DE2038261C3 - Verfahren zum Abtrennen einer oder mehrerer Komponenten aus Gasgemischen durch selektive Adsorption und nachfolgende Desorption - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren zu schaffen, das ohne wesentlichen Mehr-

50 aufwand das nach der Adsorbtionsphase im Adsorberbett befindliche Gas noch besser als die bekannten Verfahren ausnutzt und damit zugleich für hohe Pro-Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtren- duktausbeute und -reinheit sorgt, en einer oder mehrerer Komponenten aus Gas- Ausgehend von einem bekannten Verfahren der

emischen durch selektive Adsorption und nachfol- 55 eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfinende Desorption, bei dem vier Adsorberbetten al- dungsgemäß dadurch gelöst, daß das Adsorberbett ernierend in einer unter erhöhtem Druck ablaufen- vor der Gegenstromdruckminderung in einer zweiten len Adsorptionsphase durch Einleiten des Einsatz- Druckausgleichsphase im Gleichstrom zum Druck- ;ases uiad Abziehen des nicht adsorbierten Produkt- ausgleich mit einem weiteren der Adsorberbetten auf ;ases beladen und dann im Gleichstrom zum Druck- 60 einen niedrigeren Druck als den Enddruck der ersten lusgleich mit einem anderen Adsorberbett gebracht Druckausgleichs phase gebracht wird und der mit Gas werden, worauf der Gasdruck des Adsorberbettes zu- aus der ersten Druckausgleichsphase sowie mit Prolächst im Gleichstrom und dann zwecks Desorption duktgas ablaufenden Wiederaufdrückphase vorausm Gegenstrom weiter abgesenkt, das Bett anschlie- geht, bei der Gas aus der zweiten Druckausgleichslend im Gegenstrom mit Gas aus der Gleichstrom- 65 phase eines anderen Adsorberbettes in das Adsorber-Iruckminderungsphase eines der anderen Betten ge- bett eingeleitet wird.

pult und dann im Gegenstrom mit Gas aus der Dadurch, daß der Druckausgleich in zwei Stufen

3ruckausgleichsphase sowie mit Produktgas eines je- mit zwei unterschiedlichen Betten erfolgt, kann ein

erößerer Teil des nach der Adsorptionsphase im Ad- Druckausgleichsleitung 16 fdr die erste Druckausforberbett vorhandenen Gases für das Wiederauf- gieichsstufe zur Verbindung der Austrittsenden der drücken ausgenutzt werden. Infolgedessen ist für das Adsorber C und D vorgesehen. Um den ersten Druck-Wiederaufdrücken weniger Produktgas erforderlich. ausgleich herbeizuführen, sind automatische Ventile In dem Bett verbleibt eine geringere Menge an rest- 5 Λ AB und 4CD in den Leitungen 15 bzw. 16 angelichem eingeschlossenem Gas, das im Gegeustrom zur ordnet. In Reihe mit den Druckausgleichsventilen Ablaßleitung abgeblasen wird. 4AB _und 4CD liegen Ventile 17 bzw. 18, die von

Die zweite Druckausgleichsphase kann der Gleich- Hand voreingestellte Drosseleinrichtungen darstellen, stromdruckminderungsphase vorausgehen, Vorzugs- die verhindern, daß übermäßig hohe Durchflußmenweise folgt sie jedoch auf diese Phase. io gen auftreten, und eine Einstellung und Abgleichung

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die der Druckausgleichsgeschwindigkeiten zwischen den Tweite Druckausgleichsphase mindestens bis zum Adsorberbettenpaaren AB und CD gestatten. Durchbrach der abzutrennenden Komponente fort- Automatische Ventile SA, 5B, SC und 5D sind

gesetzt und wird die erste Wiederaufdrückphase im an den Austrittsenden der Betten vorgesehen. Zwei Gleichstrom ausgeführt. Damit läßt sich auch die in 15 dieser Ventile öffnen gemeinsam, um Gleichstromder Massenübergangszone befindliche Produktkom- dmckminderungsgas von einem Adsorberbett als ponente des Gases zurückgewinnen. Die Produkt- Spülgas in ein anderes Bett einzuleiten. Handventile ausbeute wird weiter erhöht Es kann mit kürzeren 19 und 20 in den Spülgasverbindungsleitungen 21 Adsorberbetten gearbeitet werden. bzw. 22 erfüllen den gleichen Zweck, wie er oben in

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich un- ao Verbindung mit den Ventilen 17 und 18 für den ter anderem für das Abtrennen von CO, CO₂, CH₄, ersten Druckausgleichskreis erläutert ist. Die Spülgas-NH , H₂S, Ar, N₂, Wasserdampf und niedermoleku- Verbindungsleitungen 21 und 22, die strömungsmäßig laren gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasser- parallelliegen, enthalten außerdem in entgegepgestoffen, von Wasserstoff, sowie O₂, N₂ und CO₂ von setzter Strömungsrichtung orientierte Gegendruck-_Luft. ' " *5 regler 23 und 24, um die Strömung in jeder Richtung

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Aus- zwischen entweder dem Bett A oder dem Bett B und fiihrungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnun- dem Bett C oder dem Bett D zu regeln. Die Gegeneen näher erläutert. Es zeigt druckregler 23 und 24 werden derart eingestellt, daß

Fig. 1 ein Fließschema einer zur Durchführung ein Mindestdruck, beispielsweise ein Überdruck von des Verfahrens nach der Erfindung geeigneten An- 30 3,5 kg/cm², in dem Bett aufrechterhalten wird, bei _lage> dem eine Gleichstromdruckminderung erfolgt. Wenn

Fig. 2 ein bevorzugtes Zeitprogramm für die ver- dieser Druck erreicht ist, werden die Gleichstromschiedenen Verfahrensstufen bei Verwendung der druckminderungsstufe und die Spülstufe beendet. Anlage nach F i g. 1, Dadurch wird verhindert, daß die Gleichstromdruck-

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehung 35 minderung bis zu einem übermäßig niedrigen Druck zwischen Druck und Zeit bei einem bekannten ein- fortgesetzt wird, bei dem es zu einem Durchbruch stufigen Druckausgleich, der Adsorbtionsfront der einen Komponente kommt.

