DE2400860A1

DE2400860A1 - Verfahren zur anreicherung von sauerstoff in sauerstoffhaltigen gasen, insbesondere luft

Info

Publication number: DE2400860A1
Application number: DE2400860A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Heimbach; Harald Prof Dipl Chem Juentgen; Karl Dipl Ing Dr Knoblauch; Werner Koerbaecher; Heinrich Dipl Chem Dr Muenzner; Werner Prof Dr Peters; Dieter Zuendorf
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1974-01-09
Filing date: 1974-01-09
Publication date: 1975-07-17
Also published as: FR2256898B1; JPS5344160B2; IT1027219B; BE823343A; NL7416502A; AU7699374A; JPS50101285A; GB1452242A; FR2256898A1; ZA7594B; CA1027494A; NL181847C; NL181847B

Description

Essen, 6. Dezember 1973 A 8/Fr/Me

Verfahren zur Anreicherung von Sauerstoff in sauerstoffhaltigen Gasen, insbesondere Luft

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung von Sauerstoff in Luft oder anderen im wesentlichen Op und Np enthaltenden Gasen durch abwechselndes adsorptives Beladen und desorptives Entladen von Molekularsiebkoksen. Nach einem älteren Vorschlag der Anmelderin wird dieses Verfahrensziel dadurch erreicht, daß ein mit Molekularsiebkoks gefüllter Adsorber solange vom Ausgangsgas (z. B. Luft) durchströmt wird, bis das austretende Gas wieder etwa die Zusammensetzung des Ausgangsgases aufweist, woraufhin der Adsorber von einem gegenüber dem Ausgangsgas höheren Op-Gehalt aufweisenden Gas angeströmt wird, wodurch die (^-Beladung des Adsorbers weiter erhöht und ein Teil des im Adsorber befindlichen Gases als verhältnismäßig C^-armes Gas (z. B. mit etwa Luftzusammensetzung) aus dem Adsorber ausgespült wird. Vorrübergehend liegt der C^-Gehalt des ausgespülten Gases überraschenderweise sogar erheblich unter dem Op-Gehalt von Luft.

Aus dem auf diese Weise mit Op-haltigen Gasen beladenen Adsorber wird sodann bei Luft als Ausgangsgas durch Abpumpen als erste Fraktion ein Op-haltiges Gas mit einer Durchschnittskonzentration von etwa 25 bis 40 Vol.-% abgezogen, woraufhin als zweite Fraktion das Produktgas mit einer 02-Durchschnittskonzentration von 40 bis 90 Vol.-% 0£ desorbiert wird. Das als erste Fraktion abgezogene Og-haltige Gas wird, ggf. über einen Vorratsbehälter dazu benutzt, um einen weiteren bereits

509829/0413 - ² -

mit Ausgangsgas durchströmten Adsorber mit sauerstoffreicherem Gas anzuströmen. Durch Arbeiten mit zwei und mehr Adsorbern ist es möglich, mit einem geringen Aufwand an Gas- und Vakuumpumpen im kontinuierlichen Verfahren O₂-haltige Gase mit 40 bis 90 % Sauerstoffgehalt aus. verhältnismäßig sauerstoffarmen Gasen, insbesondere Luft, zu gewinnen.

Es wurde nun gefunden, daß man nach dem Prinzip des vorstehend erwähnten Verfahrens zu Gasen mit noch höherem Sauerstoffgehalt unter verhältnismäßig geringfügigem zusätzlichen Aufwand gelangt, indem ein Molekularsiebkoks-Adsorber, der vom Ölhaltigen Ausgangsgas solange durchströmt wurde, bis das austretende Gas etwa die Zusammensetzung des Ausgangsgases aufweist, von Gasen angeströmt wird, die einen gegenüber dem Ausgangsgas höheren Op-Gehalt aufweisen, wodurch unter Erhöhung der Op-Beladung ein verhältnismäßig Op-armes Gas aus dem Adsorber ausgespült wird, woraufhin aus diesem Adsorber durch Absaugen als 1. Fraktion ein an Op angereichertes Gas mit einer niedrigen 0r>-Durchschnittskonzentration abgezogen, daraufhin als 2. Fraktion ein Gas mit einer höheren Op-Durchschnittskonzentration und schließlich als 3. Fraktion wieder ein Gas mit einer niedrigeren Op-Durchschnittskonzentration gewonnen wird.

Die bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen anfallende erste und dritte Fraktion wird, zweckmäßigerweise über einen Vorratsbehälter, zur Anströmung von mit O₂ beladenen Molekularsiebkoks-Adsorbern verwendet.

