DE2337754A1 - Fraktionierung von gasmischungen - Google Patents

Description

• Fraktionierung von Gasmischungen Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur Fraktionierung mehrkomponentiger Gasgemische.
• Die Fraktionierung von Gasen oder Dämpfen ohne Verwendung von Wärme, wie beispielsweise die Auftrennung durch Druckschwingungen wird dadurch ermöglicht, daß feste Absorbtionsmittel normalerweise verschiedene Gase oder Dämpfe in unterschiedlichem Maße adsorbieren. Verschiedene Adsorbtionsmittel adsorbieren verschiedene Gase oder Dämpfe mit unterschiedlicher Selektivität. Unter Ausnutzung dieser Selektivität können Gase oder Dämpfe aus einer Mischung abgetrennt werden; komplexe organische Mischungen wie beispielsweise Äthan, Propan, Äthylen oder Propylen können voneinander oder von höheren n-Paraffinen oder n-Olefinen getrennt werden; ebenso n-ParaSfine von Isoparaffinen, Nichtaromaten von Aromaten oder Monoolefine von Diolefinen. Ein mit anorganischen oder organischen Materialien verunreinigtes organisches Gas kann unter Verwendung eines Adsorptionssystems unter Verwendung von Drueksehwingungen gereinigt werden.
• Kennzeichnende Beispiele eür ein solches System sind die Entfernung von Schwefeloxiden, Sc#wefelwasserstoff# Kohlendioxid, Schwefelkohlenstoff und/oder Carbonylsulfid aus natürlichem Gas, anv Propan, Butan, ethylen, Propylen, Isopren oder Butadien. Auch anorganische Gase können durch Druckschwingungstechniken gereinigt werden; beispielsweise kann Kohlendioxid undfoder Stickstoff aus der Luft zur Reinigung der Luft oder zur Herstellung von mit Sauerstoff angereicherter Luft entfernt werden; einem solchen Gas kommt erhebliche medizinische und industrielle Bedeutung zu. Druckschwingungssysteme können ebenso zum Trocknen anorganischer oder organischer Gasströme verwendet werden, wobei der Wasserdampf selektiv adsorbiert wird.
• Zur Trennung eines mehrkomponentigen Gases wie beispielsweise zur Trennung von Luft in ihre Hauptbestandteile, um einerseits einen mit Sauerstoff angereicherten Luftstrom und andererseits einen mit Stickstoff angereicherten Strom herzustellen, wurden verschiedene wärmefrei arbeitende Praktionierungssysteme vorgeschlagen. Im allgemeinen Ist der im wesentlichen Sauerstoff enthaltene Strom gewerblich das interessantere Produkt. Ein wärmefreies Fraktionierungssystem wird in der US-PS 2 944 627 beschrieben. Das kennzeichnende dieses Patentes ist die Verwendung eines angereicherten Produktgases als Reinigungsgas zur Regeneration des Adsorptionsbettes. wohl dieses 5;erahren ein Fortschritt gegenüber den bis dn bekannten Yeeanren ist, hat es den Nachteil, daß wesentliche Mengen des Produktgases zur Regeneration verlcrengehen. Die US-PS 4 iii5117 und 3 237 377 beinhalten Verbesserungen des ODen genannten Patentes. Diese Verbesserungen bestehen darin, kein Produktgas verlorengehen zu lassen, während trotzdem das Adsorptionsbett wirksam regeneriert wird. Gemäß tJS-PS a42 547 wird der nohe Druck des Adsorptionsbettes in einer Druckausgleichsphase atsgeglichen. Der Sinn dieser Maßnahme besteht Im wesentlichen darin, einen Teil des Gases unter Druck aus dem Adsorptionsbett vor der Regeneration zurückzuhalten. Dieses unter rv stehende Gas wird dann als ei;--gungsgrs für das Adsorptionsbett zur Regeneration bei niederem @ru@k verwandt. Gemäß US-PS 3 237 377 findet zwischen dem Adsorptionsbett sei Beendigung einer Adsorptionsphase ein Druckausgleich mit dem Druck in einem Adsorptionsbett statt3 das eine Regenerationsphase abschließt, wodurch die Gesamtwirksamkeit des Systems erhöht wird. Auch hier wird sowohl der Druck als auch das angereicherte Gas konserviert. Auf diese Weise wird die Produktgasmenge zur Reinigung auf ein Minimum verringert, sofern es überhaupt notwendig ist.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Fraktionierung einer Gasmischung vorgeschlagen, bei dem mindestens eine Komponente aus einer Gasmischung bevorzugt adsorbiert wird, indem die Mischung durch ein festes Adsorptionsbett in einem Druckkessel geleitet wird, wobei bei Beendigung der Adsorption der Druck des Druckkessels mit dem relativ niedrigeren Druck eines zweiten Kessels ausgeglichen wird, wobei das Adsorptionsbett mit dem angereicherten Produktgas aus dem zweiten Druckkessel gereinigt wird, worauf das gereinigte Adsorberbett mit Produktgas aus dem Adsorptionsverfahren wieder unter Druck gesetzt wird.
• Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Produktgasreserve durch einen zweiten Druckausgleichsschritt erstellt wird, indem der Druck des Kessels mit dem Adsorptionsbett mit dem eines dritten Druckkessels ausgeglichen wird.
• Im weiteren wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem vor Reinigung eines ein Adsorptionsbett enthaltenden Kessels der in diesem bestehende Druck zunächst auf Normaldruck oder darunter reduziert wird. Im weiteren wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Fraktionierung einer Gasmischung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch ein Adsorptionsbett in einem ersten Druckkessel, einer Eingabeleitung und einer zweiten Ausgangsleitung, die den Druckkessel mit einer Seite des Adsorberbettes verbindet; eines erste Ausgangsleitung, die den Druckkessel mit der anderen Seite des Adsorberbettes verbindet, Ventile zum getrennten Schließen der Leitungen und einen zweiten und einen dritten Druckkessel, die unabhängig voneinander mit dem ersten Druckkessel durch weitere Leitungen und Ventile verbunden sind.
• Die Erfindung kann sehr leicht für Adsorptionssysteme mit 1 bis 4 Betten verwendet werden. Ein erfindungsgemäßes Kennzeichen besteht in einer regelmäßigen Druckausgleichstechnik.
• Darunter soll verstanden werden, daß das Bett vor dem Einleiten einer Adsorptionsphase getrennt gereinigt und dann auf einen höheren Druck gebracht wird, wobei das Gas höheren Druckes aus dem oder einem anderen Bett verwendet wird, dessen Adsorptionsphase beendet ist.
• In einem Einbettsystem werden zwei Druckausgleichsbehälter benötigt. Nach der Adsorptionsphase in einem Einbettsystem wird der hohe Druck dieses Bettes mit einem ersten Behälter ausgeglichen, wobei dieser Behälter dann unter einem ersten, relativ hohen Druck steht. Zwischen Adsorberbett und einem zweiten Tank findet dann ein getrennter Druckausgleich statt, wobei dieser Behälter dann unter einem niedrigeren Druck in Bezug auf den ersten Behälter steht. Nach dieser zweiten Druckanpassung wird das Adsorberbett durch Belüften auf Atmosphärendruck oder in anderer Weise auf einen Druck unterhalb Normaldruck gebracht. Die Druckverminderung unterhalb Normaldruck macht die Verwendung einer Vakuumvorrichtung notwendig. Das Gas in dem Behälter niederen Druckes wird dann als Reinigungsgas für das Adsorberbett verwendet. Nach vollständiger Regeneration wird das Gas, das in dem ersten Behälter höheren Drucks bewahrt wurde, verwendet, um das Adsorptionsbett vor Eintritt in die Adsorptionsphase unter Druck zu setzen. In einem Einbettsystem wird der Strom oder das Produktgas wegen der Regeneration unterbrochen. Ein ununterbrochener Strom kann jedoch aufrechterhalten werden, wenn ein Pumpenbehälter in der Ausgangsleitung verwendet wird, in dem ein Teil des mit Sauerstoff angereicherten Gases aus der Adsorptionsphase zurückgehalten und während der Regenerationsphase zum Verwendungsort geleitet wird.
• In einem Zwei- oder Mehrbettsystem kann zum Druckausgleich nur ein einzelner Behälter notwendig sein. Dieser einzelne Behälter entspricht dem Tank niederen Drucks in einem Einbettsystem.
• In einem Zweibettsystem wird der Druckausgleich des Adsorberbettes nach beendeter Adsorptionsphase und bei hohem Druck mit dem zweiten Adsorberbett gerade nach der Regeneration und bei Beginn einer Adsorptionsphase durchgeführt. Dadurch wird der Druck des zweiten Adsorberbettes erhöht und konserviert das mit Sauerstoff angereicherte Medium aus dem Raum des ersten Adsorberbettes. Nach diesem Druckausgleich mit dem zweiten Adsorberbett wird das erste Adsorberbett mit einem Drucktank getrennt ausgeglichen. Nach diesem zweiten Druckausgleich wird das erste Adsorberbett durch Druckausgleich mit' der Atmosphäre oder durch Herstellung eines Unterdruckes mit einer Vakuumvorrichtung entspannt. Dann wird Gas aus dem Drucktank durch das erste Adsorberbett zur Reinigung von adsorbierten Gasen geleitet. Währenddessen befindet sich das zweite Adsorberbett in einer Adsorptionsphase.
• In einem Adsorptionssystem mit drei und vier Betten kann der Behälter in einem Zweibettsystem durch ein drittes Adsorberbett ersetzt werden. Das bedeu, daß in einem Drei- oder Vierbettsystem eines der Adsorberbesten als Vorratsraum für das Niederdruckgas dient, das während der folgenden Reinigungsphase eingesetzt wird.
• Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren und Beispiele näher erläutert.
• Fig. 1 ist die schematische Darstellung eines Adsorptionssystems mit zwei Adsorberbetten für regelmäßigen Druckausgleich.
• Fig. 2 ist ein Schaltplan für die Arbeitsweise der Ventile in einem Zweibettsystem.