Fie 4 eine grafische Darstellung der Beziehung Wie oben angegeben, sind Ventile 17, 18, 19_ und

zwischen Druck und Zeit bei einem erfindungsgemä- 20 Durchflußmengenbegrenzer, die eine Beschadißen zweistufigen Druckausgleich, und 40 gung der Betten auf Grund eines übermäßigen Δ ρ

Fig 5 ein Fließschema einer zur Durchführung und einer zu großen Gasgeschwindigkeit verhindern, des Verfahrens nach der Erfindung geeigneten abge- Entsprechende Vorsorge kann während der Gegenwandelten Anlage, bei der das Einspeisen und Wie- Stromdruckminderung mittels eines voreingestellten deraufdrücken während des zweiten niedrigeren Drosselventils 25 getroffen werden, das als Umleitung Druckausgleiches erfolgen. 45 bezüglich eines Hauptablaßventils 26 in der Ablaß-

Die Fig. 1 zeigt vier Adsorberbetten A, B, C hauptleitung 12 dient Während der ^egenstrom- und D die strömungsmäßig parallel zwischen eine druckminderung wird das automatische Hauptablaß-Snsatzgasgemisch-Hauptleitung 10 und eine Pro- ventil 26 geschlossen, wodurch das Gas gezwungen duSS-HaupÜeitung 11 geschaltet sind. Über auto- wird, den Umweg über das Ventil 25 zu nehmen ,^L Ventile IA IB IC und ID wird dem 50 Während der folgenden, auf dem niedrigsten Druck

_s5 SSsSwL· W ÄÄ

Komponenten werden durch Ge- garhauptleitung

5 6

des Bettes B, über das Ventil 5 C mit dem Austritts- druckminderungs- und Spülstufen, während deren die ende des Bettes C und über das Ventil 5 D mit dem adsorbierte Komponente aus den Betten entladen Austrittsende des Bettes D in Verbindung. Die Strö- wird, sind lotrecht an die Desorbat-Ablaßhauptleimung innerhalb der Leitung 40 wird mittels Ventile tung 12 angeschlossen. Die Wiederaufdrückstufen, 41 und 42 gesteuert. 5 bei denen ein Teil des nicht adsorbierten Produkt-Es wurde oben ausgeführt, daß die Adsorptions- gases verwendet wird, sind mit der Produktgashauptstufe beendet wird, wenn sich die Adsorptionsfront leitung 11 lotrecht verbunden. Alle den vier Betten der ausgewählten Komponente vollständig innerhalb zugeordneten Gasströme sind in der Figur entspredes Bettes befindet. Dieser Punkt kann an Hand der chend bezeichnet.

Eigenschaften und der Zusammensetzung des Ein- io Es sind vier Adsorberbetten vorhanden, um diesatzgases, der Adsorptionsmittel kapazität und der dy- jenigen Stufen, bei denen Gleichstromdruckmindenamischen Eigenschaften in bekannter Weise be- rungsgasströme verfügbar werden, mit denjenigen stimmt werden. Auch die erste Druckausgleichsstufe Stufen zeitlich abzustimmen, bei denen diese Gas- und die Gleichstromdruckminderungsstufe werden ströme ausgenutzt werden können. Andernfalls wären beendet, wenn die Adsorptionsfront noch vollkom- 15 große Zwischenspeicher erforderlich. Aus Fig. 2 men innerhalb des Bettes liegt und noch kein Durch- geht hervor, daß ständig eines der Adsorberbetten in bruch erfolgt ist. Dies ermöglicht ein Entfernen der der Adsorptionsstufe arbeitet und Produktgas mit im adsorbierbaren Komponenten aus dem eingeschlosse- wesentlichen konstantem Druck an die Produktgasnen Gas über das Austrittsende des Bettes, so daß das hauptleitung 11 abgibt. Gleichzeitig erfolgt bei den abströmende Druckausgleichgas und das Spülgas 20 drei anderen Betten eine Drucksenkung im Gleichpraktisch die gleiche Reinheit wie das Produktgas strom oder ein erster oder zweiter Druckausgleich, haben. Falls die Gleichstromdruckminderung vor der ein Reinigen von der adsorbierbaren Komponente zweiten Druckausgleichsstufe durchgeführt wird, und/oder ein Wiederaufdrücken für die nächstfolmüssen sämtliche Stufen zur Rückgewinnung des ein- gende Adsorptionsstufe. Ständig nimmt eines der Betgeschlossenen Gases abgeschlossen sein, während die 25 ten Produktgas zum Wiederaufdrücken auf, so daß Adsorptionsfront noch vollständig innerhalb des das der Produktgasverbrauch für diesen Zweck konti-Gas liefernden Bettes liegt. Falls die zweite Druck- nuierlich und nicht intermittierend ist.
ausgleichsstufe nach der Gleichstromdruckminderung Bei diesem speziellen Arbeitsspiel nehmen, bezoausgeführt wird, kann der Druckausgleich über den gen auf ein einzelnes Bett, die Adsorption ein Viertel Durchbruchspunkt hinaus fortgesetzt werden, weil 30 des Gesamtspieles, der erste und der zweite Druckdas austretende Gas zum Wiederaufdrücken vom Ein- ausgleich sowie die Gleichstromdruckminderung ein trittsende aus benutzt wird. Der Durchbruch kann Viertel, die Gegenstromdruckminderung und das beispielsweise dadurch erkannt werden, daß die Kon- Spülen ungefähr ein Sechstel sowie das Wiederaufzentration der adsorbierbaren Komponente im aus- drücken den verbleibenden, ungefähr ein Drittel des tretenden Gas überwacht und der Augenblick fest- 35 Gesamtspieles betragenden, Teil ein. Die Ausnutzung gestellt wird, bei dem diese Konzentration merklich des Druckausgleich- und Gleichstromdruckmindeansteigt. Das Spülen erfolgt in besonders wirksamer rungsgases innerhalb des Systems ist durch waage-Weise dadurch, daß nur die in der vorhergehenden rechte Flußlinien angedeutet. Jede erste Druckaus-Stufe abgeschiedenen adsorbier baren Stoffe beseitigt gleichsstufe ist mit einer Wiederauf drückstufe eines werden. Das heißt, das Bett wird mittels des Spülgases 40 anderen Bettes, das bereits teilweise wiederaufgenicht von sämtlichen adsorbierbaren Stoffen vollkom- drückt ist, waagerecht verbunden. Jede zweite Druckmen gereinigt. Dadurch, daß das Spülgas im Gegen- ausgleichsstufe ist mit einer Wiederaufdrückstufe strom fließt, wird jedoch sichergestellt, daß die Ad- eines zusätzlichen, gerade gespülten Bettes waagesorptionsfront in Richtung auf das Eintrittsende zu- recht verbunden. Jede Gleichstromdruckminderungsrückgeschoben wird. Dies stellt ein reines Produktgas 45 stufe is;t mit einer Spülstufe eines anderen Bettes selbst während des anfänglichen Teiles der nachfol- waagerecht verbunden,
genden Adsorbtionsstufe sicher. Im folgenden ist jede Stufe des Arbeitsspiels des

