DE19528561C2 - Druckwechsel-Adsorption für hochreinen Stickstoff unter Verwendung geregelter innerer Ströme - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff von Sauerstoff in einem Druckwechsel-Adsorptionsverfahren, bei welchem zur optimalen Reinheit des Stickstoff-Gasproduktes innere Gasströme geregelt werden.

Die Stickstoffherstellung durch Druckwechsel-Adsorption (PSA = Pressure Swing Adsorp­ tion) für industrielle Gasverwendung ist in den letzten Jahren ein beachtlicher Teil des Industriegas-Marktes geworden. Jedoch war dieses Wachstum auf einen ziemlich gut definierten Bereich von Strömungsraten und Reinheiten beschränkt, den die Fachleute als für die Druckwechsel-Adsorption zugänglich erkannten. Es ist eine besonders entscheidende Einschränkung gewesen, daß die Leistung von traditionellen Stickstoff-Druckwechsel- Adsorptionsanlagen sowohl bei den Energie- als auch bei den Kapitalkosten bei Stickstoffreinheiten, die höher als 99,9 Vol.-% sind, stark abfällt. Aus diesem Grund sind Druckwechsel-Adsorptionstechnologien nicht in großem Umfang in Märkte durchgedrungen, die eine größere Stickstoff-Volumenreinheit als 99,9% fordern, und diese sind hauptsächlich durch Systeme mit flüssigem Stickstoff oder durch Flüssigstickstoff unterstützte Systeme bedient worden. Jedoch sind die Kosten dieses Industriestickstoffs besonders in Japan und in den sich schnell entwickelnden Märkten in Lateinamerika und Asien relativ hoch. Es besteht ein wachsender Bedarf an einer wirt­ schaftlich wettbewerbsfähigen, nicht kryogenen Stickstofftechnologie für hohe Reinheiten.

Die existierende Technologie für die Herstellung von nicht-kryogenem Industriestickstoff bei Reinheiten von weniger als 0,1% Sauerstoff umfaßt Deoxo-Systeme, Vakuum-Wech­ seladsorptionssysteme, verschiedene modifizierte Druckwechsel-Adsorptionswechselsysteme und verschiedene Verbesserungen bei den Adsorptionsmitteln, die in solchen Systemen verwendet werden. Jedoch hat die Industrie trotz dieser Versuche hochreinen Indu­ striestickstoff herzustellen, wie er z. B. aus groß angelegten kryogenen Luft­ zerlegungssystemen erhalten werden kann, kein nicht-kryogenes Stickstoff-Herstellungsver­ fahren zur Verfügung gestellt, das hohe Reinheiten, über 99,9 Vol.-% Stickstoff hinaus, bei geringen Kapitalkosten und geringen Energieanforderungen aufweist. Verschiedene Versu­ che, wie z. B. die unten angeführten, sind gemacht worden, um nicht-kryogenen Stickstoff hoher Reinheit herzustellen.

Die US-A-5,176,722 offenbart ein Druckwechsel-Adsorptionsverfahren, welches Vakuum- Evakuierung zur Herstellung von Stickstoff aus Luft verwenden kann. Das Verfahren spricht von dem wesentlichen Druckausgleich zwischen zwei zyklisch betriebenen Betten. Das Wiederbeaufschlagen mit Druck nach dem Ausgleich wird abfolgend mit einem Gemisch aus Produktgas und Zufuhrgas durchgeführt. Während des Ausgleichs wird Gas vom Auslaß des Hochdruckbetts in den Einlaß eines Niederdruckbettes eingebracht, oder wahlweise wird Gas von Auslaß des Hochdruckbettes gleichzeitig in den Einlaß und den Auslaß eines Niederdruckbettes eingebracht. Dieser gleichzeitige Druckausgleich sowohl des Einlasses als auch des Auslasses des Niederdruckbettes kann für einen Abschnitt oder den gesamten Druckausgleichsschritt durchgeführt werden. Es wird angegeben, daß die Reinheiten dieses Verfahrens in einem Bereich von 90 bis 99,9% liegen.

Die US-A-5,090,973 offenbart ein Druckwechsel-Adsorptionsverfahren zum Abtrennen von Stickstoff von dem Sauerstoff in der Luft, bei welchem ein Bett, das die Adsorption beendet, evakuiert und unter Verwendung eines Gases vom Produkttyp gereinigt werden kann, welches eine höhere Reinheit hat als das Produkt, das durch das Adsorptionsbett selbst erzeugt wird. Dieses Gas vom Produkttyp mit höherer Reinheit wird durch eine weitere Reinigung unter Verwendung kryogener oder katalytischer Einrichtungen her­ gestellt, oder ist ein Gas, das aus einer Flüssigkeits-Quelle kommt, welche von einem anderen als dem Adsorptionssystem selbst herstammt. Gleichzeitiger Oberteil- und Boden­ druckausgleich wird offenbart. Als Resultat der Verwendung des Reinigungsgases von höherer Reinheit als derjenigen des im Verfahren hergestellten Produktes zur Regeneration sind Produktreinheiten von 95 bis 99,99 Vol.-% beim Stickstoff als erreichbar ausgewiesen.

Die US-A-4,925,461 offenbart ein Luftzerlegungsverfahren, das Stickstoff mit 99,99 Vol.-% herstellt, unter Verwendung von Druckabbau auf Umgebungsdruck oder Vakuumniveau- Druckabbau und Evakuierung. Druckausgleichsvorgänge werden als solche beschrieben, die kurz vor dem vollständigen Ausgleich stehen, und der Ausgleich wird an den Zufuhr-zu- Zufuhr-Enden beider Betten durchgeführt, während er ebenfalls an den Auslaß-zu-Auslaß- Enden der Betten durchgeführt wird, wobei das Gasübertragungsverhältnis der Zufuhrenden zu dem der Auslaßenden während des Druckausgleichs im Bereich von 3 bis 70% liegt.

Die JP-A-64-56 113 offenbart gleichermaßen ein Stickstoff-Druckwechsel-Adsorption­ verfahren mit gleichzeitigen Druckausgleichen zwischen den Einlässen und Auslässen zweier Betten, bei dem die Strömungsrate an den Einlässen im Vergleich zu den Auslässen 3 bis 70% ist. Das Patent befürwortet die Durchführung der Oberteil- und Bodengas-Über­ tragungsverbindungen zur gleichen Zeit zur deutlichen Verringerung des Verschleißes der Adsorptionsmittelteilchen. Die Niveaus der Sauerstoffverunreinigungen werden durch dieses Verfahren auf 0,064% Sauerstoff herabgesetzt.

Das JP-A-63-79714 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von 99,99%-igem Stickstoff aus Luft unter Verwendung einer Konstruktion von drei Adsorptionsbetten, welche während der Regeneration in Reihe gekoppelt sind.