• g. 3 ist das Schema einer Folge von Arbeitsvorgängen des Adsorcrsystems gemäß Pig. 1.
• Fig. 4 ist die schematische Darstellung eines Einbettsystems mit zwei Druckausgleichsbehältern.
• Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Funktionsfolgen im Adsorptionsbett gemäß Fig. 11.
• Fig. 6 ist eine grafische Darstellung der Produktreinheit und der Produktmenge bei erfindungsgemäßer Verwendung eines Zweibettsystems im Vergleich zu anderen Systemen.
• Fig. 7 ist die grafische Darstellung der verbesserten Produktreinheit und Ausbeute bei erfindungsgemäßer Verwendung des Zweibettsystems im Vergleich zu anderen Systemen.
• Als verdeutlichendes Beispiel wird im folgenden angenommen, daß Luft die gasförmige Mischung ist, die in ihre Hauptbestandteile getrennt werden soll, wobei eine mit Sauerstoff angereicherte Komponente das erste Produkt ist und wobei die mit Stickstoff angereicherte Komponente als zweites Produkt als die wesentliche, abgetrennte Verunreinigung gilt. Das System könnte jedoch auch in einfacher Weise verändert werden, um den mit Stickstoff angereicherten Strom zu sammeln. Es muß jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß praktisch jede Gasmischung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip getrennt werden kann.
• Das erfindungsgemäß verwendete Adsorbtionsmittel ist vorzugsweise ein kristalliner Aluminiumsilikatzeolith. Diese Zeolithe adsorbieren bevorzugt Stickstoff und ermöglichen damit die Trennung eines gasförmigen Stroms, der Stickstoff und andere Komponenten wie beispielsweise Sauerstoff enthält. Andere geeignete Adsorbentien sind Kieselsäuregele, Aluminiumoid, Aluminiumoxidgele und aktivierte Kohlen oder Kohlenstoffe. Sehr gut geeignete synthetische kristalline Zeolithe sind die unter dem Handelsnamen Zl2, z14 und Zl4US der Davison Division der W. R. Grace & Co. und Zeolith A, Zeolith X, Zeolith Y und Zeolith L der Linde Division der Union Carbide bekannten. Ebenfalls geeignet sind die natürlich vorkommenden Zeolithe wie Xrionith, Mordenit, Chabasit, Heulanit, Gmelinith, Feriorith und andere. Diese Zeolithe können in der Alkaliform oder in teilweise oder praktisch ganz ionenausgetauschter Form verwendet werden. In der Zeolithstruktur kann das ursprüngliche Kation gegen praktisch jedes andere Kation ausgetauscht sein, obwohl das Adsorbtionsmittel vorzugsweise eine hohe Selektivität für mindestens eine Komponente der Mischung aufweisen soll. Das bedeutet, daß das feste Adsorbtionsmittel mindestens eine Gaskomponente mit höherer Adsorptionsenergie als andere Komponenten des Gases adsorbiert. Diese Adsorption einer Gaskomponente sollte jedoch vorzugsweise nicht einen solchen Grad besitzen, daß die Entfernung bei der Regeneration schwierig wird. Ein gut geeignetes Adsorbtionsmittel in einem Druckschwingungssystem besitzt eine hohe Adsorptionsselektivität für mindestens eine Komponente, gibt jedoch diese adsorbierte Komponente bei der Regeneration des Adsorptionsbettes leicht wieder frei. Die Zeolithe sind die zur Zeit bestbekannten Adsorbbionsmittel, wobei der jeweils geeignete Zeolith in Bezug auf seine Porengröße und Selektivität für die Gastrennung ausgewählt wird In Fig. 1 symbolisieren A und B zwei Adsorptionsbetten und Tl einen Vorratsbehälter, der nur zum Druckausglelch verwendet wird. Da der Adsorptionsvorgang ein kont,nuier1gcFser Vorgang ist, bei dem die Adsorptionsbetten zyklisch betrieben werden, kann der Punkt in dem Verfahren filr den Beschreibungsbeginn gewählt werden, bei dem der Druckausgleich des Adsorptionsbettes A mit Adsorptionsbett B stattfindet, das heißt zum Zeitpunkt der Druckabnahme im Adsorptionsbett B und der Druckzunahme im Adsorptionsbett A. Darüber hinaus wird im folgenden davon ausgegangen, daß alle Ventile geschlossen sind, es sei denn, es wird andersweitig beschrieben. Der Druckaufbau bereitet das Adsorptionsbett A für eine Adsorptionsphase vor und das Adsorptionsbett B stellt einen ersten, niederen Druck ein. Das Gas unter hohem Druck, das aus dem Adsorptionsbett B in das Adsorptionsbett A fließt, besteht im wesentlichen aus dem Gas des freien Raumes, das einen höheren Sauerstoffgehalt als Luft, das Eingabegas, besitzt. Das Adsorptionsbett A wird auf etwa den halben Betriebsdruck für die Adsorptionsphase gebracht. Der bevorzugte Betriebsdruck in der Adsorptionsphase beträgt von etwa 0,7 kg/cm² bis 10,5 kg/cm², obwohl auch Drucke bis zu 70,3 kg/cm² und höher geeignet sind. So betrugt der Druck in den Adsorberbetten nach diesem ersten Druckausgleichsschritt etwa 0,35 bis 5,27 kg/cm2.