In den meisten Fällen wird durch das Trennver- Bettes A unter Bezugnahme auf diejenigen Anlagen-

fahren mehr als eine adsorbierbare Komponente aus teile der Fig. 1 angegeben, die bei den Taktänderun-

dem Einsatzgas entfernt. Das System kann derart aus- 50 g^{en eine R}°U^e spielen. Beispiele für die im Betrieb

gelegt sein, daß die Komponente abgetrennt wird, die auftretenden Drücke sind genannt In Fig. 2 ist der

mittels des Adsorptionsmittels am wenigsten stark Einfachheit halber die Gesamtdauer des Arbeitsspiels

festgehalten wird. mit 24 Minuten angegeben. Vorzugsweise wird je-

Der Einsatz der Anlage nach Fig. 1 zur Durch- doch mit wesentlich kürzeren Arbeitsspielen gear-

führang des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich 55 beitet Beispielsweise kann die Gesamtdauer eines

am besten in Verbindung mit dem Zeitprogramm Arbeitsspiels 12 Mimiten betragen. Im einem solchen

nach Fig. 2 verstehen. Es sind sechs unterschiedliche Falle bit jede der in Fig. 2 angegebenen Zeitdauer

Stufen vorhanden. Innerhalb jeder dieser Stufen wer- zu halbieren.

den Gasströme eingeschaltet und/oder abgeschaltet Zeit 0 bis 6: Das Bett A ist auf Adsorption bei Ströme, die in das Vierbettsystem hinein und aus die- 60 einem Oberdruck von 3,87 kg/cm² geschaltet Die

sem herausfließen, sind durch lotrechte Linien ange- Ventile l/i und 2/4 sind offen; die Ventile 3A,4AB,

deutet, die die Einsatzgashauptleitung 10, die Haupt- SA und 6 A sind geschlossen.

leitung 11 für das abströmende, nicht adsorbierte Zeit 6 bis 7: Am Ende der Adsorptionsstufe schlie-

Produktgas und die Desorbat-Ablaßhauptleitung 12 Ben die Ventile IA und IA, während das Ventil verbinden. Die Einsatzgashaaptleitarig 10 ist lotrecht S5 4AB öffnet, um den ersten Druckausgleich zwischen

mit jeder der vier Adsorptionsstufen verbunden, die dem ersten Beit A und dem zweiten Bett B einzulei-

ihrerseits über lotrechte Linien mit der Produktgas- ten. In diesem Augenblick sind mit Ausnahme des

hauptleitung 11 verbunden sind. Die Gegenstrom' Ventils 6B alle weiteren dem Bett B zugeordneten

7 8

Ventile (die Ventile IB, 2B, 3B und SB) geschlos- dem vierten Bett D. Die Ventile 3A und 20 schliesen. Das Ventil 17 begrenzt die Durchflußmenge des ßen, während das Ventil 41 öffnet und Gas vom Druckausgleichsgases, um ein Fluidisieren des Bettes BettD zum Bettel strömen läßt. Dieses teilweise zu vermeiden. Das Gas strömt im Gegenstrom zur Wiederaufdrücken des ersten Bettes A im Gegen-Richtung des Einsatzgases im Bett B. ' 5 strom dauert an, bis ein Druckausgleich mit dem

Zeit 7 bis 11: Wenn die Drücke in den Betten A vierten Bett D bei dem niedrigeren Zwischendruck, und B bei einem höheren Zwischenwert von unge- beispielsweise einem Überdruck von ungefähr fähr 2,25 kg/cm^a Überdruck ausgeglichen sind, 0,56 kg/cm², hergestellt ist. Dies stellt zugleich die schließt das Ventil Λ AB und öffnen die Ventile SA, zweite oder niedrigere Druckausgleichsstufe des 19 und 5 C, so daß Spülgas vom Bett A in das dritte _l0 Bettes D dar.

