wird. Anschließend wird das Adsorberbett mittels Einsatz- oder Produktgas im Gleichstrom wieder auf den Adsorptionsdruck gebracht. Das Regelventil wird von einem Regler derart gesteuert, daß während der ersten Druckminderungsphase die Druckdifferenz zwischen dem Produktgasauslaß und der mittleren Adsorberbettzone konstant bleibt. Dadurch sollen übermäßige Differenzdrücke, die zu Beschädigungen des Adsorberbettes führen könnten, vermieden werden.

Bei diesem Verfahren kann es ebenso wie bei anderen mit fest vorgegebenen Taktdauern arbeitenden Adsorptions-Desorptions-Trennverfahren zu unerwünschten Schwankungen von Reinheit, Durchflußmenge und Druck des Produktgases sowie zu unvollständiger Ausnutzung der Adsorptionsmittelkapazität kommen, wenn sich die Zufuhrbedingungen des Einsatzgases, z. B. Durchflußmenge, Zusammensetzung, Temperatur oder Druck dieses Gases, ändern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, derartige Schwankungen zu vermeiden und eine stets volle Ausnutzung der Adsorptionsmittelkapazität sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während der Adsorptionsphase ständig die relative Adsorptionsgeschwindigkeit ermittelt wird und dieser Geschwindigkeit entsprechend die Durchflußmenge des zurückgeführten Produktgases so geregelt wird, daß ein vorgegebenes Verhältnis zwischen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit und der Durchflußmenge des zurückgeführten Produktgases erhalten bleibt.

Unter relativer Adsorptionsgeschwindigkeit wird dabei die Geschwindigkeit verstanden, mit der eine Annäherung an die Gleichgewichtskapazität eines Adsorberbettes für einen oder mehrere adsorbierbare Stoffe erfolgt.

Durch die Aufrechterhaltung eines vorgegebenen

Verhältnisses zwischen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit und der Durchflußmenge des zurückgeführten Produktgases kann die Adsorptionsmittelkapazität auch bei schwankenden Einsatzbedingungen voll ausgenutzt werden. Eine hohe Reinheit und Ausbeute des Produktgases lassen sich sicherstellen. Schwankungen von Durchflußmenge und Druck des Produktgases sind weitgehend vermieden. Infolgedessen sind auch keine speziellen Pufferspeicherbehälter erforderlich.

Eine Variable, die die relative Adsorptionsgeschwindigkeit beeinflußt, ist die Gasbeladung, das heißt die Gasdurchflußmenge durch das mit dem Einsatzgasgemisch in Kontakt gebrachte Bett. Es kann die Einsatzgasdurchiiußmenge selbst bestimmt werden; es kann aber auch die Durchflußmenge des von dem im Betrieb befindlichen Bett abgeführten, nicht adsorbierten Produktgases ermittelt werden. Die letztgenannte Durchflußmenge ist um den Betrag der Adsorptionsmenge kleiner als die Durchflußmenge des Einsatzgases, doch bilden beide ein Maß für die Gasbeladung des Adsorptionsmittels. Wenn beispielsweise die Einsatzgasdurchflußmenge ansteigt und seine Zusammensetzung konstant bleibt, nimmt auch die relative Adsorptionsgeschwindigkeit zu. Eine andere Veränderliche, die die relative Adsorptionsgeschwindigkeit beeinflußt, ist die Einsatzgaszusammensetzung. Ein höherer Gehalt an adsorbierbaren Stoffen erhöht die relative Adsorptionsgeschwindigkeit. Eine weitere Veränderliche ist die Einsatzgastemperatur. Da die Kapazität aller Adsorptionsmittel mit steigender Temperatur abnimmt, nimmt unter diesen Umständen auch die relative Adsorpiionsgeschwindigkeit zu, falls die Gasbeladung konstant ist. Umgekehrt steigert ein höherer Druck die Adsorptionsmittelkapazität, so daß ein Druckanstieg die relative Adsorptionsgeschwindigkeit zu vermindern sucht. Die Annäherung, die ein bestimmtes Adsorptionsmittel an die theoretische Gleichgewichtskapazität erreicht, wird als Aktivität bezeichnet. Sind die anderen Faktoren konstant, führt eine Erhöhung der Aktivität des Adsorptionsmittels zu einer niedrigeren relativen Adsorptionsgeschwindigkeit. Es können sich mehr als eine der zuvor genannten Variablen gleichzeitig ändern, und das Regelverfahren kann zur Erfassung der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit die Ermittlung von mehreren Meßgrößen erfordern.

Vorzugsweise wird das zurückgeführte Produktgas zum Teil als Spülgas für die Desorptionspbase und zum Teil als Wiederaufdrückgas verwendet.

Vorzugsweise wird während des Wiederaufdrückens der Druck des dafür benutzten Produktgases überwacht und der Wiederaufdrückvorgang beendet, das betreffende Adsorberbett auf die Adsorptionsphase zurückgestellt sowie Taktänderungen in den anderer Adsorberbetten eingeleitet, sobald dieser Druck einen vorbestimmten, vorzugsweise zwischen 0,35 und 0,70 kp/cm² liegenden, Wert erreicht.

Da die Zeitdauer der Adsorptionsphase von der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit abhängt, wird jedem Adsorber das geeignete Einsatzgasvolumen zugemessen, das der Adsorber während jedes Taktes zu verarbeiten vermag. Die Regelung erfolgt zeitunabhängig und spricht nur auf die relative Adsorptionsgeschwindigkeit an.

Sind alle anderen Parameter konstant, kann ein Adsorber von vorgegebener Größe während der Adsorptionsphase unabhängig von der Einsatzgasdurchflußinenge ungefähr ein festes Volumen an Einsatzgas (Gesamtgasbeladung) reinigen. Wenn die Einsatzgasdurchflußmenge ansteigt, wird die Kapazität des Adsorbers rascher ausgenutzt, die Taktdauer muß verkürzt werden, und umgekehrt. Allgemein sollte die Taktdauer umgekehrt proportional der Durchflußmenge des durch den Adsorber strömenden Gases sein. Eine derartige Kapazitätbicgelung wird vorliegend auf Grund der Regelung der Durchflußmenge des zurückgeführten Gases erreicht.

Wie oben ausgeführt, brauchen alle anderen Parameter nicht notwendigerweise konstant zu bleiben. Es können verschiedene andere Veränderliche auftreten, die die Adsorbatkapazität des Bettes und/oder die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der diese Kapazität ausgenutzt wird. Das angegebene Verfahren ermöglicht es, alle derartigen Faktoren zu berücksichtigen, die die relative Adsortionsgeschwindigkeit beeinflussen. Das System stellt sich auf beliebige externe Anforderungen

ein und führt die internen Einstellungen durch, die notwendig sind, um einen gleichmäßigen, wirkungsvollen Betrieb aufrechtzuerhalten.

Eine zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Vorrichtung weist mindestens Adsorberbetten auf, von denen jedes über Umsteuerventile am einen Ende mit einer Einsatzgasleitung und am anderen Ende mit einer Produktgasleitung und einer an diese angeschlossenen Produktgasabzweigleitung verbunden ist. Sie ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwertgeber zum Bestimmen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit vorgesehen und in der Produktgasab-Zweigleitung eine Durchflußmengenregeleinrichtung angeordnet ist, die in Abhängigkeit von dem Meßwertgebersignal ein vorbestimmtes konstantes Verhältnis zwischen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit und der Durchflußmenge des zurückgeführten Produktgases aufrechterhält.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sitzt zwischen der Durchflußmengenregeleinrichtung und einem der beiden Enden der Adsorberbetten ein den Druck des Wiederaufdrückgases überwachender Druckgeber und ist zur Betätigung der Umsteuerventile eine Taktfolgesteuerung vorgesehen, die ihrerseits unter dem Einfluß des Druckgebers steht. Der Druckgeber kann in den Betten selbst angeordnet oder in Leitungen untergebracht sein, die an die Betten angeschlossen sind. Andere (elektrische oder pneumatische) Einrichtungen übermitteln Signale von den Meßwertgebern für den Produktgas-Wiederaufdrückvorgang an die Taktfolgesteuerung, wenn das Wiederaufdrückgas auf einen vorbestimmten Wert ansteigt. Diese Signale beenden das Wiederaufdrücken jedes Bettes, schalten dieses Bett wieder auf die Adsorptionsphase um und leiten gleichzeitig Taktänderungen in den anderen Betten ein.