Die EP-0 482 863 A1 offenbart ein Druckwechseladsorptionsverfahren, bei dem durch die Verwendung eines hochreinen Spülgases eine erhöhte Produktivität erreicht wird.

Die EP-0 512 780 A1 zeigt ein Druckwechseladsorptionsverfahren mit mehreren Systemen, von denen mindestens immer eines komprimierte Luft erhält und Stickstoffgas produziert.

Obwohl die Industrie in verschiedenen Druckwechsel- und Vakuumwechsel-Adsorptions­ verfahren Stickstoff mit einer hohen Reinheit, die 99,9 Vol.-% Stickstoff übersteigt, erzeugt hat, haben diese Verfahren einzigartige Reinigungsgasquellen, zusätzliche Reinigungs­ technologien, zusätzliche Kapitalkosten für komplexe Rohr-Schemata und höhere Energie- und Gesamtkapitalkosten notwendig gemacht. Die vorliegende Erfindung löst das Problem der Herstellung von Stickstoff mit einer hohen Reinheit, die 99,9 Vol.-% Stickstoff über­ steigt, bei einem Verfahren mit geringem Kapital- und Energieeinsatz, welches die Kom­ plexität der Verfahrensdurchführung minimiert. Die Erfindung wird im weiteren dargestellt werden.

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Abtrennung eines mit Stickstoff ange­ reicherten Gases aus einem Zufuhrgasgemisch, das zumindest Stickstoff und Sauerstoff enthält, unter Verwendung mehrerer Adsorptionsmittel-Betten, die bevorzugt Sauerstoff leichter adsorbieren als Stickstoff, mit den folgenden Schritten:

• (a) Einbringung des Zufuhrgasgemisches in ein Zufuhrende eines ersten Bettes von mehreren Adsorptionsmittel-Betten bei einem erhöhten Zufuhrdruck und Adsorbieren des Sauerstoffs während der Entfernung von nicht-adsorbiertem und mit Stickstoff angereichertem Gas als Produkt von einem Produktende des ersten Bettes;
• (b) Unterbrechen der Einbringung des Zufuhrgasgemisches in das erste Bett und Verbin­ den des Produktendes des ersten Bettes mit dem Produktende eines zweiten Bettes der Vielzahl von Betten, welches bei einem geringeren Druck ist, und Übertragung von Gas vom Produktenende des ersten Bettes zum Produktende des zweiten Bettes bis kurz vor dem Ausgleichen des Drucks in den beiden Betten und Zuführen von Zufuhrgasgemisch zu mindestens einem anderen Bett;
• (c) Verbinden des Zufuhrendes des ersten Bettes mit dem Zufuhrende des zweiten Bettes während eines späteren Abschnitts der Übertragung des Gases von den Produktenden der Betten im Schritt (b), zur Übertragung von Gas von den Zufuhrenden der ersten Betten zu den Zufuhrenden der zweiten Betten bis kurz vor dem Druckausgleich in den beiden Betten;
• (d) Druckabbau im ersten Bett im Gegenstrom bei einer Haupt-Druckabbaurate auf den niedrigsten Druck;
• (e) Führen von mit Stickstoff angereichertem Gas im Gegenstrom durch das erste Bett, um dieses von Sauerstoff zu reinigen;
• (f) Isolieren des ersten Bettes für eine vorbestimmte Zeitspanne während des Zuführens von mit Stickstoff angereichertem Gas zum ersten Bett bei einer im Vergleich zum Schritt (e) verringerten Strömungsrate;
• (g) Verbinden des Produktendes des ersten Bettes mit dem Produktende eines anderen Bettes der Vielzahl von Betten, welches beim erhöhten Zuführdruck ist, und Über­ tragen von Gas vom Produktende des anderen Bettes zum Produktende des ersten Bettes bis kurz vor dem Ausgleichen des Drucks an beiden Betten;
• (h) Verbinden des Zufuhrendes des ersten Bettes mit dem Zufuhrende des anderen Bettes während des späteren Abschnitts der Übertragung von Gas von dem Produk­ tenden der Betten im Schritt (g), um ein Gas von dem Zufuhrende des anderen Bettes zum Zufuhrende des ersten Bettes zu übertragen, bis kurz vor dem Ausgleich des Drucks in den beiden Betten;
• (i) weiteres Wiederbeaufschlagen des ersten Bettes mit Druck durch die Einbringung von Produktgas am Produktende des ersten Bettes; und
• (j) Wiederholen dieser Verfahrensschritte in jedem der Vielzahl der Betten.

Nach dem Unterbrechen der Gasübertragung zwischen den zwei Betten des Schrittes (c) und vor dem Druckabbau des ersten Bettes im Gegenstrom bei einer Haupt- Druckabbaurate wird vorzugsweise der anfängliche Druck des ersten Bettes im Gegenstrom auf einen Zwischendruck bei einer Vor-Druckabbaurate abgebaut, die geringer ist als die Haupt- Druckabbaurate.

Vorzugsweise wird das erste Bett weiter mit Zufuhrgasgemisch am Zufuhrende des ersten Bettes mit Druck wiederbeaufschlagt.

Vorzugsweise besteht die Vielzahl von Betten aus zwei Betten.

Vorzugsweise ist das Adsorptionsmittel ein Kohlenstoff-Molekularsieb.

Vorzugsweise enthält das mit Stickstoff angereicherte Gas 99,9 Vol.-% Stickstoff.

Noch bevorzugter enthält das mit Stickstoff angereicherte Gas 99,99 Vol.-% Stickstoff.

Vorzugsweise wird das Zufuhrgasgemisch in ein Bett eingebracht, während es Gas auf­ nimmt, das von einem der Vielzahl von Adsorptionsmittel-Betten übertragen wird.

Vorzugsweise findet die Einbringung von Zufuhrgasgemisch in ein Bett, das Gas von einem der Vielzahl von Adsorptionsmittel-Betten empfängt, bei einer Rate statt, die geringer ist als im Schritt (a).

Vorzugsweise wird das Zufuhrgasgemisch kontinuierlich während des Verfahrens in die Vielzahl von Adsorptionsmittelbetten eingebracht.

Vorzugsweise ist das Zufuhrgasgemisch Luft.

Vorzugsweise übersteigt das im Schritt (b) übertragene Gas im Volumen das im Schritt (c) übertragene Gas.

Vorzugsweise liegt der erhöhte Zufuhrdruck im Bereich von 5,516 bis 11,367 bar (80 bis 165 psi).

Vorzugsweise liegt der niedrigste Druck im Bereich von 1,379 bis 1,013 bar (20 bis 14,7 psia).

Vorzugsweise liegt das Volumenverhältnis der Gasübertragung des Schrittes (b) zu der Gasübertragung des Schrittes (c) im Bereich von 1 : 1 bis 1,3 : 1.