Bett C im Gegengstrom zum Einsat?.gasfluß einströ- Zeit 18 bis 19: Die nächste Phase des Wieder-

men kann Zu diesem Zeitpunkt sind alle anderen aufdrückens des Bettes A erfolgt bei einem höheren dem Bett C zugeordneten Ventile (die Ventile 2 C, Druck durch Druckausgleich mit dem zweiten Bett B, 3C, 4CD und 6C) mit Ausnahme des Ventils IC das seine Adsorptionsstufe gerade abgeschlossen hat geschlossen. Das Ventil 23 drosselt und begrenzt den 15 und zunächst auf dem vollen Einsatzgasdruck liegt. Spülgasfluß, so daß das Bett C auf einem Druck von Die Ventile 5 A und 29 schließen, während das Venungefähr 1 Atmosphäre bleibt. til 4 A B öffnet, um das eingeschlossene Gas einzu-Zeit 11 bis 12: Am Ende der Spülstufe für das leiten, das im Gleichstrom aus dem Bett B austritt, dritte Bett C hat das erste Bett A eine Druckminde- Das Ventil 17 begrenzt die Gasdurchnußmenge und rung auf einen Überdruck von ungefähr 1,23 kg/cm² 20 verhindert damit ein Fluidisieren des Bettes. Dieses erfahren. Nunmehr schließt das Ventil 1C, so daß zusätzliche Wiederaufdrücken des ersten Bettes A im das weitere Übertreten von Gas vom Bett A in das Gegenstrom dauert an, bis ein Druckausgleich mit Bett C unterbrochen wird. Das Gas kann auch nicht dem zweiten Bett B bei dem höheren Zwischendruck, über die Spülgasverbindungsleitung (Leitung 21 mit z. B. bei einem Überdruck von ungefähr 2,25 kg/cm², den Ventilen 13 und 19) weiterströmen, weil das Re- 25 hergestellt ist. Dies stellt gleichzeitig die erste oder gelventil 23 so eingestellt ist, daß es den Spülgasfluß höhere Druckausgleichsstufe des Bettes B dar. unterbricht, wenn der Druck im Bett A auf den für Zeit 19 bis 24: Die letzte Phase des Wiederaufdie Entnahme von Spülgas vorbestimmten unteren drückens des Bettes A auf praktisch den Einsatzgas-Grenzwert (z.B. einen Überdruck von 1,23 g/cm²) druck erfolgt mit Produktgas, das das dritte Bett C gefallen ist. Der weitere Gasstrom zum Aufdrücken ₃₀ über die Produktgashauptleitung 11 verläßt und des Bettes C im Gegenstrom wird daher über die Lei- dessen Strömungsmenge mittels des Konstantstromtung 40 geführt, indem das Ventil 41 geöffnet und regelventil= 28 beim Übertritt in die Produktgasrückdas Ventil 23 geschlossen wird. Das in Reihe mit leitung 29 vorläufig geregelt wird. Das Ventil 4 A B dem Ventil 41 liegende Ventil 42 ist so voreingestellt, wird geschlossen, während das Ventil 6 A öffnet, um daß es die Durchflußmenge des zum Wiederaufdrük- ₃₅ das geregelte Produktgas in das Bett A einzuleiten, ken verwendeten Gases begrenzt. Es findet ein Druck- Vorzugsweise beginnt diese letzte Phase des Wiederausgleich zwischen den Betten A und C bei einem aufdrückens unter Verwendung von Produktgas mit unteren Zwischendruck von ungefähr 0,56 kg/cm² der 18. Minute und erfolgt diese letzte Phase gleich-Überdruck statt. zeitig mit der ersten höheren Druckausgleichsstufe Zeit 12 bis 13: Das erste Bett A hat nun im Ge- ₄₀ des Bettes B. Ein derartiges Überlappen der beiden genstrom eine Druckminderung auf einen Druck von Wiederaufdriickquellen ist vorteilhaft, weil dadurch praktisch einer Atmosphäre erfahren, was den nied- der interne Produktgasverbrauch geglättet und rigsten im Prozeß auftretenden Druck darstellt, und Schwankungen in der Durchflußmenge und dem zwar durch Schließen der Ventile SA und 41 sowie Druck des Produktgases vermieden werden. Wenn Öffnen des Ventils 3A. Das Ventil 26 in der Ablaß- ₄₅ das Bett A den Druckwert der Leitung 29 erreicht, hauptleitung Il schließt ebenfalls, wodurch das ab- _wi_rd das Ventil 6 A geschlossen und ist das Bett wiegehende Gas gezwungen wird, über die Drosselvor- der bereit, zu trennendes Einsatzgas aufzunehmen richtung 25 zu strömen. Das oben erläuterte Arbeitsspiel für das Bett A Zeit 13 bis 17: Spülgas für das erste Bettel wird läuft bei den BettenB, C und D entsprechend ab durch die Gleichstromdruckminderung des vierten 50 Wie aus F i g. 2 hervorgeht, werden die Betten in de; S Bettes D erhalten, das sich zwischen seinen beiden Zeitfolge A, D, B und C auf Adsorption geschaltet Druckausgleichsstufeii befindet Die Ventile5A, 20 d.h. in der Reihenfolge erstes, viertes, zweites un< und SD öffnen, so daß sich dieses Spülgas im Ge- drittes Bett.

genstrom zu dem zuvor strömenden Einsatzgas be- Wean nur mit einer einzigen Ausgleichsstufe ge

wegen kann. Zu diesem Zeitpunkt sind mit Aus- 55 arbeitet wird, befindet sich das als Gasquelle dienend nähme des Ventils 5ö alle dem Bett D zugeordneten Bett zunächst auf dem maximalen (Einsatz-) Druck Ventile geschlossen. Das Ventil 24 drosselt und be- während das das Gas aufnehmende Bett zunächst au grenzt die Durchlaufmenge des Spülgases, so daß einem minimalen Druck (dem Spüldruck) liegt Au das Bett A auf einem Druck von ungefähr 1 Atmo- den ersten Blick könnte man meinen, daß ein Druck Sphäre bleibt. Das Ventil 26 in der Ablaßhauptlei- 60 ausgleich bei diesen Anfangsbedingungen zu einet tung 12 wird ebenfalls wieder geöffnet, wodurch der maximalen Gasübertritt führt und damit für ein Strömungswiderstand für das Niederdruck-Spülgas maximale Ausbeute an eingeschlossenem Gas sorg minimal gehalten wird. Es wurde jedoch überraschenderweise festgestell

