DE19627422A1

DE19627422A1 - Verfahren zur adsorptiven Trennung von Luft

Info

Publication number: DE19627422A1
Application number: DE19627422A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Reis; Heinrich Dipl Ing Amlinger
Original assignee: SGI PROZESS TECHNIK GmbH; Bayer AG
Current assignee: SGI PROZESS TECHNIK GmbH; Bayer AG
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 1998-01-15
Also published as: WO1998001215A1; JP2000513997A; KR20000023604A; TW380118B; EP0910457A1; ZA976025B; CA2259660A1; BR9710225A; CZ4099A3; PL331017A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Trennung von Sauerstoff- oder Stickstoff aus Luft im Sinne der Vakuum-Swing-Adsorption (VSA) bzw. Druck-Vakuum-Swing-Adsorption (PVSA) unter Einsatz eines für die Desorption des adsorbierten Luftbestandteils optimierten Vakuumpumpsystems.

Die direkte Erzeugung von Sauerstoff aus Luft bei Umgebungstemperaturen wird industriell bereits umfangreich mit Molekularsieb-Zeolithen durchgeführt.

Hierbei wird die bevorzugte Adsorption von Stickstoff gegenüber Sauerstoff aus genutzt, d. h. Stickstoff der Luft wird am Zeolith adsorbiert, die weniger stark adsorbierten Komponenten wie Sauerstoff und Argon werden beim Durchströmen von Luft durch eine Zeolithschüttung am Austritt dieser Schüttung als Produkt aufgefangen. Die Desorption des adsorbierten Stickstoffs kann z. B. durch Evakuieren der Schüttung erfolgen. Für diesen Fall spricht man vom VSA-Prozeß (Vakuum Swing Adsorption), im Gegensatz zum ebenfalls bekannten PSA- Prozeß (= Pressure Swing Adsorption). Ein kontinuierliches Verfahren erreicht man im VSA-Prozeß durch folgenden Verfahrensablauf:

a) Durchleiten von Luft durch eine Zeolithschüttung in den Einlaß eines Adsorbers bei z. B. Umgebungsdruck; am Auslaß des Adsorbers wird mit O₂-angereichertes Gas abgezogen;
b) Evakuieren der Schüttung am Einlaß mit einer Vakuumpumpe auf einen Druck von etwa 100 bis 400 hPa im Gegenstrom der Luftströmung, wobei eventuell gleichzeitig mit einem Teil des Produktes gespült wird;
c) Befüllen der Schüttung mit O₂-Produkt auf etwa Umgebungsdruck im Gegenstrom zur Luftströmung. Im PSA-Prozeß wird Schritt a) bei einem Druck von 200 bis 600 kPa durchgeführt und Schritt b) erfolgt bei etwa 100 kPa unter Spülung mit einem Teil des O₂-Produktes. (Die Drücke beziehen sich stets auf Absolutwerte).

Bedingt durch diese drei Schritte arbeitet man üblicherweise mit drei getrennten Zeolithschüttungen, kurz Adsorber genannt, die zyklisch abwechselnd betrieben werden.

Es sind aber auch Trennverfahren mit Vakuumregeneration beschrieben, bei denen zwei Adsorber mit einem Produktspeicher zyklisch betrieben werden (US 397 696) oder auch nur ein Adsorber im Wechsel mit einem Produktspeicher.

Die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen wird durch die Investition wie Adsorp tionsmittelmenge, Vakuumpumpengröße und insbesondere durch die Betriebs kosten wie Stromverbrauch der Vakuumpumpe beeinflußt. Ziel jeder Entwicklung ist deshalb die Optimierung zwischen Molekularsiebmenge, Vakuumpumpengröße und Energieverbrauch der Vakuumpumpe. Bisher eingesetzte Vakuumpumpen bei Vakuumdesorption sind zwei- bzw. dreistufige Drehkolbengebläse mit Verdränger funktion (siehe EP 158 262) oder Wasserringpumpen, ebenfalls basierend auf einer Verdrängerwirkung.