Als Meßwertgeber kann zweckmäßig eine während der Adsorptionsphase auf die Massenübergangs-Adsorptionsfront ansprechende Einrichtung vorgesehen sein, deren Ausgang ebenso wie der Ausgang des den Druck des Wiederaufdrückgases überwachenden Druckgebers an einen die Durchflußmengenregeleinrichtung beeinflussenden Vergleicher angeschlossen ist. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung eignen sich unter anderem für das Trennen von Gasgemischen, bei denen Wasserstoff den Hauptbestandteil darstellt und bei denen kleinere, selektiv adsorbierbare Anteile, wie leichte aliphatische Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Argon und Wasser, vorhanden sind. Wasserstoffreiche Finsatzgase, die

mindestens eine dieser adsorbierbaren Komponenten enthalten, sind unter anderem Abgase von katalytischen Reformern, Schleifenspülgas aus der Methanolsynthese, dissoziiertes Ammoniak, Entmethanisier-Kopfgas, dampfreformierte Kohlenwasserstoffe, Schleifenspülgas aus der Ammoniaksynthese, elektrolytischer Wasserstoff und Quecksilbei zellen-Wasserstoff. Die Erfindung eignet sich auch zur Abtrennung der zuvor erwähnten adsorbierbaren Komponenten aus Gasgemischen, bei denen Stickstoff oder Helium den Hauptbestandteil darstellt. Das Adsorptionsmittel wird in Abhängigkeit von der erwünschten Trennung ausgewählt und kann beispielsweise ein kristallines zeolithisches Molekularsieb, Aktivkohle oder Kieselgel sein.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Fließschema einer für die Kapazitätsregelung nach der Erfindung geeigneten Vorrichtung,

F i g. 2 eine abgewandelte Ausführungsform eines Kapazitätsregelsystems, bei dem der ermittelte Einsatzgasdruck zur Beeinflussung der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit verwendet wird,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform eines Kapazitätsregelsystems, bei dem die ermittelte Einsatzgastemperatur verwendet wird,

F i g. 4 ein Fließschema einer Vorrichtung zur Durchführung einer Kapazitätsregelung unter Verwendung des Meßwertes für die Adsorptionsfront, wobei die Taktregelung auf der Messung des zum Wiederaufdrükken verwendeten Produktgases beruht,

Fig. 5 ein Beispiel eines Zeitprogramms, das sich beispielsweise für das Kapazitäts- und Taktregelsystem nach Fi g. 4 eignet,

F i g. 6 ein schematisches Fließschema eines Kapazitäts- und Taktregelsystem, das sich für drei parallelgeschaltete Adsorberbetten eignet und

Fig. 7 ein Beispiel eines. Zeitprogramms für die verschiedenen Taktstufen, das sich für das System nach F i g. 6 eignet.

F i g. i zeigt ein Kapazitätsregelsystem, das für einen durch einen Block dargestellten Adsorptions-Druckkreisprozeß 10 geeignet ist. Das Einsatzgasgemisch tritt über eine Leitung 11 mit einem ersten höheren Druck ein, worauf mindestens eine Komponente in dem Prozeß 10 selektiv adsorbiert wird. Das an der einen Komponente verarmte Produktgas tritt mit dem gleichen Druck (unter Vernachlässigung des Druckabfalles im Adsorberbett) über eine Leitung 12 aus. Ein desorbierter Gasstrom wird über eine Leitung 12a mit einem zweiten, niedrigeren Druck aus dem Prozeß 10 abgeführt. Ein Teil des Produktgases wird über eine Leitung 13 abgeleitet und zu dem Prozeß !C zurückgeführt. Mindestens ein Teil dieses Gases wird als Wiederaufdrückgas für ein desorbiertes Adsorberbett benutzt. Vor der Rückführung wird die Durchflußmenge dieses abgeleiteten Produktgases in der Durchflußmengenregeleinrichtung 14 für abgeleitetes Gas eingestellt. Das nicht abgeleitete Produktgas von der Leitung 12 wird über eine Leitung 15 aus dem System abgeführt.

Die Durchflußmenge des dem Proßeß 10 zugcführtcn Einsatzgases wird als Differenzdruck an einer Blende 16 in der Leitung 11 ermittelt, mittels eines Gebers 17 in ein Signal umgewandelt und über eine elektrische oder pneumatische Verbindung als Rcgclsignal 18 einer einstellbaren Drossel 19 in der Leitung 13 für das abgeleitete Produktgas zugeführt. Bei der Drossel 19 handelt es sich im dargestellten Aii.sführiingsbeispiel um ein automatisch eingestelltes Ventil, dessen Drosselungsgrad von der Größe des Regelsignals 18 abhängt. Zwei Druckabgriffe 20 und 21, von denen der eine vor und der andere hinter der Drossel 19 liegt, sind an einen Druckdifferenzgeber 22 angeschlossen, der ein Signal 23 erzeugt, das den Wert ΔΡ20,2\ darstellt. Das Signal 23 wird einem Druckdifferenzregler 24 zugeführt, der das Signal mit einem vorgewählten Wert vergleicht und ein Signal 25 erzeugt, das kennzeichnend für eine positive

ίο oder negative Abweichung von einem vorbestimmten Wert ΔP an der Drossel 19 ist. Mit dem Signal 25 wird ein Mengenregler 26 angesteuert, der in der Leitung 13 für das abgeleitete Produktgas in Strömungsrichtung hinter der Drossel 19 und vor der Rückführung zu dem Prozeß 10 liegt. Das Signal 25 bewirkt, daß der Mengenregler 26 die Durchflußmenge des abgeleiteten Gases derart verstellt, daß der Wert ΔP 20, 21 auf dem vorbestimmten Wertgehalten wird.

Solange das Signal 18 gleich bleibt, wird die Drossel 19 nicht verstellt und wird die Durchflußmenge des zu dem Prozeß 10 zurückgeführten, abgleiteten Gasstromes auf einem konstanten Wert gehalten. Falls jedoch beispielsweise der Wert des die Einsatzgasdurchflußmenge darstellenden Signals 18 infolge einer Durchflußmengensteigerung anwächst, öffnet sich die Drossel 19 nach und nach und bildet einen geringeren Strömungswiderstand. Die Durchflußmenge des abgeleiteten Gases nimmt infolgedessen zu, bis der Wert von ΔΡ20, 21 wieder auf den vorgewählten Wert zurückgestellt ist.

Auf diese Weise wird der Gesamtwiderstand in der Leitung 13 für das abgeleitete Produktgas derart eingestellt, daß die Durchflußmenge des zu dem Prozeß 10 abgeleiteten Gasstromes sich in Abhängigkeit von der Amplitude des die Einsatzgasdurchflußmenge darstellenden Signale 18 ändert und bei jedem gleichbleibenden Wert des Signals 18 gleichförmig bleibt.

Die Durchflußmenge des abgeleiteten Gases hängt also von den an das System gestellten Anforderungen ab. Das abgeleitete Gas wird geregelt, indem eine gewünschte Strömungsmenge an einer Drosselstelle in dem abgeleiteten Gasstrom aufrechterhalten wird. Eine kapazitätsabhängige Regelung wird erhalten, indem der Sollwert der Gesamtdrosselung in dem abgeleiteten Gasstrom in Abhängigkeit von der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit des Systems verstellt wird.