Vorzugsweise besteht die Vielzahl von Betten aus zwei Betten, und das zweite Bett und das andere Bett sind dasselbe Bett.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Ventile, der Rohrführung und der Behälter einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Produktivität (Stickstoff, in Kubikmeter pro Stunde (Standard Kubikfuß pro Stunde)/Adsorptionsmittel, in Kubikme­ ter(Kubikfuß), darstellt durch nicht ausgefüllte Quadrate, sowie der Rückgewinnun­ gen (% Stickstoff/Luft), dargestellt durch die nicht ausgefüllten Kreise, wobei sie graphisch gegen die Produktreinheit in Volumen-Prozent Sauerstoff aufgetragen sind, bei einem Standard-Stickstoff-Druckwechsel-Adsorptionsverfahren, wie z. B. in der US-A-4,439,213.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Produktivität des Stickstoff- Druckwechsel-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Standard- Druckwechsel-Adsorptionsverfahren, wie z. B. in der US-A-4,439,213.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Rückgewinnung des Stickstoff- PSA-Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einem Standard- Druckwechsel-Adsorptionsverfahren, wie z. B. in der US-A-4,439,213.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Gasvolumens, das über die Produktenden der Adsorptionsbetten während der Gasübertragung von Bett zu Bett übertragen wird, im Verhältnis zur Produktreinheit als Volumenprozentsatz des Sauerstoffs für drei verschiedenen Kohlenstoffmolekularsiebe und ein Sieb bei verschiedenen Drücken.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Produktivität und Rückgewinnung der vorliegen­ den Erfindung mit und ohne zweistufige Boden-(Zufuhrende)Übertragung, wobei die Gasübertragung von Zufuhr zu Zufuhr gegenüber dem Beginn der Gasübertragung von Produkt- zu Produktende verzögert ist.

Die vorliegende Erfindung ist ein Druckwechsel-Adsorptionsverfahren zum Abtrennen von Stickstoff von Sauerstoff in einem Zufuhrgasgemisch, wie z. B. Luft, wobei ein mit Stick­ stoff angereichertes Gasprodukt resultieren soll, das Reinheiten im Volumenbereich von 5% bis hinab zu 5 Teilchen pro Million an Sauerstoffgehalt im mit Stickstoff angereicher­ ten Gas hat. Im allgemeinen erzeugt die vorliegende Erfindung Stickstoff mit einer Rein­ heit, die 99,9 Vol.-% Stickstoff übersteigt, mit geringen Energie- und Kapitalanforderungen und ohne komplizierte Einrichtungen, um so mit Vorteilen mit den Stickstoffreinheiten in Wettbewerb treten zu können, die durch einen kryogen hergestellten flüssigen Stickstoff erreichbar sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses vorteilhafte Resultat erreicht durch: (i) eine geregelte Strömung der Gasübertragung zwischen Betten während teilweisen Wiederbeaufschlagungen mit Druck, wie sie typischerweise in der Industrie mit "Druckausgleichen" bezeichnet werden, (ii) Bereitstellung von sowohl primären als auch zusätzlichen Zufuhr- und Ablaßleitungen, (iii) kontinuierlichem Betrieb des Kompressors für das Zufuhrgasgemisch und Belieferung von mindestens einem Anteil des Zufuhr­ gasgemisches an eines der Betten zu jeder Zeit des Zyklus, (iv) das Vorhandensein eines Isolationsschrittes mit der Einbringung von Produktgas oder der Spülung bzw. Reinigung, und (v) gesteuerte zeitliche Abstimmung und Gasströmung während der Gasübertragung während die verschiedenen Betten des Verfahrens miteinander in Verbindung stehen.

Die vorliegende Erfindung verwendet Druckwechsel-Adsorption im Gegensatz zur Vaku­ umwechsel-Adsorption, um die Kapitalkosten einer Vakuumpumpe und die Energieanforde­ rungen einer solchen Vakuumpumpe zu vermeiden. Deshalb liegen die Drücke, bei welchen die vorliegende Erfindung betrieben wird, im Hinblick auf den Druck des Zufuhrgasge­ misches gewöhnlich im Bereich von 5,516 bis 11,367 bar (80 bis 165 psia), vorzugsweise 6,895 bis 10,342 bar (100 bis 150 psia). Dies stellt den erhöhten Zufuhrdruck dar. Im Gegensatz hierzu liegt der niedrigste Druck, auf welchen das Verfahren nach der vorliegen­ den Erfindung zur Regeneration im Druck abgebaut wird, im Bereich von ungefähr 1,379 bis 1,013 bar (20 bis 14,7 psia), vorzugsweise Umgebungsdruck, welcher typischerweise 1,013 bar (14,7 psia) ist.

Wie oben erwähnt, verwendet die vorliegende Erfindung eine Differenz bei der Gasüber­ tragung der Produkt- zu-Produkt-Enden der Betten im Vergleich zu den Zufuhr-zu-Zufuhr- Enden der Betten, sowohl in Hinsicht auf die zeitliche Abstimmung der Gasübertragung als auch auf die Rate und das Volumen der Gasübertragung. Die Gasübertragung vom Produk­ tende zum Produktende der Betten wird am Anfang durchgeführt, wobei die Gasüber­ tragung vom Zufuhrende zum Zufuhrende in einer verzögerten, aber überlappenden Zeitabfolge gleichzeitig mit dem späteren Abschnitt der Gasübertragung vom Produktende zum Produktende durchgeführt wird. Die Dauer der Gasübertragung vom Zufuhrende zum Zufuhrende im Vergleich zur Gasübertragung vom Produktende zum Produktende ist im Verhältnis von 1 : 1 bis 1 : 3, vorzugsweise 1 : 2. Das Gasvolumen, das vom Produktende zum Produktende übertragen wird, ist größer als das Gasvolumen, das vom Zufuhrende zum Zufuhrende der Betten übertragen wird, und dieses Verhältnis liegt im Bereich von unge­ fähr 2,5 : 1 bis 1,2 : 1, vorzugsweise 1,4 : 1.

Jedoch ist die Gasübertragungsrate bei der Gasübertragung vom Produktende zum Produk­ tende wünschenswerterweise langsamer und liegt im allgemeinen im Bereich von 0,414 bis 1,379 bar/Sekunde (6 bis 20 psi/s), (bar/s (psi/s)) vorzugsweise 0,689 bar/s (10 psi/s) während die Gastransferrate vom Zufuhrende zum Zufuhrende größer ist und im all­ gemeinen im Bereich von 0,689 bis 2,068 bar/s (10 bis 30 psi/s) liegt, vorzugsweise bei 1,379 bar/s (20 psi/s). Obwohl Druckwechseladsorptionssysteme mit Gasübertragung von Bett zu Bett dafür bekannt sind, daß sie knapp vor dem vollständigen Druckausgleich arbeiten, ist der verzögerte Beginn der Gasübertragung von Zufuhr zu Zufuhr im Verhältnis zur Gasübertragung vom Produktende zum Produktende gemäß der vorliegenden Erfindung nicht vorher offenbart oder als Vorteil bei der Erzielung besonders hoher Reinheiten des Stickstoffproduktes nach der vorliegenden Erfindung erkannt worden.