• Während des Druckaufbaues im Adsorptionsbett A (Schritt 1 in Fig. 2) sind die Ventile V 6 und V 7 geöffnet, während die anderen Ventile geschlossen sind. Das druckaufbauende Gas fließt deswegen (siehe Fig. l) aus dem Adsorptionsbett B durch die Leitungen lO, 13, 12 und 9 in das Adsorptionsbett A.
• Die Druckaufbauzeit beträgt etwa 1 bis 30 Sekunden oder auch mehr. Nach diesem Druckaufbau im Adsorptionsbett A durch Druckausgleich mit Adsorptionsbett B beginnt Absorptionsbett A eine Adsorptionsphase (Schritt 2 in Fig. 2). Diese Adsorptionsphase dauert gewöhnlich etwa 10 bis 180 Sonden. Die genaue Zeit wird durch das Adsorbtionsmittelvolumen u die Fließgeschwindigkeit der Luft in und über das Adsorptionsbett bestimmt. Bei Beginn der Adsorptionsphase im Adsorptionsbett A ist das Ventil V 1 geöffnet, durch das komprimierte Luft bei 1 eintritt und über die Leitungen 3 und 4 in das Adsorptionsbett A geleitet wird. Das Ventil V 9 kann entweder beim Start der Phase 2 geöffnet werden; der öffnungszeitpunkt kann aber auch verschoben werden, damit sich vor Entfernung des Produktes im Adsorbtionsbett A ein Druck aufbauen kann. Im Bett wird Stickstoff aus dem Luftstrom adsorbiert, wobei ein mit Sauerstoff angereicherter erster Produktstrom aus dem Bett über die Leitungen 9, 15, 17 und 19 zur weiteren Verwendung austritt.
• Während dieser Adsorptionsphase des Adsorptionsbettes A wird das Adsorptionsbett B regeneriert. Der Druckaufbau im Adsorptionsbett A durch Druckausgleich mit Adsorptionsbett B ist ebenfalls ein erster Schritt der Regeneration des Adsorptionsbettes B. Der zweite Regenerationsschritt des Adsorptionsbettes B findet gleichzeitig mit der Adsorptionsphase des Bettes A statt und besteht im Druckausgleich mit dem Behälter oder Tank TL. Während dieses Schrittes sind die Ventile V 7 und V 5 geöffnet. Abhängig vom Volumen des Behälters TL ergibt sich ein Gleichgewichtsdruck zwischen etwa Normaldruck und dem ersten Ausgleichsdruck. Das Gas, das in den Behälter TL fließt, hat eine höhere Sauerstoffkonzentration als Luft und steht unter einem Druck von etwa 0,35 bis 5,27 kg/cm2, bevor es in den Behälter TL fließt. Die Dauer dieses zweiten Druckausgleichs beträgt etwa 0,1 bis 30 Sekunden. Der dritte Regenerationsschritt (Schritt 3 in Fig. 2) des Adsorptionsbettes B besteht in Druckabbau des Bettes auf etwa Normaldruck oder Unterdruck und beginnt mit dem Schließen des Ventils 7 und Öffnen des Ventils 4. Ist das Ventil V 4 geöffnet, tritt aus dem Adsorptionsbett B Gas aus und fließt durch die Leitungen 7 und 8 in die Atmosphäre. Zusätzlich kann ein Saugdruck (Vakuum) von etwa 75 mm Quecksilber bis etwa Normaldruck über die Leitung 8 angelegt werden, so daß das Austreten des Gases unterstützt wird. Diese Ausführungsform unterstützt im weiteren die Regeneration. Die Dauer des Druckabbauschrittes 3 beträgt etwa 0,1 bis 60 Sekunden.
• Nach diesem Druckabbauschritt wird das Adsorptionsbett B einem Reinigungsschritt unterworfen (Schritt 4 in-Fig. 2). Während dieses Reinigungsschrittes fließt das im Behälter TL gespeicherte Gas durch das Adsorptionsbett B. Das wird dadurch erreicht, daß das Ventil V 7 wieder geöffnet wird und das Ventil V 4 vom vorhergehenden Druckaufbauschritt geöffnet bleibt. Deshalb fließt Reinigungsgas aus dem Tank TL über die Leitungen 11, 13 und 10 in das Adsorptionsbett B und verläßt dieses durch die Leitungen 5, 7 und 8 und tritt an die Atmosphäre oder in das Vakuumsystem ein, wenn Vakuum angelegt wird. Dieser Gasstrom ist der zweite Produktstrom. Die Dauer der Reinigung kann etwa 8 bis 90 Sekunden betragen.