Falls das durch den Meßwertgeber für die relative Adsorptionsgeschwindigkeit erzeugte Signal nicht linear ist, kann es zweckmäßig sein, dieses Signal in eine

so lineare Funktion der Durchflußmenge umzuwandeln Die Druckdifferenz an der Blende 16 ist eine Funktior des Quadrats der Durchflußmenge und kann eine derartige Umwandlung erfordern. Die Umwandlung ir ein lineares Signal ist besonders vorteilhaft, wenn eine einstellbare Drossel in der Durchflußmengenregeleinrichtung für das abgeleitete Gas verwendet wird beispielsweise in Form des automatisch eingestellter Ventils 19. Die Einrichtung 27, beispielsweise eir elektrischer oder pneumatischer Analogrechner, wan·

bo delt das Ausgangssignal 28 des Gebers 17 in ein Signa um, das sich in Abhängigkeit von der Einsatzgasdurchflußmenge linear ändert. Wird jedoch in der Durchflußmengenregeleinrichtung 14 für das abgeleitete Gas eine feste Drossel 19, beispielsweise eine Blende, verwendet

b5 braucht das Adsorptionsgcchwindigkeitssignal de; Gebers 17 nicht in eine lineare Funktion dei Gasdurchflußmcngc umgewandelt zu werden.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform einci

Kapazitätsregelung unter Verwendung einer Blende für die Überwachung der Durchflußmenge des abgeleiteten Gases, wobei der Einsatzgasdruck als weitere Veränderliche ermittelt wird, die die relative Adsorptionsgeschwindigkeit beeinflußt (und zwar zusätzlich zu der Einsatzgasdurchflußmenge). Die Druckdifferenz an der Blende 19 wird über die Druckabgriffe 20 und 21 dem Geber 22 zugeführt. Das resultierende Signal 25 ist. ebenso wie das Signal 18 des Einsatzgasdurchflußmengendifferenzgebers 17, eine Funktion des Quadrates der Durchflußmenge. Beide Signale 18 und 25 können einem Mengenverhältnisregler 30 zugeführt werden, der das Verhältnis der beiden Gasströme vorgibt und ein Signal 25a liefert, das kennzeichnend für die positive oder negative Abweichung von einem voreingestellten Sollwert des Verhältnisses ist. Das Signal 25a wird dem Regler 26 zugeleitet, der in Reihe mit der als Blende ausgebildeten Drossel 19 liegt, um in der in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 beschriebenen Weise das gewünschte Verhältnis zwischen der Durchflußmenge des Einsatzgases und der Durchflußmenge des abgeleiteten Gases aufrechtzuerhalten.

Weil der Einsatzgasdruck die Adsorptionsmittelkapazität beeinflußt, kann er auch einen Einfluß auf die Menge des Einsatzgases und die Zeit ausüben, die erforderlich sind, um das Bett bis zu dem erlaubten Grenzwert zu beladen, das heißt einen Einfluß auf die relative Adsorptionsgeschwindigkeit haben. Der Einsatzgasdruck wird über einen Abgriff 31 mittels eines Gebers 32 erfaßt, der ein elektrisches oder pneumati- 3u sches Signal 33 erzeugt, das mittels eines Analogrechners 34 in eine Information umgewandelt wird, die die geeignete Beziehung zwischen dem Druck und der Adsorptionsmittelkapazität wiedergibt. Das resultierende Signal 35 wird dem Mengenverhältnisregler 30 zugeführt und verstellt dessen Sollwert Wenn beispielsweise der Einsatzgasdruck ansteigt, während die anderen Faktoren konstant bleiben, nimmt die relative Adsorptionsgeschwindigkeit ab. Die Dauer der Adsorptionsstufe kann verlängert werden; die Durchflußmenge des abgeleiteten Gases wird herabgesetzt, so daß die Strömung gleichförmig über die längere Zeitspanne der Adsorptionsstufe verteilt wird.

Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kapazitätsregelung, bei der die Einsatzgastemperatur als die einzige überwachte Veränderliche verwendet wird, die die relative Adsorptionsgeschwindigkeit beeinflußt. Diese Anordnung ist einfacher als diejenige nach den F i g. 1 und 2 und kann verwendet werden, wenn zu erwarten ist, daß bis auf die Temperatur alle anderen Variablen konstant bleiben. Die Einsatzgastemperatur wird über eine Sonde 40, beispielsweise ein Widerstandsthermometer, ermittelt, die mit dem Geber 32 verbunden ist. Der Geber 32 erzeugt das Ausgangssignal 33, das seinerseits mittels des Analogrechners 34 in eine Information umgesetzt wird, die die richtige Beziehung zwischen der Einsatzgastemperatur und der Adsorptionsmittelkapazität wiedergibt. Das resultierende Ausgangssignal 18 wird zur Verstellung des Regelventils 19 benutzt, das als einstellbarer Wider- (,< > stand in der Leitung 13 für das abgeleitete Produktgas wirkt. Der Regler 26 ist als Gegendruckventil aufgebaut, das an einer Stelle zwischen dem Regler 26 und dem Regelventil 19 einen gleichbleibenden, vorbestimmten Druck aufrechterhält. Bei dieser Anordnung wird davon {,5 ausgegangen, daß der Druck des abgeleiteten Produktgases stromaufwärts vom Ventil 19 bereits konstant ist. Wenn die Einsatzgiistcmpcratur abnimmt, steigt die Adsorptionsmittelkapazität an und verkleinert sich die relative Adsorptionsgeschwindigkeit. Der Takt kann verlängert werden; die Durchflußmenge des abgeleiteten Gases wird in geeigneter Weise verringert.

Bei den Anordnungen nach den Fig. 2 und 3 wird ebenso wie bei der Anordnung nach Fig. I mindestens ein Teil des abgeleiteten Gases zum Wiederaufdrücken der Adsorptionsbetten nach der Desorption verwendet Bei den meisten Ausführungsformen bildet das Wiederaufdrückgas den Hauptteil des abgeleiteten Gases. Bei dem fcSgenden AusFührungsbeispiel wird das gesamte abgeleitete Gas zum Wiederaufdrücken benutzt.

Fig.4 zeigt eine weitere Ausfübrungsform, bei der eine Kapazitätsregelung in Kombination mit einer Taktregelung verwendet wird, die auf der Ermittlung des Druckes des zum Wiederaufdrücken benutzten Produktgases während des Wiederaufdrückens des desorbierten ersten Bettes beruht. Die Durchflußmenge des Wiederaufdrückgases wird in der zuvor beschriebenen Weise geregelt Der Meßwert für den Druck des Wiederaufdrückgases wird, wenn er einen vorbestimmten Wert erreicht, in ein übertragbares Signal umgewandelt Dieses Signal wird benutzt, um gleichzeitig sowohl das Wiederaufdrücken des ersten Bettes zu beenden und dieses Bett wieder auf die selektive Adsorptionsstufe umzuschalten, als auch Taktänderungen in den anderen Adsorberbetten einzuleiten. Die Durchflußmenge des abgeleiteten Gases wird dabei so eingestellt, daß die Wiederaufdrückstufe im wesentlichen gleichzeitig mit dem Abschluß der Adsorptionsstufe des in Betrieb befindlichen Bettes abgeschlossen ist.

Vier Adsorberbetten A, B, Cund D sind zwischen der Sammelleitung Ii für das Einsatzgasgemisch und der Sammelleitung 12 für das nicht adsorbierte abströmende Produktgas parallelgeschaltet. Automatische Ventile IA IS, IC und ID führen dem ersten Bett A dem zweiten Bett ö, dem dritten Bett C bzw. dem vierten Bett D Einsatzgas zu. Automatische Ventile 2A 2B, 2C und 2D lassen Produktgas von den Betten in die Produktgassammelleitung 12 gelangen. Die adsorbierten Komponenten werden durch Gegenstromdruckminderung und Spülen über eine Ablaßsammelleitung 50 am Einlaßende der Betten abgeleitet. Die Einlaßenden der Adsorberbetten A und B sind mit der Ablaßsammelleitung 50 über eine Leitung 51 verbunden, in der automatische Ventile 3/4 und 3ß liegen. In ähnlicher Weise sind die Einlaßenden der Adsorberbetten Cund D mit der Ablaßsammelleitung 50 über eine Leitung 52 verbunden, in der automatische Ventile 3C und 3D liegen.

