DE19503007C2

DE19503007C2 - pressure swing adsorption

Info

Publication number: DE19503007C2
Application number: DE1995103007
Authority: DE
Inventors: Matthias Grahl; Paul Leitgeb; Dieter Fersch
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2015-02-01
Also published as: DE19503007A1

Description

Die Erfindung betrifft ein kontinuierlich arbeitendes Druckwechseladsorptionsverfahren zum Reinigen von Gasen und Trennen von Gasgemischen, insbesondere zum Anrei chern von Sauerstoff aus Luft, unter Verwendung von mindestens drei Adsorbern, bei dem jeder der Adsorber einen Arbeitszyklus, bestehend aus einem Adsorptions-, einem Desorptions- und einem Druckaufbautakt, durchläuft.The invention relates to a continuously operating pressure swing adsorption process for cleaning gases and separating gas mixtures, especially for tearing oxygen from air, using at least three adsorbers which each of the adsorbers a work cycle consisting of an adsorption, a Desorption and a pressure build-up cycle.

Die Sauerstoffanreicherung von Luft nimmt gegenüber anderen Druckwechsel adsorptionsverfahren eine besondere Stellung ein, da neben dem Stickstoff auch Sauerstoff und Argon der Luft an den hierfür verwendeten Molekularsieben bzw. Zeolithen adsorbiert werden. Es ist deshalb nicht möglich, nur den Stickstoff zu adsorbieren und den gesamten Sauerstoff der Einsatzluft zu gewinnen. Vielmehr werden in der Praxis nur Sauerstoffausbeuten von etwa 40-60% erzielt. Da Argon ähnlich schwach wie Sauerstoff adsorbiert wird, erhält man im Falle der Sauerstoff gewinnung aus Luft nur Sauerstoffreinheiten von maximal 95% mit einem ca. 5%igen Restanteil von Argon. Um diese hohen Sauerstoffkonzentrationen zu erzielen, muß der Arbeitstakt eines Adsorbers abgebrochen werden, bevor die Stickstoff-Konzentra tionsfront den Adsorberaustritt erreicht. Der Sauerstoff in der Übergangszone geht verloren und ein Teil des Adsorbens bleibt ungenutzt. Dadurch werden Kapazität und Ausbeute des Verfahrens gemindert. Die Länge der Massenübergangszone wächst dabei mit steigender Stömungsgeschwindigkeit an.The oxygenation of air increases compared to other pressure changes adsorption process a special position, because in addition to nitrogen Oxygen and argon in the air on the molecular sieves or Zeolites are adsorbed. It is therefore not possible to add only nitrogen adsorb and extract all the oxygen in the feed air. Much more in practice only oxygen yields of around 40-60% are achieved. Because argon similarly weak as oxygen is adsorbed in the case of oxygen extraction from air only oxygen purities of maximum 95% with an approx. 5% Residual portion of argon. To achieve these high oxygen concentrations, the Work cycle of an adsorber can be stopped before the nitrogen concentration tion front reached the adsorber outlet. The oxygen in the transition zone goes lost and part of the adsorbent remains unused. This will increase capacity and Process yield decreased. The length of the mass transition zone is growing thereby with increasing flow rate.

Ein kontinuierlich arbeitendes Druckwechseladsorptionsverfahren gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1 ist z. B. aus der DE-31 44 012 C2 bekannt. In ihr wird, um eine höhere Ausbeute und geringere Betriebskosten für ein Druckwechseladsorptionsver fahren zu erhalten, der in der Regenerierphase befindliche Adsorber im Gegenstrom gespült. Das Spülgas wird aus dem Adsorber gewonnen, der den Adsorptionsschritt gerade beendet hat. Der Sauerstoff in der oben erwähnten Übergangszone wird so zumindest als Spülgas nutzbar gemacht.A continuous pressure swing adsorption process according to the Ober Concept of claim 1 is such. B. from DE-31 44 012 C2 known. In it becomes a higher yield and lower operating costs for a pressure swing adsorption drive to maintain, the adsorber in the regeneration phase in countercurrent rinsed. The purge gas is obtained from the adsorber, which is the adsorption step has just ended. The oxygen in the above-mentioned transition zone becomes like this made usable at least as a purge gas.