• Zusätzlich kann während und/oder unmittelbar nach Schritt 4 eine Produktreinigung eingefügt werden, bei der ein Teil des mit Sauerstoff angereicherten Produktes aus dem Adsorptionsbett A, das sich noch in der Adsorptionsphase befindet, durch das Adsorptionsbett B geleitet werden. Durch diesen Schritt wird mehr Stickstoff entfernt, wodurch die Regeneration verbessert wird. Es wird leicht dadurch erreicht, daß das Ventil V 5 teilweise während des Reinigungsschrittes des Bettes B (Schritt 4 in Fig. 2) geschlossen und das Ventil V 8 geöffnet wird, und etwas Gas aus dem Bett A zum Adsorptionsbett B über die Leitungen 9, 15, 17, 14, 13 und 10 geleitet wird. Das Ventil V 8 ist vorzugsweise geöffnet und das Ventil V 5 geschlossen (siehe Fig. 2).
• Alternativ kann der Strom aus dem Bett A zu dem Bett B geleitet werden, indem man das Ventil V 5 und das Öffnungsventil V 6 oder V 10 schließt. Als allgemeine Regel kann gelten daE das Volumen des mit Sauerstoff angereicherten P»oduktgases fr die Reinigung so klein wie möglich gehalten werden soll, weil mit Abnahme des Volumens des mit Sauerstoff angereicherten Gases die Wirksamkeit des Prozesses insgesamt abni?-rt. Deshalb sollte die Verwendung des mit Sauerstoff anerelcherte Produktgases als Reinigungsgas so aasariert werden, daß der Gesamtprozeß oder das Gesamtverfahren optimiert wird.
• Nach Beendigung des Reinigungsschrittes findet Druckausgleich zwischen Adsorptionsbett B und Adsorptionsbett A statt, wobei im Adsorptionsbett B ein Druck aufgebaut wird. Während dieser mehrstufigen Regeneration des Adsorptionsbettes B befand sich das Adsorptionsbett A im Adsorptionsschritt. Das Adsorptionsbett A ist zu diesem Zeitpunkt fast völlig mit adsorbiertem Stickstoff gesättigt. Vor dem sogenannten Durchbruch", das ist der Zeitpunkt kurz bevor der Stickstoffgehalt in dem mit Sauerstoff angereicherten Produktgas beim Verlassen des Adsorptionsbettes ansteigt, wird der Schritt 5 in Fig. 2 durch Schließen der Ventile V 1 und V 9 und Öffnen des Ventils V 6 eingeleitet, so daß ein Druckausgleich zwischen Bett A und Adsorptionsbett B stattfindet, während Ventil V 7 bereits geöffnet ist. Die Dauer dieses Druckausgleiches beträgt etwa l bis 30 Sekunden. Zur Beendigung des Druckausgleiches/Druckaufbaues wird das Ventil V 7 geschlossen und der Schritt 6 gemäß Fig. 2 durch Öffnung des Ventils V 2 begonnen. Das Ventil V 10 wird entweder gleichzeitig mit dem Ventil V 2 oder kurz danach geöffnet, so daß sich im Adsorptionsbett B vor Entfernung des Produktes ein gewisser Druck aufbaut. Dann fließt Luft durch die Leitungen l, 2 und 5 in das Adsorptionsbett B wobei ein mit Sauerstoff angereichertes Produktgas aus Bett B über die Leitungen 10, 16, 18 und 19 austritt.
• Während der Adsorptionsphase (Schritt 6) des Adsorptionsbettes B wird das Adsorptionsbett A den gleichen Regenerationsschritten wie zuvor das Adsorptionsbet# D llnterworfen. Am Ende des Schrittes 5 (Druckausgleich und erster eerationsschritt und zum gleichen Zeitpunkt, an dem das Ventil V 7 geschlossen wird, wird das Ventil V 5 geöffnet, so daß zwischen dem Adsorptionsbett A und dem Behälter TL Druckausgleich stattfindet.
• Die Dauer dieses Druckausgleiches beträgt etwa 0,1 bis 30 Sekunden. Der Schritt 6 gemäß Fig. 2 ist beendet, und Schritt 7 beginnt mit Schließen des Ventiles V 6 und-dem Öffnen des Ventiles V 3, so daß der Druck im Adsorptionsbett A abgebaut wird, indem der verbleibende Druck über die Leitung 8 in der htmosphäre abgelassen wird. Zusätzlich kann ein Vakuumsystem verwendet werden, wie es für die Regeneration des Adsorptionsbettes B (in Schritt 3 gemäß Fig. 2) beschrieben wurde.
• Der Druckabbau ist in etwa u, bis 60 Sekunden vollständig, wobei das Gas im Bett A durch die Leitungen 4, 6 und 8 in die Atmosphäre austritt. Dann wird zum Einleiten des Schrittes 8 das Ventil V 6 gemäß Fig. 2 geöffnet, so daß bei geöffnetem Ventil V 3 das zuvor im Behälter Tb zurückgehaltene Gas als Reinigungsgas durch dieses Bett fließt. Die Dauer des Reinigungsgasstromes beträgt etwa 8 bis 90 Sekunden. Das Reinigungsgas tritt über die Leitungen 4, 6 und 8 in die Atmosphäre oder in das Vakuumsystem ein.