Zeit 17 bis 18: Das Bett A ist nunmehr gereinigt daß dies nicht der FaH ist Dadurch, daß der Drucl und für das im Gegenstrom erfolgende Wiederaui- 55 ausgleich in zwei Stufen mit zwei unterschiedliche! drücken mit Gas von Produktqualität bereit Die An- einander abwechselnden Betten erfolgt, kann ein gri f angsphase des Wiederaufdrückens erfolgt durch fort- ßerer Teil des eingeschlossenen Gases für das Wiede: Besetztes Einleiten von eingeschlossenem Gas aus aufdrücken ausgenutzt werden. Infolgedessen ist fi

ο '

ίο

das Wiederaufdrücken weniger Produktgas erforder- ten einstufigen Druckausgleiches liegt (vgl Fiβ 3) hch und verbleibt m dem Bett eine geringere Menge Die Enddrücke P₁ und P. sind[ kennze-ichne^dI für di«

E 5S£S^:HSS - säSSJ rr«= i? «t

Dies ist unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 Massenüberp^^rberbett _K ^voIun!^{en im} folgenden ab besser zu verstehen, die in grafischer Form die üSÄf Z ^r"?, wahrend des Druckänderungen erkennen lassen, die bei einem ein- runS^ _m «Jr Gleichstromdnickinindestufigen bzw. einem zweistufigen Druckausgleich auf- x₅ SschSSenTr« h ' ^S°a / ?^{S im}^^Z _A treten. In F i g. 3 stellt die Kurve α den Druck in dem m das Prod_uktend_e H ^f ΐ*^0Γ?" η"¹¹¹³'¹ ^ gasabgebenden Bett dar, während die Kurve b den Sldtet werfen S f ^sa?ⁿ _fi ^eh,^{menden Be}"^er' ^ein" Druck in dem gasaufnehmenden Bett darstellt. Das ve schmutzt wirfn'^ohne.^d^^ß _t ^{diese krit}'^schf f^one gasabgebende und das gasaufnehmende Bett befin- doch ebän J^rS ^Artf^tswe>se erfordert jeden sich zunächst auf dem Druck P₆ bzw P ■ es er- 20 S Ih i rf I ' ^Um. ^{jeden Tei1 d}" ^abg^etrenn" folgt ein Druckausgleich zwischen⁶ dieselbe _den nehmen d£ti T" t*^™⁰*™ ™ ⁰^ Betten beim Druck P₄. Nach einem einstufigen Druck- HcRe₁Si ,λ a . ™*- ^{erf orderIlche z}"^satz; ausgleich nimmt der Druck des gasabgebenden Bettes JnSf Adsorptionsmittel wird noch durch weiter ab (Kurve c), da Gas abgezogen wird um "S Decken Trlhit^^f³?^ ^bd T^*" anderes Bett zu spülen. Nach 6 Minuten ist der « fS ν ^verm<*^rt· ^Em Adsorberbett vorbestimmter Dn₁CkP₂ erreicht; das gasabgebende Bett wird dann %£&*£ T^™" ^aus8^{enutzt werden}'^{indem die} im Gegenstrom auf einen Dreck von 1 Atmosphäre IhS t t ^?? ^Wlr<3' ^S° ^{daß daS Adsor}P^tionsabgeblasen (Kurve/) ·ΐ ' ^naufiger beladen wird. Die Länge der Massen-

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, befindet sich das gas- Mngfg'^TdS S^-R™^^""" ""f" aufnehmende Bett bei Einleitung der ersten höheren 30 Takfdauer verkSnin ⁸ _t "^ ^VerkurzunS. ^df Druckausgleichsstufe auf einem Druck P der we JhIhIZ Ϊ* ?^ert'_f ^{mmmt eine im Bett zuruck}" sentlich über dem Druck P₀ liegt. Dies hat seifen ?e« ί ^AdsorPt'onsfront einen größeren Bruch-Grund darin, daß das gasa'ufneLende Bett zTvo" ib rgangS^nichfTfTi T' ^ ft Τ™ Τ mittels aus der zweiten Druckausgleichsstufe eines enthält R Sfä * ^ ^A*^orbat beladen ist,

anderen Bettes stammenden Gases auf den niedri 35 Hnktf ^{8 C rdallV grÖßere Menge der Pr}°"

geren Zwischendruck P₁ teilweise wieder aufgedrückt in^ST^rSK™ ^g-^{lekhes Volumen des Bett}?^S wurde. Infolgedessen liegt der Enddruck deVeretai El Gleichgewichtszone. Wenn daher die höheren Druckausgleichsstufe auf einen Wen P iSSSÄT™ "" ^Be" ^™ ** T (vorstehend als höherer Zwischendr.ick bezeichnet) der PrSSctirt S^e8^enstromabgeblasen wird, geht der größer als der Wert P₁ ist, der erreicht S *o S/w » ⁸^* ^verloren- ^Der auf diese Weise emwenn das gasaufnehmende ⁴BeU uiprängHch unS zu wenden ^' ?^S l^rod^^^ sucht größer dem Druck P₀, dem niedrigsten Druck des Prozesses verkTm werd ^ ^{dle Taktdauer und} *e Bettlänge steht. Die letzte Phase des Wiederaufdrückens des Rriri« a «-,.