Andere Verdichter, die ebenfalls herangezogen werden können, sind Zentrifugal kompressoren, die als Vakuumpumpen eingesetzt werden (siehe z. B. EP 575 591). Diese als Radialgebläse bekannten Verdichter haben die Eigenschaft, daß sie bis zu einem Druckverhältnis von Gegendruck zu Saugdruck von etwa 2,6 betrieben werden können, aber für ihren optimalen Einsatz, d. h., zur Erzielung eines mög lichst geringen Energiebedarfs ein bestimmtes Verhältnis zwischen Ansaugdruck und Abgabedruck benötigen. Man bezeichnet dies auch als optimales Druckverhält nis Π. Dieses Druckverhältnis Π liegt bei üblichen Radialgebläsen bei etwa 1.6 bis 1.7. Wenn deshalb ein Radialgebläse optimal als Vakuumpumpe eingesetzt werden soll und der Gegendruck einschließlich dem Druckverlust des nachgeschalteten Schalldampfers gleich 1000 hPa beträgt, dann müßte an der Saugseite ein kon stanter Druck von 625 bzw. 588 hPa eingestellt werden. Da aber bei VSA-Anlagen der Evakuierungsdruck innerhalb von etwa einer Minute von einem höchsten Niveau (P_Des-1), typischerweise 950 hPa auf einen niedrigsten Wert (P_Des-min), z. B. 300 hPa abfällt, ist die Verwendung nur eines Radialgebläses als einzige Stufe unter Berücksichtigung des optimalen niedrigen Energieeinsatzes nicht mög lich.

Eine Möglichkeit besteht darin, durch eine Drossel vor dem Radialgebläse künstlich ein Druckgefälle herzustellen. Bei einem Π von 1.6 beträgt dann aber der minimale optimale Evakuierungsdruck nur 625 hPa. Es ergeben sich dann aber innerhalb der Evakuierungszeit durch die Drossel aufgrund der verminderten Saugleistung erhebliche Energieverluste. Will man deshalb mit einem Radialge bläse einen tieferen Evakuierungsdruck, als das Druckverhältnis Π vorschreibt, erzielen, dann muß das Radialgebläse in der Saugleitung angebracht sein und hinter dem Radialgebläse eine Vakuumpumpe mit etwa konstantem Saugvermögen angeschlossen werden. Vakuumpumpen mit nahezu konstantem Saugvermögen sind z. B. Pumpen mit Verdrängerwirkung wie Wasserringpumpen oder ölgefüllte Drehschieberpumpen. Eine weitere Verdrängerpumpe ist das Drehkolbengebläse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein energiegünstiges Verfahren zur O₂-Anreicherung von Luft mit Hilfe eines Vakuumpumpenstandes mit möglichst geringer Stromaufnahme zu finden.

Es wurde gefunden, daß im Falle der O₂-Anreicherung von Luft mittels des VSA/PVSA-Prozesses eine Kombination von Radialgebläse und Verdrängerpumpe eine Anordnung die im Parallelbetrieb und zeitlich folgendem Serienbetrieb arbeitet bzw. während der ganzen Evakuierungszeit nur in Serienbetrieb arbeitet in einem weiten Druckbereich erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen zwei stufigen Drehkolbengebläsen bringt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung von Sauerstoff oder Stickstoff aus Luft unter Verwendung einer Adsorptionsanlage mit einem oder mehreren Adsorbern enthaltend Adsorbentien für Stickstoff oder Sauerstoff, bevorzugt für Stickstoff, und mit einem an die Adsorptionsanlage angeschlossenen Vakuumpumpstand, der aus einem Radialgebläse und einer Vakuumpumpe arbeitend nach dem Verdrängerprinzip, insbesondere einem Drehkolbengebläse, be steht, wobei die Luft in einer Adsorptionsphase bei Umgebungsdruck oder schwach vermindertem Druck von bis zu -100 hPa gegenüber Umgebungsdruck, oder einem Überdruck von bis zu 500 hPa z. B. durch den Einlaß des Adsorbers in den Adsorber geleitet und am Auslaß des Adsorbers mit Sauerstoff bzw. mit Stick stoff angereichertes Gas abgezogen wird, der Druck im Adsorber nach einer bestimmten Adsorptionszeit, bevorzugt nach einer Zeit von 20 bis 120 Sekunden, in einer Entspannungsphase auf einen Druck P_Des-1 entsprechend dem Umge bungsdruck oder auf einen Druck P_Des-1 bis wenigstens dem 0,6fachen des Umge bungsdrucks gebracht wird, dann in einer Desorptionsphase der das mit Stickstoff bzw. Sauerstoff belegte Adsorptionsmittel enthaltende Adsorber innerhalb einer bestimmten Desorptionszeit, insbesondere von 20 bis 120 Sekunden, zur Desorption des adsorbierten Stickstoffs bzw. Sauerstoffs mittels des Vakuumpump stands von dem höherem Druck P_Des-1 auf einen niedrigeren Druck P_Des-min ent sprechend wenigstens dem 0,05fachen des Umgebungsdrucks gebracht wird, und in einer Bespannungsphase wieder auf den Druck der Adsorptionsphase gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Desorptionsphase das ggf. vor gedrosselte Radialgebläse und die Verdrängerpumpe des Vakuumpumpstands den Adsorber parallel oder in Serie geschaltet, insbesondere parallel geschaltet, bepum pen und bei einem tieferen Desorptionsdruck das Radialgebläse und die Verdrängerpumpe in Serie geschaltet den Adsorber bepumpen, wobei die Verdrängerpumpe an der Druckseite des Radialgebläses angeschlossen ist, und daß während der Reihenbetriebsweise von Radialgebläse und die Verdrängerpumpe die zur Druckseite laufende Verdrängerpumpe so eingestellt ist bzw. dimensioniert ist, daß das Radialgebläse während der Abpumpphase im Mittel sein optimales Druckverhältnis Π erreicht.