Eine Druckausgleichsleitung 53 verbindet die Auslaßenden der Adsorberbetten .4 und B; in ähnlicher Weise sind die Auslaßenden der Adsorberbetten Cund Düber eine Druckansgleichsleitung 54 miteinander verbunden. Um für einen Druckausgleich zu sorgen, befinden sich in den Druckausgleichsleitungen 53 und 54 automatische Ventile 4AB bzw. 4CD. Ventile 55 und 56, die in Reihe mit den Druckausgleichsventilen 4ABbzw. ACD liegen, sind von Hand voreingestellte Drosseleinrichtungen, die verhindern, daß übermäßig hohe Durchflußmengen auftreten, und die es erlauben, die Druckausgleichsgeschwindigkeiten zwischen den Adsorptionsbettpaaren /4ßund CD einzustellen und aufeinander abzustimmen.

Automatische Ventile 5A 5ß, 5Cund 5Dsind an den Auslaßenden der Betten vorgesehen. Zwei dieser Ventile öffnen gemeinsam, um Gleichstromdruckmindcrungsgas von einem Adsorberbclt als Spülgas in einem anderen Bell zu benutzen. Handventile 57 und 58, die in

Spülgasverbindungsleitungen 59 bzw. 60 liegen, haben den gleichen Zweck, wie er oben in Verbindung mit den Ventilen 55 und 56 im Druckausgleichskreis erläutert wurde. Die Spülgasverbindungsleitungen 59 und 60, die parallelgeschaltet sind, enthalten ferner Gegendruck- ^r> regler 61 und 62, die in entgegengesetzten Ströniungsrichtungen ausgerichtet sind, so daß sie die Strömung in beiden Richtungen zwischen Bett A oder B und Bett C oder D bestimmen. Die Gegendruckregler 61 und 62 sind so eingestellt, daß sie in dem auf Gleichstromdruckminderung geschalteten Bett einen Mindestdruck, zum Beispiel einen Druck von 3,52 kg/cm², aufrechterhalten. Wenn dieser Druck erreicht ist, werden die Gleichstromdruckmindcrungsstufe und die Spülstufc beendet. Diese Anordnung vermeidet eine Fortführung der Gleichstromdruckminderung auf einen zu niedrigen Druck und gestattet damit eine Zwangsregelung der Adsorptionsfront der einen Komponente während dieser Stufe. Der Druck kann so gewählt werden, daß ein Durchbruch der Front verhindert wird. Nach Wunsch kann aber auch ein begrenzter Durchbruch zugelassen werden.

Wie oben ausgeführt, stellen die Ventile 55,56,57 und 58 die Gasdurchflußmenge begrenzende Einrichtungen dar, die eine Beschädigung der Betten infolge eines übermäßigen 4.Poder einer zu hohen Gasgeschwindigkeit verhindern. Ähnliche Vorsichtsmaßnahmen können während der Gegenstromdruckminderung mittels eines voreingestellten Drosselventils 63 getroffen werden, das als Nebenschluß zu einem Hauptablaßventil 64 in der Ablaßsammelleitung 50 wirkt. Während der Gegenstromdruckminderung wird das automatische Hauptablaßventil 64 geschlossen. Dadurch wird das Gas gezwungen, den Umweg über das Ventil 63 zu nehmen. Während der anschließenden, bei niedrigstem Druck durchgeführten Spülstufe öffnet das Ventil 64, um den Strömungswiderstand in der Abiaßsammelleitung 50 kleinstmöglich zu halten.

Die Adsorptionsstufe wird vorzugsweise beendet, wenn sich die Adsorptionsfront der ausgewählten ίο Komponente vollständig innerhalb des Bettes befindet. Dieser Punkt kann in bekannter Weise bestimmt werden, wobei die Eingabebedingungen und die Zusammensetzung des Einsatzgases, die Adsorptionsmittelkapazität und die dynamischen Eigenschaften berücksichtigt werden. Auch die Druckausgleichsstufe wird vorzugsweise beendet, während sich die Adsorptionsfront noch vollkommen innerhalb des Bettes befindet und bevor der Druchbruch erfolgt. Dies gestattet die Trennung der adsorbierbaren Stoffe von dem in den Zwischenräumen des Adsorberbettes eingeschlossenen Gas durch das Adsorptionsmittel im Auslaßende des Bettes, so daß das austretende Druckausgleichsgas praktisch die gleiche Reinheit wie das Produktgas hat. Die anschließende Gleichstromdruckminderungsstufe kann über den Druchbruchpunkt hinaus fortgesetzt werden, weil das austretende Gas nur zum Spülen benutzt wird; die Regelung dieser Stufe kann miltels der Regler 61 und 62 erfolgen. Der Durchbruch kann beispielsweise dadurch erkannt bo werden, daß die Konzentration der adsorbierbaren Stoffe in dem abgeführten Gas überwacht und der Augenblick ermittelt wird, bei dem diese Konzentralion merklich ansteigt. Die Spülstufe wird am wirkungsvollsten in der Weise durchgeführt, daß nur ein Teil der b5 adsorbierbaren Stoffe aus dem Bett mit dem Spülgas beseitigt wird, das heißt, daß eine Tcildcsorption erfolgt. Das im Gegenstrom fließende Spülgas und das zum Wiederaufdrücken verwendete Produktgas drücken die restlichen adsorbierbaren Stoffe zurück in Richtung auf das Einlaßende. Dies stellt ein reines Produkt selbst während des Anfangsteiles der anschließenden Adsorptionsstufe sicher.

Die Leitung 13 für das abgeleitete Produktgas ist an die Durchflußmengenregeleinrichtung 14 für dieses Gas angeschlossen. Das auf eine vorbestimmte Durchflußmenge eingestellte Gas gelangt in eine Leitung 65, die über Wiederaufdrückventile βΑ bis 6D mit den zu den Adsorbern A bis D führenden Produktgasleitungen in Verbindung steht.

Die Arbeitsweise des Produktgas-Wiederaufdrückkreises sei an Hand des Adsorbers D erläutert. Die anderen Adsorber A bis C werden in analoger Weise wiederaufgedrückt. Nachdem der Adsorber D die bei niedrigstem Druck durchgeführte Spülstufe abgeschlossen hat, werden die Ventile 3D und SD geschlossen und wird das Druckausgleichsventil 4CD in der Leitung 54 geöffnet, um die erforderliche Verbindung mit dem (ursprünglich auf einem höheren Druck befindlichen) Adsorber C herzustellen. Entweder gleichzeitig damit oder bei Erreichen des Druckausgleichs wird ein Teil des Produktgases vom Adsorber A in der Sammelleitung 12 über die Leitung 13, die Durchflußmengenregeleinrichtung 14 für das abgeleitete Gas, die Leitung 65 und das Ventil 6D abgeleitet, um in das Auslaßende des Adsorbers D einzuströmen. Der Gasfluß dauert an, bis der Adsorber D auf ungefähr den Produktdruck wiederaufgedrückt ist. Das Einsatzgasventil ID und das Produktgasventil 2D werden während des gesamten Wiederaufdrückvorganges geschlossen gehalten.