gasaufnehmenden Bettes (auf P₆) muß mit Produkt- finduL Γη .^U d ?f^{form der vorlie}g^{enden Er}" gas durchgeführt werden. Es versteht sich, daß Sr 45 MasseniiW ^Produktkomponente in dem in der das Wiederaufdrücken von P₅ auf P₈ weniger Pm ™™^scnub£ß™&zone befindlichen Gas zurückgeduktgas erforderlich ist als für das Wiederaufdrük Hi!^"-^ ^{SretC böhere} Druckausgleichsstufe und ken von P₄ auf P₆. ?^e "^hstromdruckminderungsstufe werden so

Nach dem ersten höheren Druckausgleich auf den ^^fuhrt, daß die Adsorptionsfront bei Beendi-DruckP₅ kann eine Gleichstromdruckminderune des so fett« t,v5 τ/^ε,^{π noch voDko}™en innerhalb des gasabgebenden Bettes erfolgen, bei der eingeschlos- eine lohefprA^T" ^{hat das} beigesetzte Gas senes Gas freigesetzt wird, das als Spülgas für eh, od?_r 5«S ξΐ⁰⁰¹¹}¹^^ es wird in das Produkt weiteres, mit Adsorbat beladenes Bett benutzt wird ^Λ"^^{δηαβ des} gasaufnehmenden Bettes ein-Während dieser Stufe sinkt der Druck das gasab»-' ΤΓΤ-« zweiten niedrigeren Druckausgleichs-

benden Bettes auf P₃ (Kurve c'). Nunmehr erfoigt em ss Sf ^V^^aJ^eä^ ^die Adsorptionsfront durch das weiterer Druckausgleich des gasabgebenden Bettes" T η ^durchbrechen- Obwohl das dabei frei-

mit einem anderen gasaufnehmenden Bett, das an fiÜtcf V^{s nur teiIwei}se in Adsorbat und Profänglich unter dem niedrigsten Druck P steht, auf r_P I ^a ,ß^etrennt »t, hat es gleichwohl einen höheden zweiten niedrigeren Zwischendruck p/Die sich wirH η ϊί- -^* ³^ ^{das Eins}atzgas. Dieses Gas ändernden Drücke in dem gasabgebenden Bett und 60 nJnrt^^j « ^^^{1106 des bet}reffenden gasaufnehdem anderen gasaufnehmenden Bett sind durch d^:- α t w· ^S ^ ^{des dritte}n Bettes) zugeführt.

Kurven d' bzw. d angedeutet Da das gasabgebende fiber«^{656 Weise}, ^wl^rd das Produkt des ic der Massen-Bett bei diesem zweiten Druckausgleich anfänelich """s™^²^¹¹⁶ befindlichen Gases zurückgewonnen, auf dem relativ niedrigen Druck P, steht, ist der End c?iT ^Fr°auKtende des gespülten Bettes zu verdruck P₁ ebenfalls sehr niedrig. Es ist wichtig, fet- 6, höhe« Pr^ tL^ ^Aas^rangsiorm gestattet efee ruhalten, daß dieser Enddrack P₁, bei dem die Rück bette ^Produktausbeate und kürzere Adsorpiions-

gewinnung des eingeschlossenen Gases abgeschlossen B??*Hi« a ^

wird, erheblich unter dem Enddrack P, des bekann- ni?% Z,^f\ ^AusfuhTUngsfonn der Erfindung kann

me lawstufenfolge nach Fig. 2 benutzt werden,

wobei die Leitungsführung der Anlage nach F i g. 1 in der in F i g. 5 veranschaulichten Weise abgewandelt wird. Querverbindungsleitungen 43 und 44 führen das bei den zweiten niedrigeren Druckausgleichsstufen der Betten A und B freigesetzte Gas zu den Betten C und D bzw. umgekehrt. Am Eintrittsende sind vier zusätzliche Taststeuerventile IA, IB, IC und 7 D in Leitungen 45 und 46 vorgesehen, die mit den Betten A, B bzw. C, D verbunden sind.

Die Anlage gemäß F i g. 5 kann bis zur Taktperiode 7 bis 10 in der gleichen Weise betrieben werden wie die Anlage nach Fi g. 1. Zu diesem Zeitpunkt hat das erste Bett A eine Gleichstromdruckminderung auf einen Überdruck von ungefähr 1,23 kg/cm² erfahren, indem es Spülgas für das dritte BettC liefert. Das Ventil IC schließt, wodurch der Gasstrom vom Bett A zum Bett C unterbrochen wird. Die Adsorptions- oder Massenübergangsfront im Bett A ist bis zum Ende dieses Bettes fortgeschritten; der Durchbruch steht unmittelbar bevor. Das Ventil 19 schließt, während das Ventil IC öffnet und dadurch das Produktende des Bettes A mit dem Eintrittsende des dritten Bettes C verbindet. Wie zuvor findet ein Druckausgleich zwischen den beiden Betten bei einem Überdruck von ungefähr 0,56 kg/cm² statt. Während dieser Stufe wird das Gas aus der Massenübergangszone des Bettes A zu dem dritten Bett C geleitet. Der Produktinhalt dieses Gasstromes nimmt von einer dem Produkt nahekommenden Reinheit bis nahe zur Zusammensetzung des Einsatzgases ab. Die Betten sind vorzugsweise derart bemessen und werden derart betrieben, daß der Endteil des Gasstromes der zweiten niedrigeren Druckausgleichsstufe noch etwas reicher an Produkt als das Einsatzgas ist.