Die eventuelle Umstellung der Pumpenanordnung von Parallelbetrieb auf Reihen betrieb erfolgt bevorzugt bei einem Evakuierungsdruck P_Des-0 vor dem Radialge bläse insbesondere dann, wenn der Evakuierungsdruck P_Des-0 zumindest den Wert gebildet aus dem Druck P₀ am Austritt der druckseitigen Verdrängerpumpe dividiert durch 0.65 _* Π erreicht hat.

Bevorzugt werden schon zu Beginn der Evakuierungsphase Radialgebläse und Verdrängerpumpe in Reihe geschaltet betrieben.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekenn zeichnet, daß der Druck P_Des-0 bei dem von Parallelbetrieb auf Reihenbetrieb um geschaltet wird, mindestens gleich dem Druck P₀ am Austritt der druckseitigen Verdrängerpumpe dividiert durch das 1,15fache des Druckverhältnisses Π des Radialgebläses ist.

Eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gegebenen Anfangsevakuierungsdruck P_Des-1 zu Beginn der Desorp tionsphase der minimale Evakuierungsdruck P_Des-min innerhalb eines Druckbereichs liegt, der aus

P_Des-min = P₀/1030 hPa _* (0.25 _* P_Des-1 - 100 hPa)

und

P_Des-min = P₀/1030 hPa _* (0.5 _* P_Des-1)

gebildet ist.

Die Umstellung der Pumpenanordnung von Parallelbetrieb auf Reihenbetrieb kann beispielsweise über ein Steuerungssystem der Adsorptionsanlage gemäß einer Zeit vorgabe oder einer Druckvorgabe gesteuert werden.

Für den besonderen Fall, daß die nachgeschaltete Vakuumpumpe nach dem Ver drängerprinzip bei einem Abpumpdruck unter 0.25 des Umgebungsdruckes arbei ten muß, kann diese aus zwei oder drei hintereinander geschalteten Verdränger pumpen bestehen.

Weitere besondere Ausführungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Der erfindungsgemäße VSA-Prozeß soll im folgenden anhand der Figuren bei spielhaft naher erläutert werden.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 die Saugleistungskennlinie eines bekannten einstufigen Drehkolbengebläses,

Fig. 2 die Saugleistungskennlinie und Leistungsaufnahme eines bekannten zwei stufigen Drehkolbengebläses,

Fig. 3 die Kennlinie und die druckabhangige Leistungsaufnahme eines Pumpstan des aus Radialgebläse und Drehkolbengebläse in Reihenschaltung,

Fig. 4 die Kennlinie und die druckabhängige Leistungsaufnahme eines Pump standes aus Radial- und Drehkolbengebläse bei Wechsel von Parallel- auf Reihenbetrieb,

Fig. 5 das Schema einer VSA-Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 den gemessenen Druckverlauf am Adsorbereintritt während der Abpumpphase,

a) einer Kombination von Radialgebläse und Drehkolbengebläse im Reihenbetrieb,
b) eines zweistufigen Drehkolbengebläses,
c) einer Kombination von Radialgebläse und Drehkolbengebläse mit Umschaltung von Parallel- auf Reihenbetrieb

bei einem Startdruck von 950 hPa;

Fig. 7 Druckverlaufskurven wie in Fig. 6 bei einem Startdruck von 800 hPa.

Das Schema der für die Durchführung der nachfolgenden Beispiele verwendeten VSA-Anlage ist in Fig. 5 zu sehen.

Beispiele

Die VSA-Anlage weist folgende Komponenten auf:
Einlaßventile: 11A, 12A, 11B, 12B, 11C, 12 C
Auslaßventile: 13A, 14A, 15A, 13B, 14B, 15B, 13C, 14C, 14C
Regelventile: 17ABC, 18ABC
Ventil 16ABC
Luftgebläse C10
Heizung H10
Produktgebläse G10
Vakuumpumpstand V10.