Für die Kapazitätsregelung wird eine Gasprobe aus dem im Betrieb befindlichen Bett, beispielsweise dem Bett A, über eine Sonde 70 abgezogen und entweder kontinuierlich oder intermittierend in einem Analysator 71 analysiert. Die Sonde 70 ist vorzugsweise an der Grenzstelle angeordnet, bis zu der man die Massenübergangsfront vorrücken läßt, bevor die Umschaltung auf ein desorbiertes und wiederaufgedrücktes Bett erfolgt. Eine kontinuierliche oder wiederholte Analyse der Gasprobe zeigt einen steilen Anstieg des Adsorbatgehaltes, wenn die Front die Sonde erreicht, was erkennen läßt, daß das Bett bis zu der zulässigen Kapazität beladen ist. Der Analysator 71 wird so ausgewählt, daß er sich für die zu überwachende Komponente eignet, bei der es sich für gewöhnlich um die am wenigsten stark adsorbierbare Komponente handelt, die in dem Bett festgehalten werden soll. Geeignete Analysatoren sind beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeitszelle zur Ermittlung einer Stickstoff-Argon- oder Kohlenmonoxydfront und eine Flammenionisationseinheit zur Ermittlung einer Kohlenwasserstofffront. Der Analysator 71 sollte in der Lage sein, ein Ausgangssignal 72, zum Beispiel einen elektrischen Impuls, in dem Augenblick zu erzeugen, in dem die Front am Ort der Sonde festgestellt wird.

Der Wiederaufdrückwert in einem anderen Bett, zum Beispiel dem Bett D, wird mittels einer Druckdifferenzzelle 73 unabhängig überwacht. Dieses Gerät ermittelt den Wert ΔΡ zwischen der Einsatzgasleitung 11 und dem hinsichtlich der Durchflußmenge eingestellten Wicderaufdrückgas in der Leitung 65 mit Hilfe von Druckabgriffen 74 und 75. Wenn der auf diese Weise gemessene ΔP-Wert auf einen vorbestimmten Wer!, beispielsweise 0,35 bis 0,70 kg/cm², abfällt, erzeugt die Druckdiffcrcnzzcllc 73 ein Signal 76, beispielsweise in Form eines elektrischen Impulses.

Das Signal 72, das den Abschluß der Adsorptionsstufe des Bettes A anzeigt, und das Signal 76, das den Abschluß der Wiederaufdrückstufe des Bettes D erkennen läßt, werden beide einem Instrument 77 zugeführt. Letzteres erzeugt das Signal 18, mittels dessen der Sollwert der Drossel 19 (Fig. 1 oder 3) in der Leitung 13 der Durchflußmengenregeleinrichtung 14 für abgeleitetes Gas verstellt wird. Das Instrument 77 ist so ausgelegt, daß es ein Signal 18 liefert, dessen Stärke von der Zeitspanne zwischen dem Auftreten der Signale 72 und 76 abhängt. Werden diese beiden Signale gleichzeitig empfangen (Zeitintervall gleich Null), ist der Takt »abgeglichen« und bleibt das Ausgangssignal 18 ungeändert. Wird das Analysatorsignal 72 als erstes empfangen, ist dies eine Anzeige dafür, daß die Adsorption rascher fortgeschritten ist als das Wiederaufdrücken. Das Instrument 77 ändert das Signal 18 in einer solchen Richtung, daß die Wiederaufdrückgeschwindigkeit erhöht wird. Geht umgekehrt das Wiederaufdrücksignal 76 als erstes ein, bedeutet dies, daß das Wiederaufdrücken rascher als die Adsorption erfolgt ist. Das Instrument 77 ändert dann das Signal 18 in der entgegengesetzten Richtung, um die Wiederaufdrückgeschwindigkeit abzusenken. Bei einer möglichen Ausführungsform des Instruments 77 setzt die Änderung des Signals 18 bei Empfang des ersten Signals ein und hört bei Empfang des zweiten Signals auf. Während dieser Änderungsperiode ist die Änderungsgeschwindigkeit des Signals gleichförmig, so daß die Gesamtkorrektur des Signals ein Maß für die Unsymmetrie innerhalb des Taktes darstellt. Das Instrument 77 kann ein handelsüblicher elektrischer oder pneumatischer, motorisch angetriebener Sägezahngenerator sein, dessen Ausgangssignal sich nach oben oder unten proportional zu der zwischen den Eingangssignalen liegenden Zeitspanne ändert und der ein konstantes Ausgangssignal liefert, wenn dieses Zeitintervall gleich Null ist.

Der Vorteil der Kapazitätsregelung nach Fig.4 besteht darin, daß sie jede beliebige Variable oder Kombination von Variablen berücksichtigt, die die relative Adsorptionsgeschwindigkeit eines Adsorberbettes beeinflußt. Beispielsweise suchen eine Vergrößerung der Einsatzgasdurchflußmenge, eine Erhöhung der Einsatzgastemperatur, eine Absenkung des Einsatzgasdruckes, eine Erhöhung des Adsorbatgehaltes des Einsatzgases oder eine fortschreitende Verringerung der Adsorptionsmittelaktivität jeweils die relative Adsorptionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Wenn das Adsorberbett A rascher beladen wird, stellt der Analysator 71 die Adsorptionsfront früher fest und wird über das Signal 18 an die Durchflußmengenregeleinrichtung 14 für das abgeleitete Gas die Geschwindigkeit bzw. Durchflußmenge des zum Wiederaufdrücken verwendeten, über die Leitung 65 und das Ventil 6D dem Bett Dzugeführten Produktgases erhöht.

Fig.5 zeigt einen speziellen Prozeß mit einer sechsstufigen Folge. Dieser Prozeß kann mittels einer bevorzuglen Ausführungsform des Kapazitäts- und Taktrcgelsystems nach der Erfindung geregelt werden, wobei vier stromungsmäßig parallelgeschaltete Adsorbcrbcttcn benutzt werden. Die sich wiederholenden Taktstufen umfassen der Reihe nach: I. das Inkontaktbringen eines Gasgemisches bei einem ersten höheren Druck mit einem ersten Bett zur selektiven Adsorption mindestens einer Komponente und Abführung des an der einen Komponente verarmten Produktsgases (Adsorptionsstufc), 2. den Druckausgleich auf einen zweiten Zwischendruck mit einem zweiten zuvor desorbierten Bett, das sich zunächst auf einem niedrigeren Druck befindet, durch Einströmenlassen von in den Zwischenräumen eingeschlossenem Gas (Druckausgleichsstufe), 3. die: Gleichstromdruckminderung auf einen dritten Druck, der niedriger als der Zwischendruck liegt, indem zusätzliches in den Zwischenräumen eingeschlossenes Gas von dem ersten Bett als Spülgas durch ein drittes Bett strömt (Gleichstromdruckminderungsstufe), 4. die Gegenstromdruckminderung auf einen niedrigsten Druck zur teilweisen Desorption und teilweisen Beseitigung der einen Komponente (Gegenstromdruckminderungsstufe), 5. das Gegenstromspülen durch Gleichstromdruckminderungsgas von einem vierten Bett auf dem niedrigsten Druck zwecks Desorption und Beseitigung der restlichen einen Komponente (Spülstufe) und 6. das Gegenstromwiederaufdrücken des desorbierten ersten Bettes auf einen höheren Druck durch Einleiten von in den Zwischenräumen eingeschlossenem Gas von dem zweiten Adsorberbett und Produktgas von dem dritten Adsorberbett, derart, daß der letzte Teil des Wiederaufdrückvorganges nur mit dem Produktgas erfolgt (Wiederaufdrückstufe). Der letzten Stufe folgt das Wiederinkontaktbringen des Einsatzgasgemisches mit dem vierten, zweiten und dritten Bett, die dem ersten Bett in der Adsorption und der anschließenden Taktstufenfolge sukzessive folgen.