• Ebenso wie beim Adsorptionsbett B kann das Reinigungsgas für das Adsorptionsbett A etwas mit Sauerstoff angereichertes Produktgas enthalten. Dieses kann aus dem Adsorptionsbett B in das Adsorptionsbett h auf einem von drei Wegen fließen. Gemäß Fig. 2 ist das Ventil V 8 geöffnet, während das Ventil V 5 geschlossen ist und das mit Sauerstoff angereicherte Produktgas fließt durch die Leitungen 14, 12 und 9 in das Adsorptionsbett A. Alternativ hIerzu kann das Ventil V 7 beim gleichzeitigen Schließen des Ventils V 5 geöffnet werden, so daß das Produktgas durch die Leitungen 13, 12 und 9 in das Adsorptionsbett A fließt, oder das Ventil V 9 kann bei geschlossenem Ventil V 6 geöffnet sein, so daß das mit Sauerstoff angereicherte Produktgas durch die Leitungen 17, 15 und 9 in das Adsorptionsbett A fließt. Vorzugsweise ist das Ventil V 8 geöffnet und das Ventil V 5 geschlossen. In jedem Fall jedoch wird die Menge des mit Sauerstoff angereicherten Produktgases, das als Reinigungsgas verwendet wird, minimal gehalte. Naeh der Reinigung ist das Adsorptionsbett A vorbereitet, wieder unter Druck gesetzt zu werden und in die Adsorptionsphase ainzatreterk Auf diese Weise ist der Funktionszyklus ges#hlo#ser und die Vorrichtung ist für einen neuen Zyklus bereit.
• Es können verschiedene Änderungen innerhalb des Systems und der Vorrichtung vorgenommen werden, die dennoch das ei'findungsgemäße Prinzip nicht beeinflussen. Eine dieser änderungen besteht offensichtlich darin, das Betts das den Adsorptionsschritt beginnt, mit mit Sauerstoff angereichertem Produktgas unter Druck zu setzen. Das kann dadurch geschehen, daß das Ventil V 3 oder V 4 geschlossen wird und das Produktgas in das Bett geleitet wird, das unter Druck gesetzt werden soll. Bei Verwendung von zumindestens etwas Produktgas zum Druckaufbau kann in den Druckausgleichsschritten mehr Gas für das Fließen in den Behälter TL zurückgehalten werden. Offensichtlich kann das Adsorptionsbett, das vor dem Adsorptionsschritt steht, allein mit Produktgas wieder unter Druck gesetzt werden, wobei das Gas für den Druckaufbau zum Reinigen zurückgehalten werden kann. In diesem Fall wird praktisch kein Produktgas als Reinigungsgas verwendet. Ebenso ist es möglich, den Behälter TL zumindest teilweise mit einem zeolithischen oder andersartigen Adsorptionsmittel zu füllen. Füllt man ihn mit einem Zeolithadsorptionsmittel, weist das Reinigungsgas einen höheren Sauerstoffgehalt auf. Im allgemeinen kann anstelle des Druckabbaus auf atmosphärischen Druck eine Vakuumvorrichtung zur Verminderung des Druckes auf Unterdruck wie etwa 75 mm Quecksilber bis Norma druck verwendet werden. Diese Verfahrenswelse ist c;*zu geeignet die Regenerationsdauer zu vermindern.
• In Fig. 4 wird ein einbettiges Adsorp Adsorptionssystem gemäß der Erfindung wiedergegeben, während in Fig 5 die Ve#fahrensschrItte eines solchen einbettigen Systems zusammengestellt sind. Dieses Einbettsystem ergibt stoßweise ein mit Sauerstoff angereichertes Gas, so daß, falls ein kontinuierlIcher Gasfluß erwünscht ist, es notwendig ist, einen Pumptank zu verwenden, von dem ein mit Sauerstoff angereichertes Gas während der Regeneration des Adsorpticnsbettes abgezogen werden kann.
• In den Zeichnungen ist ein solcher Pumptank nicht abgebildet, da er nicht notwendigerweise meil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist. Ausgangspunkt der Beschreibung des Einbettverfahrens soll die Einleitung des Adsorptionsschrittes sein.
• Befindet sich das Bett C im Adsorptionsschritt, sind nur die Ventile V 11 und V 15 geöffnet, wobei komprimittierte Luft durch die Leitung 20 nach Adsorptionsbett C fließt. Im Adsorptionsbett C wird Stickstoff selektiv entfernt, und das mit Sauerstoff angereicherte Gas tritt über die Leitungen 22 und 23 aus. Die eintretende Luft steht unter einem Druck von etwa 1>76 kg/cm² bis iO,5 kg/cm² oder höher. Die Eingabezeit der Luft in das Bett hängt vom Bettvolumen und der Fließt geschwindigkeit der Luft ab.