Bei der nachfolgenden Darstellung des Verfahrens werden folgende Abkürzungen verwendet:
P₀ = Druck am Auslaß des Pumpenstandes ∆ Umgebungsdruck plus Staudruck des Schalldämpfers am Pumpstandende
P_Des-1 = Druck vor dem Pumpenstand zu Beginn der Evakuierungsphase
P_Des-0 = Druck vor dem Pumpenstand, bei dem von Parallelbetrieb auf Reihenbetrieb umgeschaltet wird
P_{DEs-0, min} = niedrigster Druck vor dem Pumpenstand, bei dem von Parallel betrieb auf Reihenbetrieb umgeschaltet wird
P_Des-min = niedrigster Evakuierungsdruck vor dem Pumpenstand.

Die Adsorber A, B und C werden gefüllt mit Ca-Zeolith A-Granulat der Körnung 1 bis 2,5 mm, das hergestellt ist gemäß Beispiel 2 aus der Offenlegungsschrift EP-A 0 170 026. Die Stickstoffadsorption beträgt an diesem Granulat bei 1000 hPa und 25°C 14 Nl/kg die Sauerstoffadsorption 4,3 Nl/kg.

Der Adsorberinnendurchmesser betrug 1000 mm, die Schütthöhe der Gesamt schüttung 2200 mm. Am Adsorbereintritt war eine 20 cm Schicht an Kieselgel angebracht. Die Schütthöhe des Zeolithgranulats betrug 200 cm, das Zeolithgewicht 1000 kg.

Die Adsorber A, B, C werden taktweise betrieben. Die Darstellung des Ver fahrensablaufs beginnt zum Zeitpunkt t = 0, an dem die Adsorption im Adsorber A beendet ist.

In dem Zeitraum bis t = 8 sec (auch BFP-Zeit genannt) geschieht folgendes:
Am Adsorber A ist nur das Ventil 15A geöffnet. Am Adsorber C sind nur die Ventile 12C und 13C geöffnet. Angesaugt durch den Pumpstand V10 strömt O₂-reiches Gas von Adsorber A über Ventil 15A, das geöffnete Regelventil 17ABC und Ventil 13C in Adsorber C. Der Druck in Adsorber A fällt dadurch vom Adsorptionsdruck auf einen niedrigeren Druck P_Des-1 (Entspannungsphase). In Adsorber C wird hierbei die Evakuierung beendet, wobei der Druck in Adsorber C vom Endruck P_Des-min auf einen höheren Druck ansteigt.

Adsorber B beginnt mit der Lufttrennung (Adsorptionsphase), d. h. Umgebungsluft tritt durch Ventil 11B in den Adsorber B, O₂-reiches Produktgas verläßt über Ventil 14B den Adsorber und wird mit Kompressor G10 zum Produktvorrat (nicht gezeichnet) abgeführt.

In der Taktzeit von 8 bis 60 sec. geschieht folgendes:
Am Adsorber A ist Ventil 15A wieder geschlossen und nur Ventil 12A offen. Der Adsorber A wird in der Desorptionsphase vom Druck P_Des-1 mit der Vakuum pumpe V10 auf den Druck P_Des-min abgesaugt. Der Adsorber B ist in der Adsorp tionsphase, d. h. die Ventile 11B und 15B sind geöffnet. Gleichzeitig wird über die Ventile 18ABC, 16ABC und 13C der Adsorber C mit O₂-reichem Gas gefüllt. Am Adsorber C ist nur Ventil 13C geöffnet. Die Füllmenge ist so bemessen, daß am Ende dieses Zeitraums der Druck im Adsorber C nahezu den Adsorptionsdruck erreicht (Bespannungsphase).

Im nächsten Takt des Zyklus trennt Adsorber C die Luft (Adsorptionsphase), im dritten Takt des Zyklus Adsorber A, d. h. die beiden Taktzeiten von 0-8 sec. und von 8-60 sec. werden jeweils entsprechend wiederholt.

Zur Auswertung der nachfolgenden Versuchsbeispiele wurde die produzierte O₂- Menge bei 93% Vol. Konzentration und der zeitliche Verlauf des Evakuierungs drucks vor dem Pumpenstand, die evakuierte Gasmenge und die Volumenleistung des Pumpenstandes bei 300 hPa herangezogen.