- 3 509829/0413

Im allgemeinen wird insbesondere bei Verwendung von Luft als Ausgangsmaterial die Durchschnittskonzentration der ersten Fraktion etwa 25 - 70 Vol.% O₂, die der 2. Fraktion etwa 70 - 95 Vol.% O₂ und die der 3. Fraktion etwa 25 bis 70 Vol.% O₂ betragen. Im einzelnen richtet sich die O₂-Konzentration der einzelnen Fraktionen verständlicherweise nach der 0₂-Konzentration des Ausgansgases. Beginnt man z.B. mit einem Ausgangsgas mit etwa 50 Vol.% O₂, so werden die O₂-Konzentrationen der einzelnen Fraktionen zwangsläufig entsprechend höher liegen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Molekularsiebkokse je nach Ablauf ihres diffizilen Herstellungsprozesses die Eigenschaft zeigen, dass sie bei einer Beladung mit Ölhaltigen Gasen zunächst Sauerstoff bevorzugt adsorbieren und dann bei der Desorption - etwa bis zu einem Unterdruck von 400 Torr - verhältnismässig 0₂~arme Gase abgeben, daran anschliessend - im Bereich von etwa 400 Torr bis 50 Torr Gase mit der höchsten O₂-Konzentration freilassen und daran anschliessend - bei Drucken von etwa 50 bis 0,1 Torr wiederum 0,,-ärmere Gase desorbieren.

Die mit Molekülarsiebkoksen gefüllten Adsorptionsbehälter können demnach die in der beigefügten Zeichnung in Fig. 1 dargestellten Desorptionskurven zeigen. Diese gibt auf der linken Abszisse die 0₂~Gehalte der desorbierten Gase, auf der Ordinate die für die Desorption aufgewendete Zeit und auf der rechten Abszisse die sich einstellenden Drucke wieder, Wie man aus der durchgezogenen Kurve sieht, besitzen mit Luft oder anderen Ölhaltigen Gasen beladene Molekularsiebkokse die aussergewöhnliche Eigenschaft, zunächst mit absinkendem Druck (gestrichelte Kurve) Gase mit steigendem 0₂~Gehalt zu desorbieren. Die sich ergebende durchgezogene

509329/0418

Kurve zeigt bei etwa 80 Torr ihren Höchstpunkt; von da ab sinkt mit weiter fallendem sinkendem Desorptionsdruck (gestrichelte Kurve) der O₂-Gehalt der desorbierenden Gase (durchgezogene Kurve) wieder ab. Gase mit dem höchsten O₂~Gehalt lassen sich infolgedessen durch Abtrennen der zwischen etwa und 60 Torr desorbierten Gasfraktion gewinnen.

Die gefundene Desorptionskurve für Molekularsiebkokse lässt sich, wie weiterhin gefunden wurde, nur realisieren an Molekularsiebkoksmengen, die eine gewisse Volumengrösse nicht überschreiten. Bei grösseren Volumenmengen müssen die desorbierenden Gase verhältnismässig grosse Wege zurücklegen, um aus dem Molekularsiebkoks ins Freie bzw. in die Abführungsleitung zu gelangen. Auf diesem Wege kann es verständlicherweise zu Readsorptionsvorgängen kommen, die zur Folge haben, dass die O2__Gehalte der gewonnenen Gase nicht die auf der Desorptionskurve aufgezeigten Höchstwerte erreichen.

Erfindungsgemäss kann man auch bei grösseren Molekularsiebkoks-Volumina diesen Nachteil vermeiden, indem man durch die Bauweise der Adsorber bzw. von in diese hineingeführten Zu- und Abführungsleitungen dafür sorgt, dass der Weg der Ad- und Desorptionsgase innerhalb der Molekularsiebkoksfüllung möglichst klein, vorzugsweise höchstens 3 m, beträgt. Das bedeutet in der Praxis, dass man z.B. die Zu- und Abfuhr der Gase in der Mitte von Adsorberkolonnen vornimmt oder sogar die Zu- und Abführleitungen bis in das Innere der Molekularsiebkoksfüllung hineinführt. Diese Ausführungsform zeigt auch die Fig. 2 der anliegenden Zeichnung, die gleichzeitig eine Gesamtanlage zur Durchführung des Verfahrens mit zwei Adsorbern wiedergibt.