Auch führt die vorliegende Erfindung den Druckabbau nach der Gasübertragung von Bett zu Bett in zwei Stufen durch, nämlich einer anfänglichen Stufe bei einer langsamen Druck­ abbaurate im Bereich von 1,034 bis 1,724 bar/s (15 bis 25 psi/s), vorzugsweise bei 1,241 bar/s (18 psi/s), (Vor-Druckabbaurate) und einer Endstufe mit einer höheren Druckabbaurate auf den niedrigsten Druck des regenerierenden Bettes im Bereich von 1,724 bis 3,103 bar/s (25 bis 45 psi/s), vorzugsweise auf 2,413 bar/s (35 psi/s), (Haupt-Druck­ abbaurate) um die Kosten für die Kapitalausstattung zu senken, die notwendig ist, um den Lärm des Druckabbaus und des Gasabblasens zu dämpfen.

Die vorliegende Erfindung führt ebenfalls einen Isolations- oder Abtrennungsschritt durch, in welchem das Bett der Vielzahl von Betten des Verfahrens nicht in wesentlicher Weise in eine funktionelle Tätigkeit, wie z. B. Adsorption, Desorption, Gasübertragung oder Wieder­ beaufschlagung mit Druck einbezogen ist. Dieser Isolationsschritt ist bei einem Zweibetten- Verfahren, wie dargestellt ist, für die geeignete zeitliche Abstimmung der Abfolge der Verfahrensschritte geeignet. Die vorliegende Erfindung sieht eine Einbringung des mit Stickstoff angereicherten Gases bei einer geringen Strömungsrate vom Produktreservoir in das Bett während des Isolationsschrittes vor, um so das Abwandern von desorbierenden Sauerstoffmolekülen vom Adsorptionsmittel in den Bereich des Produktendes des Bettes während des Isolationsschrittes zu verhindern. Diese Niederdruckreinigung oder Wieder­ beaufschlagung mit Druck durch das Stickstoffprodukt während des Isolationsschrittes ist wiederum im Stande der Technik nicht offenbart und stellt merkliche Vorteile bei der Aufrechterhaltung einer reinen Produktende-Adsorptsionsmittelzone zur Verfügung, um so die besonders hohen Reinheiten des durch diese Erfindung erhältlichen Stickstoffproduktes zu erzielen. Die Strömungsrate des mit Stickstoff angereicherten Gases in das Bett während des Isolationsschrittes ist im Bereich von 25 bis 50% eines Bettvolumens pro Minute, vorzugsweise 40%, und der Druckanstieg ist typischerweise nicht höher als einige 1/20stel bar (einige psi).

Die vorliegende Erfindung verwendet ebenfalls vorzugsweise eine Produkt-Druck-Wieder­ beaufschlagung unter Verwendung von mit Stickstoff angereichertem Gas und eine Zufuhr- Druck-Wiederbeaufschlagung unter Verwendung des Zufuhrgasgemisches, wie z. B. Luft, deren Kombination die Verunreinigung des Produktendes des Bettes vermeidet und die Rückgewinnung trotzdem aufrechterhält, und gestattet einen kontinuierlichen Betrieb des Kompressors für das Zufuhr-Gasgemisch und das Verkleinern des Zufuhrgas-Aus­ gleichstanks zur Minimierung der Kapitalanforderungen, während es dazu beiträgt, die durch die vorliegende Erfindung erreichbaren höheren Produktreinheiten zur Verfügung zu stellen. Die Produkt- und Zufuhr-Druckwiederbeaufschlagung wird vorzugsweise gleich­ zeitig durchgeführt.

Wie vorher erwähnt, ist die vorliegende Erfindung so ausgestaltet, daß sie mindestens eine minimale Einbringung des komprimierten Zufuhrgasgemisches in eines oder mehrere der Vielzahl von Betten des Verfahrens durch die Verwendung eines Bypass-Ventils gestattet, das eine verringerte Strömungsrate hat, so daß es im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Kompressorabgabe insgesamt vom stromabwärtigen Verfahren getrennt wurde, die vorliegende Erfindung eine minimale Strömung des Zufuhrgasgemisches erlaubt, von der Abgabeeinrichtung des Kompressors für das Zufuhrgasgemisch zu den stromabwärtigen Verfahrensbetten zu gehen, typischerweise bei einer Rate von ungefähr 0,1379 bis 0,5516 bar/s (2 bis 8 psi/s), vorzugsweise bei 0,2068 bis 0,3447 bar/s (3 bis 5 psi/s). Wiederum gestattet es dies dem Verfahren, an Kapitalkosten für den Kompressor und den Ausgleichs­ tank für das Zufuhrgasgemisch zu sparen.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet vorzugsweise ein Kohlenstoff- Molekularsieb-Adsorptionsmittel, welches Sauerstoff gegenüber Stickstoff vorzugsweise adsorbiert, und zwar eher auf einer kinetischen als auf einer Gleichgewichtsbasis. Solche Kohlenstoff-Molekularsiebe sind weitgehend bekannt und in der Industrie gut eingeführt, und sie sind ohne weiteres von verschiedenen Bezugsquellen erhältlich, wie z. B. Carbo Tech in Deutschland, Calgon Corporation in den Vereinigten Staaten und Kuraray, Limited und Takeda, Limited in Japan, ebenso wie von anderen Bezugsquellen. Diese Kohlenstoff- Molekularsiebe wurden typischerweise durch Verkohlen einer Kohlenstoffquelle, wie z. B. Kohle, Holz, Kokosnußschalen oder Kohlenwasserstoffe auf Petroleumbasis zur Produktion eines porösen und mikroporösen Substrates hergestellt, welches dann einer technischen Porengrößenbehandlung durch die Einbringung einer zusätzlichen Kohlenstoffquelle in die Poren des Substrates unterzogen wird, mit darauf folgender Wärmebehandlung, woraus Porendurchmesser resultieren, die dem kinetischen Größenausschluß von Stickstoff im Gegensatz zu Sauerstoff am resultierenden Kohlenstoff-Molekularsieb zuträglich sind. Diese Klasse von Kohlenstoff-Molekularsieben, welche in verschiedenen Ausbildungen und Formen erhältlich ist, bildet das geeignete Adsorptionsmittel für die Realisierung der vorliegenden Erfindung.

Durch die Integration dieser Merkmale der vorliegenden Erfindung in ein Druckmittel- Adsorptionsverfahren zur Abtrennung von Stickstoff von Sauerstoff in Luft wird ein mit Stickstoff angereichertes Gas als Produkt erhältlich, das in seiner Volumenreinheit höher ist als 99,9%, und vorzugsweise in seiner Volumenreinheit höher ist als 99,99% Stickstoff.