Beispiel I

Ein Vierbettsystem gemäß F i g. 1 wurde zur Trennung von Luft entsprechend der Taktfolge nach F i g. 2 verwendet. Jedes der vier Betten bestand aus zwei störmungsmäfiig in Reihe liegenden Abschnitten und enthielt insgesamt ungefähr 53,5 kg Kügelchen von als Molekularsieb dienenden Kalziumzeolith A mit einem Durchmesser von ungefähr 1,6 mm in einem kombinierten Füllkörperabschnitt von 15,2 cm Innendurchmesser und 3,66 m Länge zur selektiven Adsorption von Stickstoff. Das Einsatzgas war Preßluft mit einem Überdruck von 3,87 kg/cm² und 29,4° C. Eine Vorbehandlung zur Beseitigung kleinerer Anteile an Verunreinigungen war nicht erfolgt Der CO₂-Gehalt war normal (ungefähr 300 ppm). Der Feuchtigkeitsgehalt schwankte zwischen 600 und 1000 ppm bei gelegentlichen Spitzenwerten bis zu 2000 ppm.

Die Gesamtdauer des Arbeitsspiels war auf 12 Minuten verkürzt (im Gegensatz zu dem Arbeitsspiel von 24 Minuten Dauer gemäß F i g. 2), wobei 3 Minuten für die Adsorption, 25 Sekunden für den ersten höheren Druckausgleich, 2 Minuten und 10 Sekunden für die Gleichstromdruckminderung, 25 Sekunden &> für den zweiten niedrigeren Druckausgleich, 25 Sekunden für die Gegenstromdruckminderung oder das Abblasen, 2 Minuten und 10 Sekunden für das Spülen sowie 3 Minuten und 25 Sekunden für das Wiederaufdrücken vorgesehen -waren, ϊη der Tabelle! ^e5 sind die Ergebnisse von zwei Probeläufen zusammengestellt, ~S& unter Verwendung unterschiedlicher Einsatzgasmengen durchgeführt wurden.

Tabelle I

Versuch I

Versuch II

Durchflußmenge des
Einsatzgases (bei einer
Atmosphäre, 15,6° C)

10,3 m³/h 10,5 mVh

Enddrücke (Überdruck)	2,25 kg/cm2	2,25 kg/cm2
Druckausgleich I	1,23 kg/cm2	1,27 kg/cm2
Gleichstromdruck
minderung	0,56 kg/cm2	0,60 kg/cm2
Druckausgleich II	0 kg/cm2	0 kg/cm2
Spülen
Produkt	0,89 m3/h	1,08 nvVh
Entnahmemenge
bei 1 Atmo-
.Sphäre, 15,6° C)
Zusammensetzung	4,0 «/0	3,92 »/0
Argon	160 ppm	0,27 »/0
Stickstoff	96,0 %	95,81 »/0
Sauerstoff	39,9 »/0	45,6 0Zo
Anteil des im
Produkt wieder
gewonnenen
Sauerstoffs
des Einsatzgases

Im Vergleich dazu ist (unter Zugrundelegung vor Extrapolationen für den Betrieb von entsprechen dimensionierten technischen Aniagen) anzunehmen daß ein Adsorptionssystem, bei dem mit einstufigen Druckausgleich gearbeitet wird, ungefähr die gleich« Produktreinheit, jedoch nur ungefähr die Hälfte de erfindungsgemäß erzielten Sauerstoffausbeute liefen kann.

Beispiel II

Das im Beispiel I beschriebene, für die Luft trennung verwendete Vierbettsystem wurde auch benutzt, um Wasserstoff und Stickstoff zn trennen. Da: Einsatzgas, das 75% H₂, 25% N₂ und weniger al: 500 ppm NH₃ enthielt, wurde bei einer Temperatu von 4,4° C und einem Überdruck von 16,2 kg/cm zugeführt Es wurden zwei Prozesse benutzt: (a) De zweistufige Druckausgleich gemäß der Erfindunj entsprechend einer Taktfolge nach Fig. 2, jedocl mit einer Gesamtdauer des Arbeitsspiels von 28 Mi nuten, und (b) ein einstufiger Druckausgleichspro zeß mit einer Arbeitsspieldauer von 28 Minuten, be dem ein Druckausgleich zwischen dem ersten unc dem zweiten Bett herbeigeführt wurde, worauf nach einander eine Gleichstromdruckminderung, eine Ge genstromdruckminderung, ein Gegenstromspülei und ein Wiederaufdrücken im Gegenstrom erfolgten Das heißt, der einzige Unterschied zwischen dei beiden Prozessen ^war die Verwendung eines zweistu figen Druckausgleiches bei (a) sowie eines emsta figen Druckausgleiches bei (b). Die Daten dieser Pro zesse sind in Tabelle II zusammengestellt:

13

Tabelle II

Prozeß (a)

Prozeß (b)

Einsatzgasmenge	24,6 m»/h	26,1 nWh
(bei 1 Atmosphäre,
15,6° C)
Enddrücke (Überdruck)
Druckausgleich I	9,35 kg/cm2	7,73 kg/cm2
Gleichstromdruck	5,84 kg/cm2	4,43 kg/cm2
minderung
Druckausgleich II	2,88 kg/cm2	entfällt
Spülen	0 kg/cm2	0 kg/cm2
Produkt
Entnahmemenge	14,7 m3/h	14,6 nvVh
(bei 1 Atmosphäre,
15,6° C)
Zusammensetzung	99,999% H2	99,99VoH2
im Produkt zurück	79,7 «/ο	74,4%
gewonnener Bruch
teil des H2 im

Einsatzgas Aus Tabelle II folgt, daß das Verfahren nach dei Erfindung eine um 5,3% höhere Produktausbeute als der bekannte Prozeß mit einstufigem Druckausgleich liefert. Würde die Dauer der Adsorptionsstufe des Prozesses (a) bei Beibehaltung der Dauer der übrigen Taktstufen so verlängert, daß die Produktreinheit auf den gleichen Wert wie beim Prozeß (b), d. h auf 99,99%, herabgesetzt wird, dürfte das Verfahren nach der Erfindung eine um ungefähr 7 % höhere

ίο Produktausbeute ergeben.