509829/0418

Diese Anlage besteht aus zwei parallel geschalteten Adsorbern 1 und 2 und einem volumenvariablen Yorratsbehälter 15» die über Rohrleitungen 4, 15 sowie Yentile 5, 6, 14 mit einem Gebläse 3 für die Förderung des Ausgangsgases sowie der ersten und dritten Fraktion, ferner über die Yentile 7 und 8 sowie Rohrleitung 9 mit einer Vakuumpumpe 10 für die Abührung von an Sauerstoff angereicherten Gasen verbunden sind. Die besagte Vakuumpumpe 10 ist weiterhin über Rohrleitungen 11, und die Ventile 12 und 14 zur Überführung von Op-reicheren Gasen (erste und dritte Fraktion) aus den Adsorbern in den Vorratsbehälter 15 verbunden. Die an Op verarmten Gase strömen über die Yentile 16, 17, 18, 19 ins Freie.

Die Inbetriebnahme einer Anlage zur Anreicherung von Q^ in Luft kann in der Weise erfolgen, daß zunächst aus den Adsorbern nur das Produktgas der ersten Belädungsstufe gewonnen und dem Yorratsbehälter zugeführt wird. Man kann aber auch als ersten Schritt den Adsorber 1 und den volumenvariablen Vorratsbehälter 15 sofort mit etwa 50 %igem Op-Np-Gemisch füllen. Der Betrieb der Anlage wäre sodann der folgende, wobei ein + Zeichen das Öffnen und ein - Zeichen das Schließen eines Ventils kennzeichnet:

Nach Schalten der Ventile 5-, 6+, 7+, 8-, 16", 17 ⁺, 18 ^T, 19 · wird der Adsorber 2 über Ventil 14, Gebläse 3 und Leitung 4 mit Luft durchströmt, wobei an O₂ verarmte Luft über die Ventile 17 und 19 ins Freie abströmt. Gegen Ende der Beladungsphase wird Adsorber 2 durch Umschalten des Ventils 14 mit Op-angereichertem Gas aus Vorratsbehälter 15 über Leitung 15, Ventil 14, Leitung 4, Gebläse 3 und Ventil 6

509829/0418

angeströmt. Durch diese Massnahme wird Gas von annähernd Luftzusammensetzung über die Ventile 17 +" und 19 +· aus Adsorber 2 gedrängt und als Abgas abgeführt.

Zur gleichen Zeit wird Adsorber 1, - der vorab mit 50 %igem O₂-N₂-Gemisch gefüllt war - über Ventil 7 +, Leitung 9, Vakuumpumpe 10, Leitung 11 und Ventil 12 desorptiv entladen, wobei das Gas in 3 Fraktionen entnommen wird, wovon die 1. und 3. durch entsprechende Bedienung von Ventil 12 in den Vorratsbehälter 15 überführt und die 2. Fraktion als Produktgas abgeführt wird. Aufgrund der Beladung des Adsorbers mit einem 50 %igem O_-N -Gemisch besitzen die besagten 3 Fraktionen mindestens etwa die eingangs erwähnten Konzentrationen .

Nun wird Adsorber 2 in gleicher Weise desorptiv entladen: Dies geschieht durch Abpumpen von 3 Gasfraktionen aus Adsorber 2 mittels Gaspumpe 10. Nach Umschalten der Ventile 6 -, 17-, 19- und 8 +.

Während dieser Entladungsphase erfolgt die Beladung von Adsorber 1 durch Hindurchleiten von Luft durch den Adsorber und anschliessendes Anströmen mit Gas aus dem Vorratsbehälter 15.

Bei derartigem wechselweisem Betrieb stellt sich in der Anlage je nach Betriebsbedingungen in kurzer Zeit im Produktgas die jeweils gewünschte 0₂~Konzentration ein.

Die Beladung der MolekularsieTikokse kann mit einer nicht getrockneten und nicht gereinigten Luft vorgenommen werden. Sie ist bereits ausreichend, wenn Luft bei etwa Atmosphärendruck 20 bis 180 see, vorzugsweise 60 bis 90 see durch den

509829/0418

240086G

Molekularsiebkoks geleitet wird. Die Beladung kann auch unter erhöhtem Druck erfolgen, wenngleich unter normalem Druck bereits befriedigende (^-Anreicherungen erzielt werden. Selbstverständlich kann man das Ende der Luftbeladung dadurch messen, daß man durch Analyse am austretenden Gas feststellt, ob die Op-Konzentration gleich der der eintretenden Luft ist, und die Beladung bis· zum 100 %±gen Durchbruch vornehmen. Die Luftbeladung kann aber auch ohne wesentliche Nachteile z. B. bei ca. 95 %igem Durchbruch beendet werden. Im allgemeinen dürfte je nach Wirksamkeit der MoIekularsiebkokse die dazu notwendige Luftmenge das 2- bis 30-fache, vorzugsweise das 5- bis 20-fache des Adsorbervolumens betragen.