In F i g. 5 sind die in das Vierbett-System hinein- und

JO aus ihm herausfließenden Ströme durch lotrechte Linien angedeutet, die die Einsatzgassammelleituug 11, die Sammelleitung 12 für das abströmende, nicht adsorbierte Produktgas und die Desorbatsammelleilung 12a miteinander verbinden. Die Einsatzgassammelleitung 10 steht in lotrechter Richtung mit jeder der vier Adsorptionsstufen in Verbindung, die ihrerseits in lotrechter Richtung an die Produktgassammelleitung 12 angeschlossen sind. Die Gegenstromdruckminderungs- und Spülstufen, während deren die adsorbierte Komponente aus den Betten abströmt, sind lotrecht mit der Desorbatsammelleitung 12a verbunden. Die Wiederaufdrückstufen, bei denen ein Teil des abströmenden, nicht adsorbierten Produktgases verwendet wird, sind lotrecht mit der Produktsammelleitung 12 verbunden. Die

■Γ) Ausnutzung des Gleichstromdruckminderungsgases innerhalb des Systems ist durch waagrechte Flußlinien angedeutet, wobei jede Druckausgleichsstufe mit einer Wiederaufdrückstufe eines anderen Bettes waagerecht verbunden ist. Jede Gleichstromdruckminderungsslufe ist mit einer Spülstufe eines anderen Bettes waagerecht verbunden.

Bei diesem speziellen Takt machen, bezogen auf eines der Betten, die Adsorption ein Viertel des Gesamttaktes, der Druckausgleich und die Gleichstromdruckminderung ein Viertel des Gesamttaktes, die Gegenstromdruckminderung und das Spülen ein weiteres Viertel des Gesamttaktes und das Wiederaufdrücken das restliche Viertel des Gesamttaktes aus.

Wenn bei der Anordnung nach Fig.4 der Wert AP

bo zwischen dem Einsatzgas und dem abgeleiteten, zuni Wiederaufdrückcn verwendeten Produktgas auf einen durch die Druckdiffcrcnzzelle 73 erfaßten vorbestimmten Wert abfällt, liefert die Zelle ein Signal 78, das für die Folge der Ventilumstellungen sorgt, die erforderlich

b5 sind, um das vierte Bett (Bett D) auf die Adsorptionsstufc einzustellen. Aus Fig.5 folgt, daß der Abschluß der WicderiHifdrUckstufe (ebenso wie die Einleitung der Adsorptionsstufe) im Bett Diviertes Bett) drei Minuten

nach dem Wiederaufdrücken erfolgt, das heißt zu einem Zeitpunkt, der einem Viertel des Vierbett-Taktes entspricht Der Abschluß des Wiederaufdrückvorganges fällt ferner mit den folgenden zusätzlichen Vorgängen in den anderen Adsorbern zeitlich zusammen:

Ende der Adsorption und
Einleitung des Druckausgleichs

Ende des Spülens und Beginn
des Wiederaufdrückens

Ende der Gleichstromdruckminderung und Einleitung der
Gegenstromdruckminderung

Bett Λ
(erstes Bett)

Bett S
(zweites Bett)

Bett C
(drittes Bett)

Das von der Druckdifferenzzelle 73 erzeugte Signal 78 kann benutzt werden, um jede der vier oben aufgezählten Taktänderungen zu bewirken, jedoch nicht: !) Ende des Druckausgleichs und Einleitung der Gleichstromdruckminderung oder 2) Ende der Gegenstromdruckminderung und Einleitung des Spülens. Diese Änderungen erfolgen nur eine kurze Zeitspanne, z. B. 30 Sekunden, nach dem Auftreten der zuerst erwähnten Änderungen. Dieses Intervall kann ohne Nachteil für die Taktsteuerung als feste Zeitspanne vorgegeben werden und wird zweckmäßigerweise mittels eines Zeitgebers gemessen.

Fig.4 zeigt als Ausführungsbeispiel ein vorteilhaftes Verfahren der Anwendung des Signals 78 zur Herbeiführung der erwünschten Taktänderungen einschließlich der obengenannten kurzen Festzeitintervalle. Das Signal 78 wird einer Ventilsteuerschaltung 93 zugeführt, wo es die Spule 85 eines Relais erregt, so daß ein Kontakt 86 schließt. Dadurch wird ein Stromkreis von einer Stromquelle 86a zu einem Motor 87 geschlossen, der eine Nockenwelle 88 antreibt. Der Motor ist in Verbindung mit einem geeigneten Getriebe derart ausgelegt, daß er die Nockenwelle um eine viertel Umdrehung in mindestens der Zeitspanne dreht, die zwischen den beiden Gruppen der oben angegebenen Ventüumstellungen vergeht und zum Beispiel 30 Sekunden beträgt.

Wenn die Nockenwelle zu rotieren beginnt, schließt ein Nocken 89 sofort einen Kontakt 90, wodurch ein Stromkreis zu dem Ventil 2D hergestellt wird. Dieses Ventil öffnet. Zusätzliche Nocken (z. B. 89a) sind in der erforderlichen Anzahl vorgesehen, um Schalter (z. B. 90a) zum Erregen oder Entregen weiterer Ventile zu betätigen, die gleichzeitig mit dem Ventil 2D arbeiten. Ein weiterer Nocken 91 schließt einen Kontakt 92, um einen Nebenschluß zu dem Relaiskontakt 86 herzustellen und auf diese Weise den Motor 87 eingeschaltet zu halten. Dies ist erforderlich, weil das Signal 78 zur Spule 85 unterbrochen wird, sobald die erste Gruppe von Ventüumstellungen erfolgt, und zwar auf Grund der Wiederanschaltung der Wiederaufdrückleitung 65 an ein anderes, unter niedrigem Druck stehendes Bett.

Der Motor und die Nockenwelle drehen sich während des für den Druckausgleich und die Gleichstromdruckminderung erforderlichen Zeitintervalls weiter, worauf zusätzliche auf der Nockenwelle sitzenden Nocken Schalter betätigen, die die zweite Gruppe der oben angegebenen Ventüumstellungen bewirken. Unmittelbar nach Abschluß der zweiten Gruppe der Ventilum-.sieiiurigcn öffnet der Nocken 9i wieder den Konlakl 92, wodurch der Motor zum Anhalten gebracht wird. Der Motor beginnt erst wieder zu laufen, wenn der von der Druckdifferenzzelle 73 ermittelte Wert AP erneut au( den vorbestimmten Wert, z. B. 0,35 bis 0,70 kg/cm², abfällt und das Signal 78 wiederhol) wird. Wenn das Signal 78 erneut auftritt, dreht der Motor die Nockenwelle um eine weitere viertel Umdrehung; eine gesonderte Gruppe von Nockenschaltern bewirkt dann die Ventüumstellungen, die bei diesem Viertel des

ίο Taktes auftreten.

Aus F i g. 5 geht hervor, daß mit Rücksicht auf die den Taktänderungen zugeordneten Ventile mehrere Ventile gleichzeitig ansprechen können. Beispielsweise kann die oben beschriebene Betätigung des Ventils 2D mit der Betätigung der Ventile ID, 3C und 65 zeitlich zusammenfallen. Alle diese gemeinsam arbeitenden Ventile können mittels desselben Nockenschalter erregt und entregt werden, wodurch die Steuereinrichtung vereinfacht wird.

Es versteht sich, daß die Nockensteuerung nicht die Zeitspanne des Taktes vorgibt, weil sie während eines Teils jedes Vierteltaktes ausgeschaltet bleibt und sich nur auf Anforderung durch den Prozeß hin erneut zu drehen beginnt. Die einzige Zeitspanne, die die Taktsteuerung vorgibt, ist die verhältnismäßig kurze Zeitdauer zwischen der ersten und der zweiten Gruppe von Ventüumstellungen, die gemeinsam eine Taktänderung darstellen.
Das Signal 78 beruht auf der Druckdifferenz zwischen

jo der Einsatzgassammelleitung 11 und der Wiederaufdrückgasleitung 65 und nicht auf den Drücken innerhalb oder nahe von speziellen Adsorberbetten. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ein einziger ΔΡ-Geber 73 sämtlichen Betten gemeinsam zugeordnet werden

j5 kann und keine Umstellung der Druckabgriffe 74 und 75 von Bett zu Bett erfolgen muß. Fall erwünscht, kann jedoch eine Umstellung der Druckabgriffe von Bett zu Bett vorgesehen sein; Einrichtungen zur Durchführung einer solchen Arbeitsweise, beispielsweise ein Schrittschaltrelais oder ein intermittierend betätigter Nockenschalter, sind bekannt.