Aus der US-PS 4 684 377 ist ebenfalls ein kontinuierlich arbeitendes Druckwechsel adsorptionsverfahren bekannt, bei dem während der Desorptionsphase ein Druckaus gleich zwischen zwei Adsorbern erfolgt, wobei derjenige Adsorber, der Druckausgleichsgas abgibt, im Gleichstrom entspannt wird. Der Druckaufbau in demjenigen Adsorber, der das Druckausgleichsgas empfängt, erfolgt hingegen im Gegenstrom. Der Sauerstoff der Übergangszone wird hier also als Teil des Druchaufbaugases genutzt. Den beiden genannten Verfahren ist es gemein, daß sich jeweils nur ein Adsorber im Adsorptionstakt befindet.A continuously operating pressure change is also known from US Pat. No. 4,684,377 Adsorption process known, in which a pressure during the desorption phase takes place between two adsorbers, the adsorber being the pressure compensation gas releases, is relaxed in direct current. The pressure build up in that In contrast, adsorber, which receives the pressure compensation gas, takes place in countercurrent. The Oxygen in the transition zone is used here as part of the build-up gas. The two methods mentioned, it is common that only one adsorber in each Adsorption cycle is located.

Nachteilig bei beiden Verfahren ist, daß die zur Steigerung der Ausbeute eingeführten Verfahrensschritte (Spülen bzw. Druckausgleich) durch zusätzliche Ventile realisiert werden, was zu höheren Investitionskosten führt. Außerdem gelangt während der beiden Schritte ein Gasstrom in den regenerierten Adsorber, der schon größere Mengen Verunreinigungen enthält, was die Kapazität für den nachfolgenden Adsorp tionsschritt verringert. Der Sauerstoff der Übergangszone wird nicht als Produkt gewonnen, sondern nur indirekt als Spülgas oder Druckaufbaugas genutzt.A disadvantage of both methods is that those introduced to increase the yield Process steps (flushing or pressure equalization) realized by additional valves become, which leads to higher investment costs. In addition, during the two steps a gas flow into the regenerated adsorber, the larger one Contains amounts of impurities, which has the capacity for the subsequent adsorb tion step reduced. The oxygen of the transition zone is not considered a product won, but only used indirectly as a purge gas or pressure build-up gas.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein kontinuierlich arbeitendes Druckwechsel adsorptionsverfahren anzugeben, das die genannten Nachteile nicht aufweist.The aim of the present invention is a continuously operating pressure change specify adsorption process that does not have the disadvantages mentioned.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Arbeitszyklen der Adsorber so gegeneinander versetzt sind, daß sich zeitgleich zwei Adsorber im gleichen Arbeitstakt befinden, wobei die Überschneidung von gleichen Arbeitstakten zweier Adsorber in der Endphase des Arbeitstaktes desjenigen Adsorbers, der diesen Arbeitstakt als erster beginnt, erfolgt.This is achieved according to the invention in that the working cycles of the adsorbers are so are offset against each other, that two adsorbers are in the same work cycle are, the overlap of the same work cycles of two adsorbers in the Final phase of the work cycle of the adsorber who is the first to complete this work cycle begins, takes place.

Wie bereits erwähnt, befindet sich die Adsorptionsfront während der Endphase der Adsorption kurz vor dem Adsorberende. Da gemäß der Erfindung in dieser Phase nun bereits ein zweiter Adsorber auf den Adsorptionstakt geschaltet wird, verteilt sich die über die Zeit konstante Feedgasmenge auf die beiden im Adsorptionstakt befindlichen Adsorber. Dadurch verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb dieser Adsorber. Dies führt dazu, daß steilere Adsorptionsfronten erzielt werden, wodurch sich die Übergangszone deutlich verkleinert und mehr Produkt gewonnen wird. Die ursprüngliche Steilheit der Adsorptionsfront wird erst bei höherer Strömungsgeschwin digkeit und damit höherer Rohgaskapazität erreicht.As already mentioned, the adsorption front is in the final phase of the Adsorption shortly before the end of the adsorber. Because according to the invention in this phase now If a second adsorber is switched to the adsorption cycle, the constant amount of feed gas over time to the two in the adsorption cycle Adsorber. This reduces the flow velocity within it Adsorber. This leads to the fact that steeper adsorption fronts are achieved, which results in the transition zone is significantly reduced and more product is obtained. The The original slope of the adsorption front only becomes apparent at higher flow rates reached and thus higher raw gas capacity.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand der Figur sowie den Taktschemata A bis D erläutert. The invention and further embodiments thereof are based on the figure and the Clock schemes A to D explained.