• Diese Zeit beträgt etwa 10 bis etwa 180 Sekunden Zu dem Zeitpunkt, an dem das Adsorptionsbett mit Stickstoff geladen und gerade vor dem Durchbruch ist, werden die Ventile v 11 und V 15 geschlossen und das Ventil V Aj1\ geöffnet. Dann findet zwischen dem Adsorptionsbett C und dem Tank T2 ein Druckausgleich auf einen ersten niedrigeren Druck statt. Der Eingangsdruck des Adsorptionsbettes C und das Volumen des Behälters T2 bestimmen den sich in T2 und Bett C ergebenden Druck. Nach diesem Druckausgleich, der etwa 0,1 bis 30 Sekunden dauert, wird das Ventil V 14 geschlossen und das Ventil V 13 geöffnet.
• Zwischen dem Adsorptionsbett C und dem Behälter T3 findet nun über die Leitungen 22, 24 und 26 Druckausgleich auf einem zweiten Druck statt, der niedriger ist a# s der erste Druck aber immer noch oberhalb des atmosphärischen Druck liegt Dann wird das Ventil 13 geschlossen und das Ventil V 12 geöffnet. Daraufhin findet Druckausgleich zwischen dem Adsorptionsbett C und der Atmosphäre durch die Leitungen 20 und 21 statt, wobei ein Teil des adsorbierten Stickstoffs desorbiert wird. Die Dauer dieses Schritts beträgt etwa 0,1 bis 30 Sekunden.
• Der nächste Schritt besteht im Öffnen des Ventils V 13 und dem langsamen Leiten des in dem Behälter T3 gesammelten Gases durch das Adsorptionsbett C, um dieses Bett zu reinigen. Während dieser Reinigung bleibt das Ventil V 12 geöffnet. Zusätzlich kann aus dem Pumpt an etwas Gas zur Reinigung verwendet werden. Der Reinigungsschritt dauert etwa 10 bis 60 Sekunden.
• Nach vollständiger Reinigung des Adsorptionsbettes C werden die Ventile V 12 und V 13 geschlossen und das Ventil V 14 geöffnet. Aus dem Tank T2 fließt Gas unter hohem Druck in das Bett C, wobei sich in diesem Adsorptionsbett ein Druck aufbaut.
• Das Ventil V 14 wird dann geschlossen und die Ventile V ll und V 15 geöffnet, und das Adsorptionsbett C beginnt eine neue Adsorptionsphase.
• Auch in diese Apparatur und bei dieser Verfahrensweise können verschiedene Änderungen im Rahmen der Erfindung eingefügt werden.
• Beispielsweise können die Behältervolumen variiert werden. Ebenso kann ein Pumptank und eine Vakuumvorrichtung zur Verminderung des Druckes im Bett auf Unterdruck verwendet werden. Diese und andere Änderungen sind jedoch Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• In den Fig. 6 und 7 werden die zunehmende Wirksamkeit eines Zweibettsystems mit einem Behälter gemäß Fig. 1 wiedergegeben, wobei ein regelmäßiger doppelter Druckausgleichsschritt (gekennzeichnet als Zweibett + Tank w/BDA) stattfindet. Die Ergebnisse werden mit (a) denen eines Zweibettsystems ohne Tank verglichen, bei dem nur ein Druckausgleichsschritt vor dem Ein leiten der Adsorptionsphase (Zweibett w/BDA) stattfindet und denen (b) eines Zweibettsystems mit einem Tank, bei dem nur ein einzelner Druckausgleichsschritt mit dem Tank stattfindet und bei dem das darin aufgehaltene Gas als Reinigungsgas verwendet wird (zwei Betten + Tank w/oBDA). Das System gemäß Fig. l wird für diesen Vergleich mit einer Füllung von 4,7 kg Zeolith Nolekularsieben 5A) je Bett verwendet. Der Eingabedruck der Luft beträgt 3,52 kg/cm2 und die Zeit eines Regenerations/ Adsorptionszyklus beträgt 120 Sekunden.
• In der Tabelle 1 werden die Zeiten für jeden Schritt des Verfahrens verglichen. Diese Vorrichtung kann für jeden Proze durch einfaches öffnen und Schließen der Ventile verwendet werden. Das bedeutet, daß im Verfahren (a) mit zwei Betten das Ventil V 5 immer geschlossen ist, während die Ventile V 6 und V 7 zur gegebenen Zeit geöffnet werden, so daß etwas Produktgas als Reinigungsmedium verwendet werden kann. Dieses dient dazu, in einem der Adsorptionsbetten den Druck aufzubauen. Bei einer erfindungsgemäßen Verfahrensweise unter Verwendung von zwei Adsorptionsbetten und einem Tank bei fortlaufendem doppelten Druckausgleich wird die zuvor beschriebene Vorrichtung verwendet. Für die Verfahrensweise (b) mit zwei Adsorptionsbetten und einem Tank ohne Bett-Druckausgleich werden die Ventile V 6 und V 5 oder V 7 und V 5 zur gegebenen Zeit in Abhängigkeit von der Beendigung der Adsorptionsphase im Adsorptionsbett geöffnet.
• In den grafischen Darstellungen 6 und 7 werden die Vorteile des Verfahrens unter Verwendung von zwei Adsorptionsbetten und einem Behälter bei fortlaufendem doppelten Druckausgleich aufgezeigt. Der erfindungsgemäße Vorteil besteht in einem höheren Prozentgehalt Sauerstoff des Produktes, einer höheren Leistungskapazität und einer größeren Gewinnung von Sauerstoff.
