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