Die vorliegende Erfindung wird nun mit Blick auf eine besonders bevorzugte Ausführungs­ form dargestellt, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Ein Zufuhrgasgemisch, wie z. B. Luft bei Umgebungstemperatur und -druck, wird in einem Kompressor C auf einen Druck von 6,895 bar (100 psia) komprimiert und einem Ausgleichstank FT für das Zufuhrgasgemisch zugeführt, welcher den Druck des Zufuhrgasgemisches basierend auf den Umschaltvorgän­ gen der verschiedenen Betten des Verfahrens der vorliegenden Erfindung und dem kontinu­ ierlichen Betrieb des Kompressors C abpuffert. Das Zufuhrgasgemisch wird vom Kessel FT durch Ventil 1 und Ventil 2 in das Bett A geleitet, wo Sauerstoff vorzugsweise auf dem kinetischen Weg auf einer Kohlenstoff-Molekularsieb-Charge adsorbiert wird, während mit Stickstoff angereichertes Gas, vorzugsweise mit einer Reinheit von mindestens 99,9% Stickstoff, durch das Ventil 11 und das Ventil 18 in den Reservoirtank RT für das mit Stickstoff angereicherte Gasprodukt abgezogen wird. Mit Stickstoff angereichertes Gas­ produkt kann durch das Regelventil 21 zur stromabwärtigen Verwendung abgezogen werden. Dieser Adsorptionsprozeß dauert für eine Zeitspanne zwischen 40 und 200 sec. an.

Wenn sich die Sauerstoffadsorption dem Produktende des Bettes A nähert oder eine Ver­ schlechterung der Produktreinheit festgestellt wird, oder nach einer festgesetzten Zeit­ spanne, wird das Bett A dann von der Adsorption getrennt, und das Gas im Bett A wird zum Bett B durch die Ventile 9, 16 und 10 vom Produktende zum Produktende des Bettes A bzw. B übertragen. Gleichzeitig wird das Zufuhrgasgemisch bei einer langsamen Strö­ mungsgeschwindigkeit bzw. Rate durch das offene Bypassventil 13 und das Ventil 3 dem Bett B zugeführt. Das Hauptzufuhrventil 1 bleibt geschlossen. Darauffolgend, nach einer Verzögerung von 3/4 der Zeit der Gasübertragung vom Bett A zum Bett B, werden die Ventile 2 und 3 geöffnet, um die Gasübertragung vom Bett A zum Bett B vom Zufuhrende zum Zufuhrende der jeweiligen Betten zu gestatten. Das Verhältnis der Gasübertragung vom Produktende zum Produktende und vom Zufuhrende zum Zufuhrende wird sowohl durch die Regelung des Ventils 16 als auch die Zeitdauer der beiden jeweiligen Gasüber­ tragungen vorherbestimmt. Typischerweise wird diese Gasübertragung kurz vor dem Druckausgleich beendet. Typischerweise wird diese Gasübertragung beendet, wenn der Druck im Bett A oder dem Bett im Druckabbau bei 55 bis 70% des maximal angestiegenen Zufuhrdruckes des Bettes ist, in diesem Fall des Bettes A während der Adsorption. Die Dauer der Gasübertragung liegt im Bereich von 2 bis 6 sec. Das Bett A wird dann durch das Ablassen durch das Ventil 5 und 15 und den Schalldämpfer M regeneriert, und zwar bei einer anfänglichen oder Vor-Druckabbaurate. Das Ventil 15 wird eingestellt, um die Gasströmung zur Minimierung des Lärms und zur Beseitigung des Verschleißes des Adsorptionsmittels aufgrund der Bewegungen während schneller Druckänderungen zu beschränken. Dieser anfängliche Druckabbau dauert 1 bis 5 sec. Darauf folgend wird das Ventil 7 geöffnet und gestattet einen weniger beschränkten Druckabbau des Bettes A bei einem primären oder Hauptdruckabbau. Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt öffnet das Ventil 9 während dieses weitergeführten Druckabbaus, um es mit Stickstoff angereichertem Gas vom Kessel RT zu gestatten, im Gegenstrom das Kohlenstoffmolekularsieb-Adsorp­ tionsmittel im Bett A von verbleibendem Sauerstoff zu reinigen, welcher durch die Ventile 7 und den Dämpfer M abgezogen wird. Die Reinigungsströmung wird durch die Ventile 17 und die Strömungsöffnung FO geregelt. Diese Haupt- oder letzte Stufe des Druckabbaus und der Reinigung dauert ungefähr 32 bis 120 sec.

Das Bett A wird dann in einem Isolations- oder Abtrennungsschritt vom funktionellen Betrieb des Verfahrenszyklus isoliert. Der Druck im Bett A steigt allmählich aufgrund der desorbierenden Gasmoleküle, insbesondere der Sauerstoffmoleküle. Um einen Hochreinheits-Betrieb aufrechtzuerhalten, insbesondere während längerer Isolationsschritte, wird eine kontinuierliche Einbringung von mit Stickstoff angereichertem Gas durch die Ventile 17 und 9 gestattet, um das Abwandern von Sauerstoffmolekülen zum Produktende des Bettes A zu unterdrücken, während ein geringer Druckanstieg im Verhältnis zur Gesamtdruckänderung während des Verfahrenszyklus erreicht wird.

Gas wird dann vom Bett B, welches die Adsorption durchgeführt hat, zum Bett A durch die Ventile 10, 16 und 9 vom Produktende zum Produktende der jeweiligen Betten übertragen, während Zufuhrgasgemisch langsam dem Bett A durch die Ventile 13 und 2 zugeführt wird. Nach der geeigneten, oben beschriebenen Verzögerung wird die Gasübertragung vom Bett B zum Bett A durch die offenen Ventile 3 und 2 durchgeführt. Vergleichbare Druck­ verhältnisse, Zeitverzögerungen und Gasvolumenübertragungen wie beim Gastransfer zum Druckabbau des Bettes A zum Vorteil des Bettes B werden während der Gasübertragung zum Aufbau des Drucks im Bett A beibehalten.

Beim Beenden der Gasübertragung vom Bett B zum Bett A wird weiterhin eine langsame Zufuhr durch das Ventil 13 und das Ventil 2 in das Bett A hinein gestartet, während das Ventil 11 geöffnet ist, um die Rückströmung des mit Stickstoff angereicherten Gases vom Reservoir RT durch die Ventile 18, 19 und 20 zu gestatten. Die Wiederbeaufschlagung mit Druck durch mit Stickstoff angereichertes Gas dauert an, bis ein Druck von 85% des maximal angestiegenen Zufuhrdrucks während der Wiederbeaufschlagung von ungefähr 0,5 bis 3 sec. erreicht ist. Weitere Wiederbeaufschlagung mit Druck wird erreicht, wenn das Ventil 1 geöffnet und Zufuhrgasgemisch in das Bett A eingebracht wird, welches letzt­ endlich den Gegendruck im Reservoirtank RT erreicht und übersteigt und die Herstellung von mit Stickstoff angereichertem Gasprodukt in einem neuem Zufuhrschritt beginnt. Diese Folge von Verfahrensschritten wird im Bett B in einer dem Bett A vergleichbaren Weise unter Verwendung der Ventile 1, 13, 3, 6, 8, 10, 16, 17, 12, 18, 19, 20 und 21 durch­ geführt.