Der maximale Adsorptionsdruck betrug stets 1100 hPa, der minimale Evakuie rungsdruck P_Des-min stets 300 hPa. Verglichen wurde neben dem Typ des Pumpenstandes der Druck P_Des-1 zu Beginn des Evakuierungsschrittes, wobei in der ersten Variante dieser Startdruck 950 hPa und im Vergleich hierzu 800 hPa betrug. Der Druck am Austritt des Pumpenstandes (P₀ Umgebungsdruck inclu sive Staudruck des hinter dem Pumpenstand angebrachten Schalldämpfers) betrug im Mittel 1050 hPa.

Die Wirkungsweise der folgenden Pumpenstände wurde im Zusammenhang mit dem Trennverfahren untersucht:

D) Ein zweistufiges Drehkolbengebläse, wobei im Versuch die Kapazität bei 300 hPa etwa 1 000 m³/h betrug.
E) Eine Kombination bestehend aus Radialgebläse und Drehkolbengebläse, d. h. beide Gebläse waren stets in Serie geschaltet, wobei im Versuch die Kapazität bei 300 hPa etwa 1000 m³/h betrug.
F) Eine Kombination bestehend aus Radialgebläse und Drehkolbengebläse mit Leistungsdaten gemäß Fig. 4, wobei bis zu einem Evakuierungsdruck von 650 hPa vor dem Pumpenstand Radialgebläse und Drehkolbengebläse parallel pumpten und bei einem Druck unter 650 hPa in Reihe pumpten, d. h. das Radialgebläse in der Saugseite und das Drehkolbengebläse an der Druckseite; die Förderleistung lag bei 300 hPa bei ca. 1000 m³/h.

In Fig. 1 ist die Kennlinie eines einstufigen Drehkolbengebläses abgebildet. Daraus ist ersichtlich, daß bei einem Saugdruck von unter 400 hPa die Saugleistung gegenüber der Saugleistung bei 1000 hPa bereits erheblich einge schränkt ist.

In Fig. 2 ist die Kennlinie eines zweistufigen Drehkolbengebläses abgebildet. Die in Serie geschaltete zweite Stufe hat bei Umgebungsdruck gegenüber der ersten Stufe der Saugseite entsprechend dem Abstufungsverhältnis eine um 40% geringere Saugleistung. Zwischen 1000 hPa und 200 hPa fällt die Saugleistung der Gesamtkennlinie um etwa 10% ab.

In Fig. 3 ist die Kennlinie eines Pumpenstandes mit einem Radialgebläse in der Saugseite und einem Drehkolbengebläse in der Druckseite (Reihenbetrieb) abge bildet.

Die gleichen Pumpenteile zur Bestimmung der Kennlinie gemäß Fig. 3 sind für die Messung der Kennlinien in Fig. 4 verwendet worden. Jedoch saugen im Bereich von 650 bis 1000 hPa das Radialgebläse und das Drehkolbengebläse parallel, wobei das Radialgebläse über eine Drossel auf 650 hPa in der Saugseite geregelt ist. Im Bereich unter 650 hPa sind Radialgebläse und Drehkolbengebläse wie bei der Kennlinienmessung in Fig. 3 in Serie geschaltet.

In einem anderen Beispiel der Prozeßführung wird der Evakuierungsdruck P_Des-1 dadurch erreicht, daß in dem oben angeführten Zeittakt von "0-8 sec." das Ventil 12C geschlossen ist, d. h. ein Druckausgleich oder ein teilweiser Druckausgleich zwischen Adsorber A und C erfolgt. In dieser Zeit evakuiert die Vakuumpumpe V10 nicht Adsorber C und arbeitet im "Leerlaufbetrieb".

In einem weiteren Beispiel wird der Evakuierungsdruck P_Des-21 dadurch erreicht, daß in dem oben angeführten Zeittakt von "0-8 sec." an Adsorber C nur das Ventil 12C geöffnet ist, dadurch Adsorber C auf seinen Enddruck evakuiert wird. An Adsorber B ist nur Ventil 11B geöffnet, wodurch das Luftgebläse C10 den Adsorber B mit Luft füllt. An Adsorber A ist nur das Ventil 14A geöffnet, wodurch der Produktkompressor G10 O₂-reiches Gas absaugt und im Adsorber A der Druck auf den gewünschten Evakuierungsdruck P_des-1 abfällt.