• Die Ausbeute beträgt mehr als 55 g bei einer Produktreinheit von 70 % Sauerstoff. Die verbesserten Sauerstoffausbeuten werden noch deutlicher bei höherem Sauerstoffgehalt, gemäß Fig. 6.
• Tabelle 1 Zweibett Zweibett und Zweibett und Schritt w/BDA Tank w/BDA Tank w/o BDA Adsorption 46 sec. 46 sec. 55 sec.
• Druckausgleich mit Adsorptionsbett 9 sec. 9 sec.
• Druckausgleich w/Tank -- 10 sec. 10 sec.
• Druckaufbau 13 sec. 10 sec. 12 sec.
• Pumptank -- 31 sec. 38 sec.
• Pumpen des Produkts 38 sec.-Druckaufbau 5 sec. 5 sec. 5 sec.

Claims (15)

Ansprüche

1. Verfahren zur Fraktionierung einer gasförmigen Mischung, aus der mindestens eine Komponente bevorzugt adsorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mischung durch ein Bett eines festen Adsorptionsmittels in einem Druckkessel leitet, nach Beendigung des Adsorptionsschrittes den Druck des Druckbehälters mit dem relativ niedrigeren Druck eines zweiten Druckbehälters ausgleicht, das Adsorptionsbett mit dem angereicherten Produktgas aus dem zweiten Druckkessel reinigt und das gereinigte Adsorptionsbett mit Produktgas aus dem Adsorptionsschritt unter Druck setzt.

2. Verfahren gemäß Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß man das Produktgas für den Druckaufbau aus einem dritten Druckkessel als Vorratsbehälter für das Produktgas abzieht.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Produktgasvorrat in einem zweiten Druckausgleichsschritt bildet, wobei man zwischen dem das Adsorptionsbett enthaltenden Behälter und dem dritten Druckgefäß einen Druckausgleich herbeiführt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß man die Produktgasreserven durch einen Adsorptionsschritt mit Hilfe eines weiteren Bettes eines festen Adsorptionsmittels innerhalb des dritten Druckbehälters bildet, wobei die Adsorptionsschritte im ersten und dritten Druckbehälter außer Phase in einem zyklischen Prozeß durchgeführt wei en, wobei jedes Adsorptionsbett die Reserve des Produktgases zum Druckaufbau im anderen Adsorptionsbett bildet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Reinigen mit Produktgas aus dem zweiten Druckgefäß durch Reinigen mit Produktgas aus dem zweiten Adsorptionsbett verbessert.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Produktgas zur Reinigung von Luft abgetrennten Sauerstoff verwendet.

7. Verfahren gemäß Anspruch l bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Sauerstoff verwendet, der durch kristalline Zeolithe als Adsorptionsmittel abgetrennt wurde.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man vor Reinigung eines das Adsorptionsbett enthaltenen Druckkessels den Druck zunächst auf atmosphärischen oder niederen Druck verringert.

9. Vorrichtung zur Fraktionierung einer gasförmigen Mischung, gekennzeichnet durch ein Adsorptionsbett in einem ersten Druckgefäß, eine Eingabe leitung und eine zweite Austrittsleitung in Verbindung mit dem Druckgefäß an einer Seite des Adsorptionsbettes, eine erste Auslaßleitung in Verbindung mit dem Druckgefäß an der anderen Seite des Adsorptionsbettes, in den Leitungen befindliche Ventile zum getrennten Schließen der Leitungen und ein zweites und drittes Druckgefäß, die unabhängig mit dem ersten Druckgefäß durch weitere Leitungen und Ventile verbunden sind.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein zweites Druckgefäß, das ein festes, selektiv wirkendes Adsorptionsmittel enthält, wobei das das Adsorptionsmittel enthaltene zweite Druckgefäß mit Eingabe-und Auslaßleitungen und mit Ventilen verbunden sind, die ähnlich denen des-das erste Adsorptionsbett enthaltene Gefäß2ezur Verwendung mit dem anderen Druckgefäß ausgestattet sind, und dadurch, daß das dritte Gefäß mit dem zweiten Gefäß unabhängig vom ersten Gefäß verbunden werden kann.

ll. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jedes das Adsorptionsmittel enthaltene Druckgefäß ein kristallines Zeolithadsorptionsmittel enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung ein kristallines Zeolithadsorptionsmittel enthalten ist, das selektiv Stickstoff von einer sauerstoff- und stickstoffhaltigen Gasmischung adsorbiert.

13. Verfahren zur Fraktionierung einer gasförmigen Mischung gemäß Anspruch 1 bis 8, und gemäß den Fig. 4 und 5.

14. Verfahren zur Fraktionierung einer gasförmigen Mischung gemäß Anspruch 3 und gemäß den Fig. 1, 2 und 3.

15. Vorrichtung zur Fraktionierung gasförmiger Mischungen gemäß Anspruch 8 und gemäß den Fig. l, 2 und 3 oder Fig. 4 und 5.

Lee rs eite