Ein vollständiger Druckausgleich zwischen zwe Adsorberbe".ten ist zwar erwünscht und sollte weitgehend angenähert werden, doch ist es nicht zweckmäßig, die Taktdauer so weit zu verlängern, bis die

ΔP-Antriebskraft völlig verschwunden ist und zwischen den beiden auf Druckausgleich geschalteter Betten kein Gasfluß mehr erfolgt. Bei Prozessen, bei denen mit niedrigen Einsatzdrücken gearbeitet wire (ζ. B. Luft bei 3_t87 kg/cm²), unterscheiden sich die

ao Drücke zwischen dem gasabgebenden und dem gasaufnehmenden Bett nach dem Druckausgleich urr weniger als 0,07 kg/cm². Bei Prozessen, bei dener mit höheren Eiiisatzgasdrücken gearbeitet wird (ζ. Β Rohwasserstoff von 17,6 kg/cm²), liegen die Druckunterschiede nach dem Druckausgleich in der Grö ßenordnung von 0,14 bis 0,35 kg/cm².

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   weils anderen Adsorberbettes wieder aufgedrückt wird, wobei die Gleichstromdruckminderungsphase vor dem Durchbrach der abzutrennenden Komponente unterbrochen wird.

   Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (DT-OS 19 19 557) befindet sich in der einzigen Druckausgleichsphase das als Gasquelle dienende Adsorberbett zunächst auf dem höchsten während des Kreisprozesses auftretenden Druck,

   Verfahren zum Abtrennen einer oder mehrere;? Komponenten aus Gasgemischen durch selektive Adsorption und nachfolgende Desorption,
   bei (lern vier Adsorberbetten alternierend in einet
   unter erhöhtem Druck ablaufenden Adsorptionsphasie durch Einleiten des Einsatzgases und Ab-

   ziehiin des nicht adsorbierten Produktgases be- ίο nämlich dem Einsatzgasdruck, wohingegen das das ladeja und dann im Gleichstrom zum Druckaus- Gas aufnehmende Adsorberbett zunächst anfänglich gleich mit einem anderen Adsorberbett gebracht auf dem niedrigsten Druck, dem Spüldruck, liegt. Im ^nien, worauf der Gasdruck des Adsorberbettes Verlauf des Druckausgleichs wird dann das im Anziinichst im Gleichstrom und dann zwecks De- schluß an die Adsorptionsphase noch im Adsorber- soTpuon im Gegenstrom weiter abgesenkt, das 15 bett befindliche Gas teilweise wieder ausgenutzt, inBett anschließend im Gegenstrom mit Gas aus dem es verwendet wird, um das zuvor gespülte Bett der Gleichstromdruckminderungsphase eines der im Gegenstrom wieder aufzudrücken, anderen Betten gespült und dann im Gegenstrom Es ist ferner bekannt (US-PS 31 76444), das in

   mit Gas aus der Druckausgleichsphase sowie mit dem Adsorberbett am Ende der Adsorptionsphase Produktgas eines jeweils anderen Adsorberbettes ao eingeschlossene Gas in der Weise zu verwerten, daß wieeer aufgedrückt wird, wobei die Gleichstrom- die Adsorption während einer Gleicbstromdruckmindrackminderungsphase vor dem Durchbruch der derungsstufe fortgesetzt wird, so daß sich während abzutrennenden Komponente unterbrochen wird, dieser Stufe die Adsorptionsfront in Richtung auf das dadurch gekennzeichnet, daß das Ad- Bettaustrittsende bewegt. Dabei muß aber zusätzsorberbett vor der Gegenstromdruckminderung in as liches Adsorptionsmittel im Austrittsende vorgesehen einer zweiten Druckausgleichsphase im Gleich- werden. Außerdem muß das auf diese Weise bei stroin zum Druckausgleich mit einem weiteren einem verringerten Druck abgezogene Gas von Proder Adsorberbetten auf einen niedrigeren Druck duktqualität für das Zusammenführen mit dem unter als jden Enddruck der ersten Druckausgleichs- höherem Druck stehenden Produkt erneut kompriphaye gebracht wird und der mit Gas aus der 30 miert werden. Es wird also die Produktausbeute ererstcn Druckausgleichsphase sowie mit Produkt- höht, doch sind zusätzliche Anlagenteile und ein zugas ablaufenden Wiederaufdrückphase eine Wie- sätzlicher Energieaufwand erforderlich, deraufdrückphase vorausgeht, bei der Gas aus der Entsprechend einem weiteren bekannten Verfahren

   zweiten Druckausgleichsphase eines anderen Ad- (US-PS 3142 547) wird ein Teil des eingeschlossenen sorb erbe ttes in das Adsorberbett eingeleitet wird. ₃₅ Gases auch ohne Wiederaufdrücken ausgenutzt, in-

   2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- dem das unter dem niedrigeren Druck stehende Prokeniizeichnet, daß die zweite Druckausgleichs- dukt aus der Gleichstromdruckminderungsstufe in phase auf die Gleichstromdruckminderungsphase einem Pufferbehälter gespeichert wird, bis es zum folgi. Spülen verwendet werden kann. Dabei sind jedoch

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ₄₀ ein großer zusätzlicher Behälter für die Gasspeichegekennzeichnet, daß die zweite Druckausgleichs- rung unter niedrigem Druck sowie die zugehörigen phase mindestens bis zum Durchbruch der ab- Leitungen und Ventilsteuerungen erforderlich. Das zutrennenden Komponente fortgesetzt und die bekannte Verfahren ist ferner bezüglich der Rückerste Wiederaufdrückphase im Gleichstrom aus- gewinnung des eingeschlossenen Gases auf die Gasgeführt wird. ₄₅ menge beschränkt, die abgeblasen werden kann, bevor der Druckausgleich zwischen dem Adsorberbett und dem Pufferbehälter erfolgt.