In einem weiteren Verfahrensbeispiel wird der optimale Startdruck P_Des-1 zum Evakuieren bei angeschlossenem Vakuumpumpenstand dadurch relativ schnell erreicht, daß in dem angeführten Zeittakt von "0-8 sec." an Adsorber C nur Ven til 13C geöffnet ist. An Adsorber B sind nur Ventile 11B und 14B geöffnet, wodurch das Luftgebläse C10 den Adsorber B mit Luft füllt und bereits O₂-reiches Gas produziert. An Adsorber A sind die Ventile 12A und 15A geöffnet. O₂-reiches Gas von Adsorber A füllt über Ventile 15A, 17ABC und 13C den Adsorber C auf. Der Druck in Adsorber A fällt durch die an Ventil 12A angeschlossene Vakuumpumpe V10 auf den gewünschten optimalen Startdruck P_Des-1 relativ schnell ab.

Mit Hilfe des Kalkulationsprogrammes "ADSIM "der Firma ASPEN TECH/Cam bridge wurde für eine O₂-Anreicherungsanlage mit 5000 Nm³/h Sauerstoff im Pro dukt und einer O₂-Konzentration von 93 Vol.% der Evakuierungsverlauf für den Einsatz obiger drei Pumpenstände D), E), F) in den beiden Evakuierungsbereichen 950 hPa (= P_Des-1) bis 300 hPa (= P_Des-min) und 800 bis 300 hPa und unter Ermitt lung der Sauerstoffausbeuten (Verhältnis der Sauerstoffmenge im Produkt zu Luft sauerstoff) die Pumpengrößen errechnet. Hierbei wurden proportional umgerechnet auf andere Pumpengrößen die Kenndaten, die Mengenförderung und der Energiebedarf aus den Fig. 2, 3 und 4 verwendet.

Fig. 6 gibt den gemessenen Druckverlauf bei einem Startdruck P_Des-1 von 950 hPa wieder. Der Pumpenstand E) (Reihenschaltung von Radialgebläse mit Drehkolbenverdichter) mit seinem geringem Saugvermögen bei höheren Drücken hat demnach gegen über dem Typ D (zweistufiges Drehkolbengebläse) ein relativ hohes Druckniveau im Absaugverlauf.

Der Pumpenstand F (Start mit Parallelbetrieb Radialgebläse und Drehkolbenver dichter) mit seinem höherem Saugvermögen bei höheren Drücken hat demnach ge gen über dem Typ D (zweistufiges Drehkolbengebläse) ein relativ geringes Druckniveau im Absaugverlauf, was demnach auf einen ungünstigen Energiebedarf schließen läßt.

Fig. 7 gibt den gemessenen Druckverlauf bei einem Startdruck P_Des-1 von 800 mbar wieder. Gegenüber Fig. 6 liegen die Evakuierungskennlinien nicht so weit auseinander.

Es wurden folgende Pumpengrößen ermittelt:

Tabelle 1

Evakuierungsdruck 950 bis 300 hPa

Tabelle 2

Evakuierungsdruck 800 bis 300 hPa

Da der Evakuierungsdruck im Bereich von 600 bis 700 hPa, in dem eventuell eine Umstellung der Systems Radialgebläse/Drehkolbengebläse von Parallelbetrieb auf Reihenbetrieb erfolgen sollte, relativ schnell durchlaufen wird, kann diese Um stellung über das Leitsystem der O₂-VSA/PVSA-Anlage durchgeführt werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß bei Erreichen eines bestimmten Evakuierungs druckes, oder durch Vorgabe einer abgelaufenen Evakuierungszeit entsprechend umgeschaltet wird.

Wie Fig. 1 zeigt, fällt ein einstufiges Drehkolbengebläse bei einem Druck von 400 hPa bereits relativ stark in seiner Saugleistung ab. Um niedrigere Evakuie rungsdrücke unter 25% bzw. auch unter 15% des Umgebungsdruckes mit einer Reihenkombination Radialverdichter-Drehkolbengebläse zu erreichen, ohne daß das Radialgebläse wegen eines zu hohen notwendigen Verdichtungsverhältnisses ausfällt, wird vorgeschlagen, das Drehkolbengebläse gegebenenfalls zwei- und mehrstufig auszuführen (Reihenbetrieb).

Aus Evakuierungsverlauf und den Kenndaten der Vakuumpumpenstände D), E) und F) und den errechneten Pumpengrößen wurde für 5000 Nm³/h Sauerstoff im Produkt und einer O₂-Konzentration von 93 Vol. % der Energiebedarf der drei Pumpenstände D), E), F) für die beiden Druckbereiche 950 bis 300 hPa und 800 bis 300 hPa errechnet. Hierbei wurden proportional umgerechnet auf andere Pumpengrößen die Kenndaten für die Leistungsaufnahme gemäß den Fig. 2, 3 oder 4 verwendet. Der Energiebedarf bezieht sich hierbei auf die erzeugte Sauer stoffmenge.