Dieser Zyklus, der eben mit Bezug auf die Fig. 1 beschrieben worden ist, wird mit Blick auf die Dauer, Ventilbetätigung und den Druck in den jeweiligen Betten in Tabelle 1 unten dargestellt.

TABELLE 1

Das Stickstoff-Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung stellt deutliche Vorteile gegenüber dem existierenden Stand der Technik bei der Stickstoff-Druckwechsel-Adsorp­ tionstechnologie zur Verfügung, und zwar durch eine Kombination von Verfahrens­ merkmalen, welche das Erreichen von sehr hohen Reinheiten des Stickstoff-Gasproduktes gestatten, insbesonder 99,9 Vol.-% Stickstoff und höhere Reinheiten. Dieses Ziel wird mit einer Minimierung von Kapitalkosten und Energieaufwand durch das Beseitigen des Zwangs zum völligen Druckausgleich und durch das Bereitstellen von Verfahrensregelungen möglich, welche die Anpassung der Verfahrensbedingungen an die Anforderungen der besonderen Stickstoffherstellungsanwendung gestatten.

Zum Beispiel können die Strömungsraten während der Übertragung des Gases von Bett zu Bett, die Produkt-Wiederbeaufschlagung mit Druck, die Zufuhr während der Übertragung von Bett zu Bett und die Produktreinigung alle unabhängig für die geeignete Produkt­ strömungsrate und Reinheit geregelt werden, genauso wie die Charakteristika der Kohlen­ stoff-Molekularsieb-Adsorptionsmittel und die Umgebungsbedingungen. Es ist besonders wichtig, die Parameter zu regeln, wenn hohe Reinheiten von 99,9 Vol.-% Stickstoff und darüber benötigt werden, wo das Verfahren besonders empfindlich gegenüber dem Gasüber­ tragungsvolumen vom Produktende zum Produktende und der Menge an Produktgas ist, die bei der Wiederbeaufschlagung mit Druck zurückgeführt wird. Diese Merkmale gestatten es dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, durchschlagende Leistungsverbesserungen gegenüber traditionellen Stickstoff-Druckwechsel-Adsorptsionssystemen aufzuweisen, insbesondere im Bereich von 10 bis 1,000 ppm Sauerstoff.

Diese Fähigkeit wird drastisch anhand der oben ausgewiesenen Zeichnungen illustriert. Z. B. in Fig. 2, einer graphischen Darstellung der Leistungsfähigkeit eines Standard-Stickstoff- Druckwechsel-Adsorptionssystems, wie es z. B. in der US-A-4,439,213 beschrieben ist, bei welchem ein Stickstoffprodukt durch das Umschalten von Adsorptionsbetten erzeugt wird, die Kohlenstoffmolekularsiebe enthalten, und bei denen die Schritte der Adsorption, des Druckausgleichs, des Druckabbaus, der Evakuierung, der Produktreinigung, des Druckaus­ gleichs, der Wiederbeaufschlagung mit Druck und der Fortführung des Verfahrens auf zyklischer Basis in parallelen Betten durchgeführt werden. Die graphische Darstellung der Fig. 2 ist eine Aufstellung der Produktreinheit als Volumenprozent an Sauerstoff gegen­ über der Produktivität, welche Stickstoff in m³ (Standardkubikfuß) pro Stunde pro Adsorp­ tionsmittel in m³ (Kubikfuß) gezeigt in den Quadraten zeigt. Die Rückgewinnung, die das Stickstoffprodukt als Prozentsatz der verarbeiteten Luft darstellt, ist mit den Kreisen gezeigt. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei Bedarf an hoher Reinheit bei der Bewe­ gung zur linken Seite der graphischen Darstellung hin, die Produktivität und die Rückge­ winnung eines typischen Verfahrens drastisch abfallen.

Im Gegensatz hierzu wird in Fig. 3 eine graphische Darstellung der Produktivität gegenüber der Produktreinheit in Volumenprozentsatz an Sauerstoff verglichen mit dem neuen Zyklus der vorliegenden Erfindung und dem vorher beschriebenen Standardzyklus gemäß dem Stand der Technik (US-A-4,439,213), wobei es offensichtlich ist, daß die Realisierung der vorliegenden Erfindung, insbesondere bei hohen Reinheiten, in einer drastischen Ver­ besserung der Produktivität mit nur einer geringen Produktivitätsverkleinerung resultiert, wenn die Reinheiten des Stickstoffs steigen (der Sauerstoffgehalt sinkt), gegenüber dem dra­ stischen Abfall der Produktivität beim Stand der Technik.

Die Fig. 4 stellt einen vergleichbaren Verfahrenseffekt zwischen dem neuen Zyklus der vorliegenden Erfindung und dem oben beschriebenen Standardzyklus dar, wenn die Rückge­ winnung gegen die Produktreinheit in Volumenprozentsatz des Sauerstoffs aufgetragen wird. Bei den höheren Stickstoffreinheiten (Sauerstoffgehalt ist geringer), wenn man sich zur linken Seite der graphischen Darstellung bewegt, zeigt die vorliegende Erfindung eine stetige, obwohl abfallende Rückgewinnung im Gegensatz zur sich schnell verringernden und verschwindender Rückgewinnung der Standardzyklen, oder der Zyklen gemäß dem Stand der Technik.

Eine Weise, auf welche sich die vorliegende Erfindung von dem traditionellen früheren Stickstoff-Druckwechsel-Adsorptionsverfahren unterscheidet, liegt in der Regelung von verschiedenen Aspekten der Gasübertragung von einem Hochdruckbett zu einem regenerie­ renden Niederdruckbett. Typischerweise verwendet der Stand der Technik einen voll­ kommenen Druckausgleich zwischen den Betten. Wie oben beschrieben, verwendet die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise Gasübertragung von Produktende zu Produktende bis kurz vor dem vollständigen Ausgleich bei einer relativ langsamen Rate und bei einem Volumen, das dasjenige der überlappenden, aber nicht gleichzeitigen Gasübertragung vom Zufuhrende zum Zufuhrende übersteigt.