Mittels ähnlicher Einrichtungen kann die Sonde 70, die die Gasprobe von jedem Bett zum Analysator 71 gelangen läßt, von Bett zu Bett umgeschaltet werden.

Die Umschaltung kann z. B. zweckmäßigerweise mit Hilfe von Magnetventilen erfolgen, die mittels eines Schrittschaltrelais, mittels Nockenschaltern oder dergleichen der Reihe nach an Spannung gelegt werden.
Bei der in den Fig.4 und 5 dargestellten Taktregelung wird also das Produktgaswiederaufdrücksignal benutzt, um gleichzeitig: 1) das Wiederaufdrücken des vierten Bettes zu beenden und das Bett auf die selektive Adsorptionsstufe umzuschalten, 2) die Gleichstromdruckmindemngsstufe im dritten Bett zu beenden und die Gegenstromdruckminderungsstufe einzuleiten, 3) die selektive Adsorptionsstufe im ersten Bett zu beenden und die Druckausgleichsstufe einzuleiten und 4) die Gegenstromspülstufe im zweiten Bett zu beenden und die Gegenstromwiederaufdrückstufe einzuleiten.

bo Es wird dafür gesorgt, daß zwei Vorgänge im wesentlichen gleichzeitig erfolgen, und zwar der Abschluß der Adsorbatbeladung in einem Bett und der Abschluß des Wiederaufdrückens in einem anderen desorbierten Bett. Bei der Taktregelung nach Fig.4 werden Signale, die jedes dieser Ereignisse kennzeichnen, unabhängig voneinander erzeugt. Da beide Vorgänge bei dieser Ausführungsform fast zusammenfallen, könnte jedes dieser Signale benutzt werden, um

die Betten an den Übergangspunkten des Taktes umzuschalten. So könnte statt des Signals 78 des wicderaufgedrückten Bettes für diesen Zweck ein Signal 72.·/ von dem im Betrieb befindlichen Bett benutzt werden. Die Verwendung des Signals 72;i in der Ventilsteuerschaltung 93 kann identisch derjenigen des Signals 78 sein.

Obwohl die Vierbett-Ausführungsform die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt, kann auch eine kleinere oder größere Anzahl von Betten in vorgesehen werden. Das Dreibetl-System nach Fig.6, dessen Taktprogramm in Fig. 7 dargestellt ist, besitzt eine etwas geringere Flexibilität und Wirtschaftlichkeit als das Vierbeti-System, weil die Spülstufe nicht mit einer Druckminderungsslufe an einer anderen Stelle des ι j Systems zusammenfällt. In folgedessen steht das Gleichstromdruckminderungsgas nicht zum Spülen eines anderen Bettes zur Verfugung, wie dies bei der Ausführungsform nach den Fig.4 und 5 der Fall ist. Bei der Anordnung nach den F i g. 6 und 7 wird statt dessen 2» zum Spülen Produktgas benutzt. Die Spülslufe tritt intermittierend auf und fällt nur mit der Schlußphase einer Wiederaufdrückstufe zusammen. Bei dem als Beispiel dargestellten 18 Minuten-Takt nach Fig. 7 fällt die vier Minuten dauernde Spülstufe des Bettes A (zwischen der achten und zwölften Minute des Taktes) mit den vier letzten Minuten der Wiederaufdrückstufe des Bettes B und der Adsorptionsstufe des Bettes C zusammen. Während dieser Zeitspanne wird ein erster Teil des abgeleiteten Produktgases von dem Auslaßen- jo de des Bettes C zu dem Auslaßende des Bettes A zurückgeführt, um dieses Bett zu spülen.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird der abgeleitete Teil des Produktgases innerhalb des Systems nur für einen Zweck ausgenutzt, und zwar für das Wiederaufdrücken eines zuvor desorbierten Bettes. Unter diesen Bedingungen können sowohl der Wiederaufdrückgasstrom als auch der abgeleitete Produktgasstrom konstant gehalten werden. Bei der Dreibett-Ausführung dient das abgeleitete Produktgas -to innerhalb des Systems zwei Zwecken. Ein erster Teil dieses kontinuierlich fließenden Stromes wird dem Prozeß intermittierend als Spülgas für ein Bett zurückgeführt, bei dem eine Druckabsenkung stattfand und das sich auf einem niedrigeren Druck befindet. Infolgedessen kann die Durchflußmenge des verbleibenden Teiles des abgeleiteten Produktgases, das zum Wiederaufdrücken eines anderen Bettes verwendet wird, nicht ständig gleichförmig gehalten werden, ohne daß erhebliche Schwankungen der Gesamtdurchflußmenge des abgeleiteten Produktgases auftreten. Um Strömungs- und Druckstörungen in der Produktgasleitung 15 zu vermeiden, wird bei der Anordnung nach Fi g. 6 die Summe von Wiederaufdrückgas und Spülgas (die den abgeleiteten Produktgasteil ausmachen) konstant gehalten. Das gesamte abgeleitete Produktgas wird über die Leitung 13 und die darin liegende einstellbare Drossel 19 geführt, die als Regelventil veranschaulicht ist. Ein erster Teil wird über eine Zweigleitung 80 abgezweigt und über die Ventile 5A,5B bo oder 5Cdem auf einen niedrigeren Druck gebrachten Bett als Spülgas zugeführt. Die an die Ablaßsammelleilung 50 angeschlossenen automatischen Spülgasabflußventile 3-4, 3ß und 3C arbeiten intermittierend und können beispielsweise innerhalb eines 18 Minuten-Tak- b5 tcs nur vier Minuten lang offen sein. Wenn eines dieser Ventile offen ist, wird der Spülgasstrom auf einer vorbestimmten Durchfkißmcngc konstant gehalten.

beispielsweise mittels eines Mengenreglers 81, der in Reihe mit einer kritischen Strömungsblende 82 liegt. Die durch die Blende 82 hindurchtretende Durchflußmenge hängt nur von dem stromaufwärtigen Druck ab, der mittels des Reglers 81 konstant gehalten wird.

Wenn Spülgas durch die Zweigleitung 80 hindurchströmt, verringert der stromabwärts liegende Regler 26 sofort den Wiederaufdrückgasstrom, um den konstanten Gesamtfluß über die Drossel 19 für den abgeleiteten Gasstrom wiederherzustellen. Auf diese Weise wird die Durchflußmenge des Wiederaufdrückgases während der Spülstufe um einen Betrag herabgesetzt, der gleich der Durchflußmenge des Spülgases ist. Der Regler 81 sollte so eingestellt sein, daß er die Spülgasdurchflußmenge aufrechterhält, die das gesamte Spülgasvolumen liefert, das erforderlich ist, um jedes Bett innerhalb der zum Spülen vorgesehenen Zeitspanne (z. B. vier Minuten) zu reinigen.

Die Verwendung eines Teiles des insgesamt abgeleiteten Gases zum Spülen stört nicht notwendigerweise die Proportionalität zwischen der Durchflußmenge des Wiederaufdrückgases und der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit. Infolgedessen kann die Ventilfolgesteuerung weiterhin in Abhängigkeit von dem Druck des Wiederaufdrückgases geregelt werden. Es können jedoch besondere Vorkehrungen notwendig sein, um die Gesamtmenge des Spülgases während jedes Taktes konstant zu halten und damit auch die Spülzeitdauer konstant zu halten. Eine konstante Spülzeitdauer würde nicht erhalten, wenn das Spülen und das Wiederaufdrükken gleichzeitig abgeschlossen werden (z. B. Fig. 7), weil die Spülzeitdauer in Abhängigkeit von Änderungen der relativen Adsoprtionsgeschwindigkeit verkürzt oder verlängert wird. Eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer festen Spülzeitdauer kann bei einer Ventilsteuerschaltung, beispielsweise der Ventilsteuerschaltung 93 nach F i g. 4, ohne weiteres vorgesehen werden. Beispielsweise braucht nur die Einschaltdauer des Motors so weit verlängert zu werden, daß sie die gewünschte Spülzeitdauer einschließt. Die Spülzeitdauer kann dann mittels des Nockenschalters sowohl beendet als auch eingeleitet werden.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Anordnung nach F i g. 6 ist die Ermittlung der Produktgasdurchflußmenge (mittels der Blende 16) als eine Variable, die für die relative Adsorptionsgeschwindigkeit kennzeichnend ist. Die zwischen der Blende 16 und dem Regelventil 19 liegenden Elemente entsprechen den Elementen, die oben in Verbindung mit der Bestimmung der Einsatzgasdurchflußmenge gemäß F i g. 1 beschrieben wurden.