Die in den Taktschemata verwendeten Abkürzungen für die Arbeitszyklen haben folgende Bedeutung:
A: Adsorption
E1: Druckerniedrigung bei gleichzeitigem Druckausgleich mit einem Adsorber, der sich im Arbeitszyklus R1 befindet
EV: Evakuieren
EVP: Evakuieren mit gleichzeitigem Gegenstromspülen
R1: Druckaufbau mit dem Druckausgleichsgas eines Adsorbers, der sich im Arbeitszyklus E1 befindet
RO: Druckaufbau mit Produktgas
RF: Druckaufbau mit FeedgasThe abbreviations for the working cycles used in the cycle diagrams have the following meaning:
A: Adsorption
E1: pressure reduction with simultaneous pressure equalization with an adsorber that is in work cycle R1
EV: Evacuate
EVP: Evacuate with simultaneous countercurrent rinsing
R1: pressure build-up with the pressure compensation gas of an adsorber, which is in work cycle E1
RO: pressure build-up with product gas
RF: Pressure build-up with feed gas

Anhand der Figur, insbesondere des darin dargestellten Adsorbers A1 sei zunächst Grundsätzliches zum erfindungsgemäßen Druckwechseladsorptionsverfahren erläutert. Der Adsorber A1 weist insgesamt vier Ventile auf, nämlich die Ventile 11, 12, 13 und 14. Bei geöffneten Ventilen 11 und 12 wird der mittels des Verdichters V verdichtete Feedgasstrom dem Adsorber A1 über die Feedgasleitung 10 zugeführt und über Leitung 20 der Produktgasstrom abgezogen. Nach Beendigung des Adsorptionstaktes und der damit verbundenen Schließung der Ventile 11 und 12 erfolgt in der Regel ein Evakuieren des Adsorbers A1. Auf mögliche, dazwischengeschaltete Schritte wird im folgenden noch eingegangen werden. Während der Evakuierung ist wenigstens Ventil 14 zu öffnen, so daß der vom Adsorptionsbett abzuziehende Restgasstrom mittels der Vakuumpumpe P über die Restgasleitung 40 abgezogen werden kann. Nach Beendigung des Desorptionstaktes erfolgt der erneute Druckaufbau bis zum Adsorptionsdruck.On the basis of the figure, in particular the adsorber A1 shown therein, the basics of the pressure swing adsorption process according to the invention are first explained. The adsorber A1 has a total of four valves, namely the valves 11 , 12 , 13 and 14 . When the valves 11 and 12 are open, the feed gas stream compressed by means of the compressor V is fed to the adsorber A1 via the feed gas line 10 and the product gas stream is drawn off via line 20 . After the end of the adsorption cycle and the associated closing of the valves 11 and 12 , the adsorber A1 is generally evacuated. Possible intermediate steps will be discussed below. At least valve 14 must be opened during the evacuation, so that the residual gas stream to be drawn off from the adsorption bed can be drawn off by means of the vacuum pump P via the residual gas line 40 . After the desorption cycle has ended, the pressure builds up again to the adsorption pressure.