Die Fig. 5 stellt eine optimierte Gasübertragung, basierend auf dem Prozentsatz des Drucks zwischen Adsorption und dem Ende der Zyklus-Wiederbeaufschlagung mit Druck gegen­ über der Produktreinheit des Sauerstoffs in Volumenprozent für verschiedene Kohlenstoff­ molekularsieb-Adsorptionsmittel und verschiedene Drücke dar. Die Fig. 5 zeigt, daß es wünschenswert ist, weniger als die zum gesamten Ausgleich ausreichende Gasmenge am Produktende-zu-Produktende-Schritt eines Stickstoffdruckwechsel-Adsorptionsverfahrens zu übertragen. Typischerweise gäbe es bei einem vollständigen Druckausgleich zwischen zwei Enden eine Übertragung von 50%, ausgedrückt durch das Druckniveau, vom höchsten Druck der Adsorptionsbetten, wobei 25% dem Druckausgleich vom Produktende zum Produktende und 25% dem Druckausgleich von Zufuhrende zu Zufuhrende zugerechnet werden. Der Ausgleich von Produktende zu Produktende würde 25% des maximalen gesamten Verfahrensdruckunterschiedes sein.

Jedoch zeigt die Fig. 5, daß bei der vorliegenden Erfindung ein optimaler Druckwechsel durch Gas-Übertragung von Bett zu Bett für das Produkt-zu-Produktende kaum bei 25% optimiert wird. Bei den hohen, bei der Erfindung wünschenswerten Reinheiten wird es ohne weiteres klar, daß der Druckwechsel, den die Gasübertragung vom Produktende zum Produktende durchführt, vorzugsweise geringer ist als derjenige, der sonst beim völligen Ausgleich erreicht würde (d. h. 25%).

Bei den höchsten in Fig. 5 aufgezeichneten Reinheiten würde die Gasübertragung von Produktende zu Produktende in einem 21%-Ende der Zyklus-Druckänderung vom höchsten Druck zum Druckverfall resultieren, der beim Beenden der Gasübertragung von Bett zu Bett stattfindet. Deshalb ist es ohne weiteres ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung, die eher die geregelte Gasübertragung durchführt als den vollkommenen Druckausgleich, unab­ hängig gemessen im Hinblick auf die Gasübertragung von Produktende zu Produktende und die Gasübertragung von Zufuhrende zum Zufuhrende, im Hinblick auf die Rate, das Volumen und die zeitliche Abstimmung eine verbesserte Leistung bei den hohen, von der Erfindung gewünschten Reinheiten zur Verfügung stellt.

Ein besonderes vorteilhaftes und einzigartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die verzögerte, aber überlappende Abfolge der Gasübertragung am Produkt-zu-Produkt-Ende von parallelen Tandem-Betten gegenüber der Übertragung an den Zufuhr-zu-Zufuhr-Enden solcher Betten. Bei der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Gasübertragung von 4 sec. drei zuerst ablaufende Sekunden des Gasübergangs vom Produktende zum Produktende, denen folgt eine Gasübertragung von 1 sec. über sowohl die Zufuhr-zu-Zufuhr-Enden der Betten als auch die Produkt-zu-Produkt-Enden der Betten.

Die Fig. 6 zeigt in einer graphischen Darstellung den Effekt der Produktivität und Rückge­ winnung gegenüber der Produktreinheit in Volumenprozent Sauerstoff im Stickstoffprodukt­ gas dar. Die großen abgedunkelten Quadrate repräsentieren die Produktivität der vorliegen­ den Erfindung oder des neuen Zyklus ohne die Verzögerung der Gasübertragung bei der Übertragung vom Zufuhrende zum Zufuhrende bezüglich des Beginns der Übertragung zwischen den Produktenden. Die großen offenen Quadrate sind eine graphische Darstellung der Rückgewinnung der vorliegenden Erfindung oder des neuen Zyklus ohne dieses Merk­ mal der verzögerten Gasübertragung. Im Gegensatz dazu zeigen die kleinen dunklen Rauten die Produktivität unter Verwendung der zweistufigen verzögerten Übertragung oder Boden­ übertragung, während die großen offenen Rauten die Rückgewinnung unter Verwendung der zweistufigen Bodenübertragung für verzögerte Gasübertragung von Zufuhr-zu-Zufuhr gegenüber der Gasübertragung vom Produktende zum Produktende zeigen.

Diese graphische Darstellung demonstriert, daß die Produktivität als Funktion höherer Reinheit unter Verwendung der verzögerten Gasübertragung der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zur ganzzeitigen, gleichzeitigen Gasübertragung der jeweiligen Enden eines Adsorptionsmittelbettes verbessert wird. Noch drastischer wird die Rückgewinnung in Übereinstimmung hiermit verbessert, aber dies insbesondere bei hohen Reinheiten, wenn die verzögerte Gasübertragung der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Diese Daten demonstrieren, wie kritisch die Gasübertragung durch die Verbindung von zwei Enden von parallelen Tandem-Betten ist, bei denen die Übertragung vom Zufuhrende zum Zufuhrende bezüglich ihres Beginns gegenüber der Gasübertragung vom Produktende zum Produktende verzögert ist. Wenn hohe Reinheiten über 99,99 Vol.-% Stickstoff benötigt werden, gestattet dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung einzigartig die Erreichung von Reinheitszielen ohne Konzessionen an übersteigende Kapitalkosten oder Energieanforderun­ gen, wie sie im Stande der Technik benötigt werden.

Die Kapitalkosten werden ebenfalls durch die kontinuierliche Zuführung von Zufuhrgasge­ misch vom Zufuhrgasgemisch-Kompressor und vom Zufuhrgasgemisch-Tank durch die geregelte reduzierte Strömung des Ventils 13 minimiert, welches das Hauptventil 1 umgeht. Das Zufuhrgasgemisch strömt bei vollem Volumen während des Herstellungsschritts zu dem in Herstellung befindlichen Bett und schaltet dann auf das reduzierte Volumen, aber bei einer kontinuierlichen Strömung um, während der auf den Gasübertragungsschritt folgenden Herstellung, wobei die reduzierte Zufuhrströmung zu dem im Druck steigenden Bett geht. Die Zufuhr dauert während der darauf folgenden Wiederbeaufschlagung des die Gas­ übertragung erhaltenen Bettes mit Produkt- und Zufuhrdruck an. Zu diesem Zeitpunkt geht das wieder mit Druck beaufschlagte Bett zur Produktion und zur Gasströmung über, wie sie diesem Bett zur Verfügung gestellt wird. Als Resultat hiervon wird während des voll­ ständigen Zyklus der vorliegenden Erfindung entweder vollständige oder teilweise Ein­ bringung von Zufuhrgasgemisch in mindestens eines der Vielzahl von parallelen Betten bereitgestellt, um so zu verhindern, daß ein großer Zufuhr-Ausgleichstank verwendet werden muß oder einem Kompressor unnötige Belastung auferlegt wird, der eine Abgabe hat, welche vollständig herabgefahren werden würde. Diese Reduktion der Kapitalkosten, wenn sie mit dem stufenweisen Drückabbau gekoppelt wird, welcher den Lärm und deshalb die Größe des Abgasschalldämpfers und dessen Kapitalkosten minimiert, genauso wie die geregelte und minimierte Gasübertragung über die Zufuhrenden der jeweiligen Betten, welche die Wasser-Vordosierung auf das im Wiederaufbau des Drucks befindliche Adsorp­ tionsmittelbett minimiert, was wiederum die Trockenmittelschichten und die Trocknungsaus­ rüstung minimiert, stellt mehrere Gründe für die Reduktion der Kapitalkosten bei der vorliegenden Erfindung zur Verfügung. Außerdem gestattet der Isolationsschritt oder Abtrennungsschritt, bei welchem ein Minimum an Produkt-Reinigungsgas fortfahrt, in das Bett hineinzuströmen, das Erreichen von hohen Reinheiten, indem verhindert wird, daß Sauerstoffmoleküle zum Produktende des Bettes abwandern, was besonders während langer Isolationsschritte während des Abfahrens oder geringer Produktion eines Stickstoff-Druck­ wechsel-Adsorptionsverfahrens, wie z. B. bei der folgenden Erfindung, wichtig ist, wobei Reinheiten sogar bei geringen Herstellungsraten aufrechterhalten werden können.