Die Taktsteuerung erfolgt bei dem System nach F i g. 6 ähnlich wie bei der Anordnung nach F i g. 4. Der Δ P-Geber 73 ist so geschaltet, daß er den Druck des auf Wiederaufdrücken geschalteten Bettes mit einem Druck vergleicht, der im wesentlichen dem Einsatzgasdruck entspricht. Bei der Anordnung nach Fig.4 liegt der Δ P-Geber zwischen der Einsatzgassammelleitung 11 und der Wiederaufdrückleitung 65. Abweichend davon ist bei der Anordnung nach Fig. 6 der ΔΡ-Geber 73 über einen Druckabgriff 94 an die Produktgassammelleitung 12 und über den Druckabgriff 75 an die Wiederaufdrückleitung 65 angeschlossen, wobei der Produktgasdruck im wesentlichen der gleiche wie der Einsatzgasdruck ist.

Das von dem Δ P-Geber 73 erzeugte Signal 78 zeigt den Abschluß des Wiedcraufdrückvorgangcs an und wird einer Vcniilstcucrschaltung 93 zugeführt, die ähnlich der VenlilslL-ULTScIutliung der Fig.4 ist. Um

Wiederholungen zu vermeiden, ist die Schallung 93 in Fig. 6 als Block dargestellt. Die Steuersignale zur Betätigung der verschiedenen automatischen Ventile werden in der geeigneten Reihenfolge über die Nockenschalter zugeführt; sie laufei, beispielsweise über eine Verbindung 95a zum Ventil 6C.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Vierbett-System der in Verbindung mit Fig.4 beschriebenen Art zusammen mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung zur Bestimmung der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit und der Taktfolge nach F i g. 5 verwendet. Dieses System eignet sich in hervorragender Weise zur Gewinnung von Wasserstoff aus verschiedenartigen Ausgangsströmen und zur Lieferung eines Wasserstoffproduktes von ultrahoher Reinheit. Beispielsweise wurde mit einem r.olchen System die Trennung gemäß der Tabelle durchgeführt, die eine 76,5%ige Ausbeute an Wasserstoff bei einem Einsatzgasdruck von 13,7 kg/cm², einer Temperatur von 21,TC und einem 32 Minuten-Takt lieferte, der im übrigen demjenigen nach Fig. 5 ähnlich war. Die Durchflußmenge des Einsatzgases betrug 987 mVh; die Durchflußmenge des abgeleiteten Produktgases lag bei 209 mVh; das gesamte abgeleitete Produktgas wurde zum Gegenstromwiederaufdrücken der desorbierten Adsorberbetten benutzt. Unter diesen Bedingungen war das Verhältnis der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit, das heißt der Einsatzgasdurchflußmenge zu der Durchflußmenge des abgeleiteten, zurückgeführten Gasstromes gleich 4,62. Bei diesem speziellen System jü wies jedes Adsorberbett einen ersten Abschnitt aus Aktivkohle zur selektiven Abtrennung von Wasser und COi sowie einen zweiten Abschnitt aus Calciumzeolith A zur selektiven Abtrennung von CO und CH4 auf.

Tabelle

	Einsatzgas	Produktgas
H2	77,1%	99,9999%
CH4	0,013%	nicht feststellbar
		(<'/2 ppm)
CO	0,35%	nicht feststellbar
		(<'/4ppm)
CO2	22,5%	nicht feststellbar
		(<'/4 ppm)
H2O	gesättigt	trocken
		(<-73°C) Taupunkt

Bei einer anderen, mit vier Adsorberbetten arbeitenden Ausführungsform mit dem Kapazitätsregelsystem nach Fig. l.dem Taktregelsystem nach Fig.4 und der Taktstufenfolge nach F i g. 5 wurde beispielsweise ein Einsatzgasgemisch verarbeitet, das aus 99,7% H₂ und 0,3% leichten gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen bestand und bei Zuführung mit Wasser gesättigt war sowie in einer Menge von 297 mVh zugeleitet wurde. Das Produktgas bestand aus 99,9999% H₂. Eine Menge von 70,2 m^J/h wurde dabei zum Beispiel abgeleitet und zu dem System als Wiederaufdrückgas zurückgeführt. Bei diesen Bedingungen betrug das Verhältnis zwischen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit und der Durchflußmenge des abgeleiteten, zurückgeführten Gasstromes 4,24.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abtrennen von einer oder mehreren Komponenten aus Gasgemischen durch selektive Adsorption und nachfolgende Desorption, bei dem mindestens drei Adsorberbetten alternierend in einer Adsorptionsphase durch Einleiten des Einsatzgases und Abziehen des nicht adsorbierten Produktgases beladen, in einer Desorptionsphase to bei einem niedrigeren Druck desorbiert und in einer Wiederaufdrückphase auf den Beladungsdruck gebracht werden, wobei ein Teil des Produktgases zurückgeführt und mit mindestens einem Teil des zurückgeführten Produktgases das desorbierte Bett mindestens teilweise wiederaufgedrückt wird, d a durch gekennzeichnet, daß während der Adsorptionsphase ständig die relative Adsorptionsgeschwindigkeit ermittelt wird und dieser Geschwindigkeit entsprechend die Durchflußmenge des zurückgeführten Produktgases so geregelt wird, daß ein vorgegebenes Verhältnis zwischen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit und der Durchflußmenge des zurückgeführten Produktgases erhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit die Einsatzgaszusammensetzung ermittelt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit mindestens drei Adsorberbetten, von denen jedes über Umsteuerventile am einen Ende mit einer Einsatzgasleitung und am anderen Ende mit einer Produktgasleitung und einer an diese angeschlossenen Produktgasabzweigleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwertgeber zum Bestimmen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit vorgesehen und in der Produktgasabzweigleitung (13) eine Durchflußmengenregeleinrichtung (14) angeordnet ist, die in Abhängigkeit von dem Meßwertgebersignal ein vorbestimmtes konstantes Verhältnis zwischen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit und der Durchflußmenge des zurückgeführten Produktgases aufrechterhält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber eine Blende (16) und einen die Druckdifferenz an der Blende in ein Signal umwandelnden Geber (17) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Geber (17) eine Einrichtung (27) nachgeschaltet ist, die das Gebersignal in ein Signal umsetzt, das sich linear mit der Gasdurchflußmenge durch die Blende (16) ändert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmengenregeleinrichtung (14) ein Drossel (19), einen die Druckdifferenz an dieser Blende bestimmenden Druckdifferenzgeber (22) und einen an letzteren und an den Geber (17) des Meßwertgebers angeschlossenen Mengenverhältnisregler (30) aufweist, der ein für die Abweichung des Verhältnisses zwischen der relativen Adsorptionsgeschwindigkeit und der Durchflußmenge des zurückgeführten Produktgases von einem vorbestimmten Verhältnis kennzeichnendes Signal zur Steuerung eines stromabwärts der Drossel (19) der Durchflußmengenregeleinrichtung liegenden Mengenreglers (26) liefert. *

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenverhältnisregler (30) zusätzlich mit einem von dem Druck in der Einsatzgasgemischleitung (11) abhängigen Eingangssignal beaufschlagt ist.