Das Taktschema A zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Druckwechseladsorp tionsverfahren, bei der am Ende der Evakuierung eine Gegenstromspülung des zu evakuierenden Adsorbers erfolgt. Hierzu wird, wie im Taktschema A dargestellt, am Ende der Evakuierungsphase (Takt 4) das Ventil 13 geöffnet, so daß bei geöffnetem Ventil 40 über die Leitung 30 ein Teil des in Leitung 20 abgezogenen Produktgas stroms zum Spülen des Adsorptionsbettes des Adsorbers A1 verwendet werden kann. Nach Beendigung der Evakuierungsphase wird dann lediglich das Ventil 14 geschlossen und bei nach wie vor geöffnetem Ventil 13 mit einem Teil des Produktgasstroms der Adsorber A1 wieder aufgedrückt. Wie aus dem Taktschema A weiter ersichtlich, dauert die Adsorptionsphase in einem Adsorber z. B. 45 Sekunden, wobei 10 Sekunden vor Beendigung der Adsorptionsphase bereits in einem zweiten Adsorber die Adsorp tionsphase beginnt. Zu diesem Zweck werden neben den geöffneten Ventilen 11 und 12 auch die Ventile 21 und 22 des Adsorbers A2 geöffnet. Da sich die über die Feed gasleitung 10 herangeführte Feedgasmenge über die Zeit nicht ändert, kommt es zu einer Verteilung dieser Gasmenge auf die beiden "auf Adsorption geschalteten" Adsorber A1 und A2. Dies führt dazu, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der beiden Adsorber entsprechend verringert. Auf diese Weise lassen sich nun innerhalb eines Adsorbers steilere Adsorptionsfronten erzielen, wodurch sich die Kapazität des erfindungsgemäßen Druckwechseladsorptionsprozesses erhöht. Die Variante nach Taktschema A ist besonders dann sinnvoll, wenn bei höheren Desorpti onsdrücken (≧ 250 mbar) gearbeitet werden soll.The timing diagram A shows a variant of the pressure swing adsorption method according to the invention, in which countercurrent flushing of the adsorber to be evacuated takes place at the end of the evacuation. For this purpose, as shown in cycle diagram A, the valve 13 is opened at the end of the evacuation phase (cycle 4 ), so that when the valve 40 is open, part of the product gas drawn off in line 20 is used to purge the adsorption bed of the adsorber A1 via line 30 can. After the end of the evacuation phase, only the valve 14 is then closed and, with the valve 13 still open, part of the product gas stream of the adsorber A1 is pressed open again. As can be seen from the timing diagram A, the adsorption phase in an adsorber takes z. B. 45 seconds, 10 seconds before the end of the adsorption phase, the adsorption phase begins in a second adsorber. For this purpose, in addition to the opened valves 11 and 12 , the valves 21 and 22 of the adsorber A2 are also opened. Since the amount of feed gas supplied via the feed gas line 10 does not change over time, this amount of gas is distributed over the two adsorbers A1 and A2 “switched to adsorption”. This means that the flow velocity within the two adsorbers is reduced accordingly. In this way, steeper adsorption fronts can now be achieved within an adsorber, as a result of which the capacity of the pressure swing adsorption process according to the invention is increased. The variant according to cycle diagram A is particularly useful if you want to work at higher desorption pressures (≧ 250 mbar).

Taktschema B zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Druckwechseladsorptions verfahrens, bei der im Anschluß an den Adsorptionstakt zunächst ein Druckausgleich zwischen dem Adsorber, der zuvor seinen Adsorptionstakt beendet hat, und dem Adsorber, dessen Evakuierung beendet wurde, erfolgt. Dazu wird nach Schließung der Ventile 11 und 12 Ventil 13 des Adsorbers A1 und Ventil 33 des Adsorbers A3 geöffnet. Da der Adsorber A3 zuvor bis auf den Endvakuumdruck evakuiert wurde, kommt es nun aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Adsorber A1 und dem Adsorber A3 zu einem Druckausgleich zwischen diesen beiden Adsorbern. Nach Beendigung des Druckausgleiches wird Ventil 13 geschlossen und Ventil 14 geöffnet. Nun kann die Evakuierung des Adsorbers A1 mittels der Vakuumpumpe P erfolgen. Der anschließen de Druckaufbautakt verlangt ein Schließen des Ventils 14 und ein erneutes Öffnen des Ventils 13. Der erste Teil des Druckaufbautakts erfolgt mit Druckausgleichsgas aus dem Adsorber A2, das aus diesem über das geöffnete Ventil 23 in den Adsorber A1 strömt. Der zweite Teil des Druckaufbautakts erfolgt dann mit einem Teilstrom des mittels Leitung 30 bei geöffnetem Ventil 40 aus der Produktgaseitung 20 abgezogenen Produktgasstroms. Nach Beendigung des Druckaufbautakts wird Ventil 13 geschlossen und es beginnt mit dem Öffnen der Ventile 11 und 12 erneut der Adsorptionstakt. Da bei der Variante nach Taktschema B relativ stark verunreingtes Druckaufbaugas auf den Kopf des regenerierten Adsorbers gefahren wird, ist sie besonders dann einsetzbar, wenn kein hochreiner Sauerstoff (≦ 91%) gefordert ist. Cycle diagram B shows a variant of the pressure swing adsorption method according to the invention, in which, following the adsorption cycle, there is first a pressure equalization between the adsorber, which has previously ended its adsorption cycle, and the adsorber, the evacuation of which has ended. For this purpose, valve 13 of adsorber A1 and valve 33 of adsorber A3 are opened after valves 11 and 12 are closed. Since the adsorber A3 was previously evacuated to the final vacuum pressure, there is now a pressure compensation between these two adsorbers due to the pressure difference between the adsorber A1 and the adsorber A3. After the pressure equalization has ended, valve 13 is closed and valve 14 is opened. The adsorber A1 can now be evacuated by means of the vacuum pump P. The subsequent pressure build-up cycle requires the valve 14 to be closed and the valve 13 to be opened again . The first part of the pressure build-up cycle takes place with pressure compensation gas from the adsorber A2, which flows out of the latter through the opened valve 23 into the adsorber A1. The second part of the pressure build-up cycle then takes place with a partial stream of the product gas stream drawn off from the product gas line 20 by means of line 30 with valve 40 open. After the pressure build-up cycle has ended, valve 13 is closed and the adsorption cycle begins again when valves 11 and 12 open. Since in the variant according to cycle diagram B relatively heavily contaminated pressure build-up gas is driven onto the head of the regenerated adsorber, it can be used particularly when no high-purity oxygen (≦ 91%) is required.