Es wurden folgende spezifischen Leistungsaufnahmen bei einem Getriebe wirkungsgrad von 4% ermittelt:

Tabelle 3

Es ist überraschend, daß der Pumpentyp E) mit zeitlich durchgehendem Reihenbe trieb (des Radialgebläses mit dem Drehkolbengebläse) trotz der eingeschränkten Fördermenge bei höheren Drücken auch bei einem beginnenden Evakuierungs druck von z. B. 800 hPa, damit weit über dem theoretisch günstigstem Startdruck (P_Des-0 = P₀/Π von etwa 1050/1,6 = 650 hPa) gegenüber der Kombination D) (= zweistufiges Drehkolbengebläse) und sogar gegenüber dem Pumpentyp F) mit beginnendem Parallelbetrieb und bei 650 hPa startendem Reihenbetrieb den ge ringsten Energiebedarf ausweist (siehe Tabelle 3, zweite Spalte, 800 hPa Start druck).

Es ist überraschend, daß eine Energieersparnis mit dem Pumpentyp E) gegenüber einem zweistufigen Drehkolbengebläse (Typ D)) sogar bei höheren Startdrücken, z. B. 950 hPa erreicht wird (Tabelle 3, erste Spalte).

Es kann deshalb in einem O₂-VSA-Prozeß mit einem Vakuumpumpenstand beste hend aus Radialgebläse und Drehkolbengebläse bereits weit vor Erreichen des opti malen Anfangsevakuierungsdrucks P_Des-0 (= Umgebungsdruck inclusiv Staudruck des Schalldämpfers zu optimalem Druckverhältnis Π des Radialgebläses) die Kom bination Radialgebläse und Drehkolbengebläse auf Reihenbetrieb umgestellt werden.

Im Normalfall wäre bei 1000 hPa Umgebungsdruck und 50 hPa Staudruck des Schalldämpfers und einem Druckverhältnis Π von 1,6 der günstige Startdruck des Reihenbetriebs (P_Des-0) etwa 650 hPa. Im Falle der O₂-Anreicherung von Luft mit der VSA-Technik kann aber bereits bei relativ hohen Drücken die Evakuierung mit einem Reihenbetrieb des Radialgebläses/Drehkolbengebläse optimal durchgeführt werden. Dies bedeutet, daß bereits bei Drücken weit über dem optimalen Start druck P_Des-0 die Pumpenkombination von Parallelbetrieb auf Reihenbetrieb um gestellt werden kann, oder daß bereits zu Evakuierungsbeginn mit dem Reihen betrieb der Pumpenkombination begonnen wird.