Diese Merkmale demonstrieren in ihrer Kombination, daß das Verfahren nach der vorlie­ genden Erfindung, wenn die Merkmalskombination verwendet wird, einen ökonomischen Weg zur Herstellung von hochreinem Stickstoff auf einer nicht-kryogenen Basis über einen Bereich von Betriebsbedingungen zur Verfügung stellt. Diese Fähigkeit ist ohne Konzessio­ nen an höhere Kapitalkosten oder höhere Energieanforderungen vorher durch den Stand der Technik nicht erreicht worden.

Nun, da die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte es wohlverstanden sein, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims (14)

1. Verfahren zur Abtrennung von mit Stickstoff angereichertem Gas aus einem Zufuhrgasgemisch, das zumindest Stickstoff und Sauerstoff enthält, unter Verwendung mehrerer Adsorptionsmittelbetten, die vorzugsweise Sauerstoff besser adsorbieren als Stickstoff, mit den folgenden Schritten:

• a) Einbringung des Zufuhrgasgemisches in eine Zufuhrende eines ersten Bettes der Vielzahl von Adsorptionsmittelbetten bei einem erhöhten Zufuhrdruck und Adsorption von Sauerstoff während des Abziehens von nicht-adsorbier­ tem, mit Stickstoff angereichertem Gas als Produkt von einem Produktende des ersten Bettes;
• b) Unterbrechen der Einbringung des Zufuhrgasgemisches in das erste Bett und Verbinden des Produktendes des ersten Bettes mit dem Produktende eines zweiten Bettes der Vielzahl von Betten, welches bei einem niedrigeren Druck ist, und Übertragung von Gas von dem Produktende des ersten Bettes zum Produktende des zweiten Bettes bis kurz vor dem Druckausgleich in den beiden Betten, und Zuführen von Zufuhrgasgemisch zu mindestens einem anderen Bett;
• c) Verbinden des Zufuhrendes des ersten Bettes mit dem Zufuhrende des zweiten Bettes während eines späteren Abschnitts der Gasübertragung vom Produktende der Betten in Schritt b), um Gas vom Zufuhrende des ersten Bettes zum Zufuhrende des zweiten Bettes bis kurz vor dem Ausgleich der Drücke in den beiden Betten zu übertragen;
• d) Abbau des Drucks im ersten Bett im Gegenstrom bei einer Haupt-Druck­ abbaurate auf den geringsten Druck;
• e) Führen des mit Stickstoff angereicherten Gases im Gegenstrom durch das erste Bett, um Sauerstoff von diesem Bett abzuspülen;
• f) Isolieren des ersten Bettes für eine vorbestimmte Zeitspanne während der Zufuhr von mit Stickstoff angereichertem Gas zum ersten Bett bei einer im Vergleich zum Schritt e) reduzierten Strömungsrate;
• g) Verbinden des Produktendes des ersten Bettes mit dem Produktende eines anderen Bettes der Vielzahl der Betten, welches bei einem erhöhten Zufuhr­ druck ist, und Übertragung von Gas vom Produktende des anderen Bettes zum Produktende des ersten Bettes bis kurz vor dem Druckausgleich in den beiden Betten;
• h) Verbinden des Zufuhrendes des ersten Bettes mit dem Zufuhrende des anderen Bettes während eines späteren Abschnitts der Übertragung von Gas von den Produktenden der Betten im Schritt g) zur Übertragung von Gas vom Zufuhrende des anderen Bettes zum Zufuhrende des ersten Bettes bis kurz vor dem Druckausgleich in den beiden Betten;
• i) weiteres Wiederbeaufschlagen des ersten Bettes mit Druck durch die Ein­ bringung von Produktgas am Produktende des ersten Bettes; und
• j) Wiederholen dieser Verfahrensschritte für jedes der Vielzahl von Betten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Unterbrechen der Gasüber­ tragung zwischen den beiden Betten im Schritt c) und vor dem Druckabbau des ersten Bettes im Gegenstrom bei der Haupt- Druckabbaurate anfänglich das erste Bett bei einer Vor-Druckabbaurate, welche geringer ist als die Haupt-Druckabbaurate im Gegenstrom im Druck auf einen Zwischendruck abgebaut wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Bett weiter mit Zu­ fuhrgasgemisch an dem Zufuhrende des ersten Bettes mit Druck wieder­ beaufschlagt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Vielzahl von Betten zwei Betten umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Adsorptionsmittel ein Kohlenstoff-Molekularsieb ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Zufuhr­ gasgemisch in ein Bett eingebracht wird, während es Gas aufnimmt, das von einem der Vielzahl von Adsorptionsmittelbetten übertragen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Einbringung eines Zufuhrgasge­ misches in ein Bett, das Gas aufnimmt, welches von einem der eine Vielzahl von Adsorptionsmittelbetten übertragen wird, bei einer Rate stattfindet, die geringer ist als im Schritt a).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Zufuhr­ gasgemisch kontinuierlich während des Verfahrens in die Vielzahl von Adsorptionsmittelbetten eingebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Zufuhr­ gasgemisch Luft ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das im Schritt b) übertragene Gas volumenmäßig das im Schritt c) übertragene Gas übersteigt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der erhöhte Zufuhr­ druck im Bereich von 5,516 bis 11,376 bar (80 bis 165 psia) liegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der niedrigste Druck im Bereich von 1,379 bis 1,013 bar (20 bis 14,7 psia) liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das Volumen­ verhältnis der Gasübertragung des Schrittes b) zur Gasübertragung des Schrittes c) im Bereich von 2,5 : 1 bis 1,2 : 1 liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Vielzahl der Betten zwei Betten umfaßt, und das zweite Bett und das andere Bett dasselbe sind.