Die im Taktschema C dargestellte Variante stellt eine Kombination der ersten beiden Varianten dar. Hierbei wird am Ende des Desorptionstaktes, während der Evakuierung des Adsorbers A1 und bei geöffnetem Ventil 14, zusätzlich Ventil 13 geöffnet und der Adsorber A1 mit einem Teil des Produktgasstroms, der dem Adsorber über Leitung 30 zugeführt wird, gespült.The variant shown in cycle diagram C represents a combination of the first two variants. Here, at the end of the desorption cycle, during the evacuation of adsorber A1 and with valve 14 open, valve 13 is additionally opened and the adsorber A1 with a part of the product gas stream which corresponds to the Adsorber is fed via line 30 , rinsed.

Bei der im Taktschema D dargestellten Variante schließt sich unmittelbar an den Adsorptionstakt eines Adsorbers die Evakuierung dieses Adsorbers an. Am Ende der Evakuierung wird wiederum eine Gegenstromspülung durchgeführt, also im Falle des Adsorbers A1 zusätzlich zum Ventil 14 Ventil 13 geöffnet und nach dem Schließen des Ventils 14 und damit verbunden dem Beenden der Evakuierung bei weiterhin geöffne tem Ventil 13 der erste Teil des Druckaufbaus mittels der über Leitung 30 abgezogenen Sauerstofffraktion erreicht. Der zweite Teil des Druckaufbaus im Adsorber A1 erfolgt nach Schließung des Ventils 13 und Öffnung des Ventils 11 mittels des Feedgasstroms. Dies ist dann besonders sinnvoll, wenn ein höherer Abgabedruck für das Produkt gewünscht ist.In the variant shown in cycle diagram D, the adsorption cycle of an adsorber is immediately followed by the evacuation of this adsorber. At the end of the evacuation, a countercurrent flush is again carried out, that is, in the case of the adsorber A1, valve 13 is opened in addition to valve 14 and, after valve 14 has been closed and the evacuation has ended, valve 13 continues to open, the first part of the pressure build-up by means of reached over line 30 withdrawn oxygen fraction. The second part of the pressure build-up in the adsorber A1 takes place after the valve 13 has been closed and the valve 11 has been opened by means of the feed gas stream. This is particularly useful if a higher discharge pressure is required for the product.

Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß neben den dargestellten und beschrie benen Verfahrensvarianten weitere Variationsmöglichkeiten, die unter den Gegenstand der Erfindung fallen, denkbar sind.It is self-evident for the person skilled in the art that in addition to the ones shown and described benen process variants further variation possibilities, which under the subject fall of the invention are conceivable.

Claims

1. Continuously operating pressure swing adsorption process for cleaning gases and separating gas mixtures, in particular for enriching oxygen from air, using at least three adsorbers (A1, A2, A3), in which each of the adsorbers has a working cycle consisting of an adsorption , a desorption and a pressure build-up cycle, characterized in that the working cycles of the adsorbers (A1, A2, A3) are offset from one another in such a way that two adsorbers are in the same working cycle at the same time, the overlapping of the same working cycles of two adsorbers in the final phase of the work cycle of the adsorber that starts this work cycle first.

2. Continuously operating pressure swing adsorption method according to claim 1, characterized in that the period of overlap is the same Work cycles of two adsorbers 5 to 50%, preferably 10 to 35% of the time of the adsorption cycle is.