Claims

1. Verfahren zur Trennung von Sauerstoff oder Stickstoff aus Luft unter Verwendung einer Adsorptionsanlage mit einem oder mehreren Adsorbern enthaltend Adsorbentien für Stickstoff oder Sauerstoff, bevorzugt für Stickstoff,
und mit einem Vakuumpumpstand, der aus einem Radialgebläse und einer Vakuumpumpe arbeitend nach dem Verdrängerprinzip, insbesondere einem Drehkolbengebläse, besteht,
wobei die Luft in einer Adsorptionsphase bei Umgebungsdruck, schwach vermindertem Druck gegenüber Umgebungsdruck von -0,1 10⁵Pa, oder ei nem Überdruck bis zu 0,5 10⁵ Pa in den Adsorber geleitet und am Auslaß des Adsorbers mit Sauerstoff bzw. mit Stickstoff angereichertes Gas abge zogen wird,
der Druck im Adsorber nach einer bestimmten Adsorptionszeit, bevorzugt von 20 bis 120 Sekunden, in einer Entspannungsphase auf einen Druck P_Des-1 entsprechend dem Umgebungsdruck oder auf einen Druck unter Umgebungsdruck (bis wenigstens dem 0,6fachen Umgebungsdruck) ge bracht wird,
dann in einer Desorptionsphase der Adsorber, der das mit Stickstoff bzw. Sauerstoff angereicherte Adsorptionsmittel enthält, innerhalb einer be stimmten Desorptionszeit, insbesondere von 20 bis 120 Sekunden, zur Desorption des adsorbierten Stickstoffs bzw. Sauerstoffs ggf. mittels des Vakuumpumpstands von dem höherem Druck P_Des-1 auf einen niedrigeren Druck P_Des-min entsprechend wenigstens dem 0,05fachen des Umgebungs drucks gebracht wird, und in einer Bespannungsphase wieder auf den Druck der Adsorptionsphase gebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Desorptionsphase das ggf. vor gedrosselte Radialgebläse und die Verdrängerpumpe des Vakuumpump stands den Adsorber parallel oder in Serie geschaltet, insbesondere parallel geschaltet, bepumpen und bei einem tieferen Desorptionsdruck das Ra dialgebläse und die Verdrängerpumpe in Serie geschaltet den Adsorber be pumpen, wobei die Verdrängerpumpe an der Druckseite des Radialgeblä ses angeschlossen ist,
daß während der Reihenbetriebsweise von Radialgebläse und Verdränger pumpe die zur Druckseite laufende Verdrängerpumpe so eingestellt ist bzw. dimensioniert ist, daß das Radialgebläse während der Abpumpphase im Mittel sein optimales Druckverhältnis Π erreicht,
und daß die eventuelle Umstellung der Pumpenanordnung von Parallelbe trieb auf Reihenbetrieb bei einem Evakuierungsdruck P_Des-0 vor dem Radialgebläse insbesondere dann erfolgt, wenn der Evakuierungsdruck P_Des-0 zumindest den Wert gebildet aus dem Druck P₀ am Austritt der druckseitigen Verdrängerpumpe dividiert durch 0.65 _* Π erreicht hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Evakuierungsphase Radialgebläse und Verdrängerpumpe in Reihe geschal tet betrieben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck P_Des-min bei dem von Parallelbetrieb auf Reihenbetrieb umgeschaltet wird, mindestens gleich dem Druck P₀ am Austritt der druckseitigen Verdränger pumpe dividiert durch das 1,15fache des Druckverhältnisses Π des Radial gebläses ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gegebenen Anfangsevakuierungsdruck P_Des-1 der minimale Evakuie rungsdruck P_Des-min innerhalb eines Druckbereichs liegt, der aus P_Des-min = P₀/1030 hPa _* (0.25 _* P_Des-1 - 100 hPa)undP_Des-min = P₀/1030 hPa _* (0.5 _* P_Des-1)gebildet ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umstellung der Pumpenanordnung von Parallelbetrieb auf Reihenbetrieb über ein Steuerungssystem der Adsorptionsanlage gemäß einer Zeitvorgabe erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umstellung der Pumpenanordnung von Parallelbetrieb auf Reihenbetrieb über ein Steuerungssystem der Adsorptionsanlage gemäß einer Druckvor gabe erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete Vakuumpumpe nach dem Verdrängerprinzip bei einem Ab pumpdruck unter dem 0.25fachen des Umgebungsdruckes aus zwei oder drei hintereinander geschalteten Verdrängerpumpen gebildet wird.

8. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein bis drei Adsorber (A), (B), (C) vorzugsweise zwei oder drei Adsorber taktweise im Wechsel von Adsorptionsphase, Entspannungsphase und Desorptionsphase und Bespannungsphase betrieben werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu evakuie rende Adsorber (A) am Ende seiner Adsorptionsphase an seinem Auslaß mit dem Auslaß eines in der Evakuierungsphase befindlichen Absorber (B) angeschlossen wird und Absorber (A) über den am Einlaß des Absorbers (B) angeschlossenen Vakuumpumpenstand bis maximal auf einen Druck P-_{Des-0, min} evakuiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu evakuierende Adsorber (A) am Ende seiner Adsorptionsphase an seinem Auslaß mit dem Auslaß oder Einlaß eines bereits evakuierten Adsorber (B) angeschlossen wird und Adsorber (A) über einen Druckausgleich oder teilweise Druckausgleich mit Adsorber (B) auf maximal einen Unterdruck P-_{Des-0, min} entspannt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu evakuierende Adsorber (A) am Ende seiner Adsorptionsphase, oder am Ende seiner Entspannungsphase auf Umgebungsdruck, an seinem Auslaß mit einem Produktkompressor angeschlossen bleibt, hierbei das Einlaßende des Adsorbers (A) geschlossen ist, und der Druck im Adsorber (A) unter Umgebungsdruck abfällt, maximal auf einen Druck P-_{Des-0, min}.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu evakuierende Adsorber (A) am Ende seiner Adsorptionsphase, oder am Ende seiner Entspannungsphase auf Umgebungsdruck an seinem Einlaß mit einem Pumpenstand evakuiert wird und gleichzeitig an seinem Auslaß mit dem Auslaß eines bereits evakuierten Adsorbers (B) verbunden ist und dadurch Adsorber (B) bespannt wird.