Die Überleitung der 1. und 3. Fraktion aus dem Vorratsbehälter in einen frisch mit Luft beladenen Adsorber soll in der Weise erfolgen, daß keine größeren Mengen dieses bereits mit Sauerstoff angereicherten Gases wieder aus dem Adsorber austritt, so daß also lediglich ein Gas mit Luft ähnlicher Zusammensetzung aus dem Adsorber verdrängt wird, das als Abgas über die Ventile 16, 17, 18 oder 19 entfernt wird. Diese zusätzliche Beladung mit Op durch Einleiten der 1. und 3. Fraktion läßt sich im übrigen sehr rasch durchführen und ist im allgemeinen bereits nach 5 bis 30 see, vorzugsweise 9 bis 20 see, beendet. Dabei werden von der eingeleiteten Gasemenge etwa 50 - 70 % als Abgas aus dem Adsorber hinausgedrängt und als Abgas beseitigt.

Die Entladung der Adsorber erfolgt durch Abpumpen mit der Vakuumpumpe. Dabei ergeben sich z. B. Unterdrucke von etwa 760 bis herab zu 120 bis 80 Torr für das Abpumpen der 1. Fraktion in Mengen von 45 bis 55 Vol.-% des Gesamtvolumens des

SQ9829/Q418

Adsorber-Gasinhalts und von etwa 120 bis 80 Torr bis herab zu -QQ'jDie Torr, vorzugsweise 70 bis 55 Torr, für die Desorption der 2. Fraktion in Mengen von 20 bis 40 Vol.-% des Gesamtvolumens und von etwa 70 bis 55 Torr bis herab zu etwa 50 bis 15 Torr, vorzugsweise 45 bis 40 Torr, für die Desorption der 3. Fraktion in Mengen von 30 bis 10 Vol.-% des Gesamtvolumens. Bei Verwendung leistungsfähiger Vakuumpumpen ist im allgemeinen die 1. Entladungsstufe nach 2 bis 25 see, vorzugsweise 9 bis 19 see, die 2. Entladungsstufe nach 25 bis 90 see, vorzugsweise 30 bis 65 see, die 2. Entladungsstufe nach 40 bis 180 see, vorzugsweise 60 bis 90 see, beendet.

Die genannten Zeiten für die Unterteilung des Be- und Entladung svorganges hängen selbstverständlich weitgehend von der Gesamtbe- und -entladungszeit ab, die für jeden Adsorber jeweils 50 bis 180 see, vorzugsweise 60 bis 90 see, dauert.

Wenngleich die Einhaltung gewisser Betriebszeiten von Wichtigkeit für das Erreichen der günstigsten Resultate ist, lassen sich diese einzelnen Betriebszeiten in gewissen Grenzen variieren. Desgleichen läßt sich das Verfahren mit einem oder mehreren z. B. auch 3 bis 6 Adsorbern durchführen.

Man erzielt je nach gewählter Größe der 1. und 3. Fraktion aus Luft sauerstoffhaltige Gase mit 70 bis 95 Vol.-% O₂ unter einem Energieaufwand, der niedriger ist als der von vergleichbaren Tiefkühldestillationsanlagen. Selbstverständlich ist das Verfahren nicht auf die Verarbeitung von Luft beschränkt, vielmehr kommen als Aüsgangsgas auch andere Gase in Betracht, in denen anstelle von N₂/O₂ Gase mit größerem Molekül enthalten sind.

509829/0418

Falls eine noch höhere Anreicherung an Sauerstoff in Luft erreicht werden soll, kann man die erfindungsgemäßen Produktgase nochmals über einen mit Molekularsiebkoks gefüllten und durch Evakuieren regenerierten Adsorber schicken. Selbstverständlich kann man stattdessen auch aus dem 70 bis 95 %igen Gas die geringen Mengen Restgasanteile (insbesondere den Stickstoff) durch Adsorption des N₂ an Zeolithen oder auf andere bekannte Weise entfernen.

Beispiel

Zwei mit Molekularsiebkoks gefüllte Adsorber von Je 10m Inhalt und einer Höhe von 3,40 m werden wechselseitig in einem zyklischen Betrieb von der Mitte der Molekularsiebkoksschüttung her jeweils 45 see lang mit je 74 nr atmosphä rischer, ungereinigter Luft mit einem Vordruck von 0,01 atü durchströmt. Jeder einzelne Adsorber wird anschließend (mit einer Zeitdifferenz von 120 see) mit Op-angereichertem Gas aus einem Vorratsbehälter, in den die 1. und 3. Fraktion aus einer ersten Beladungsstufe gepumpt werden, 15 see lang beladen. Daran anschließend wird jeder einzelne Adsorber (wiederum mit einer Zeitdifferenz von 120 see) in 3 Stufen (3. Fraktion) entladen. Das Absaugen der 1. Fraktion ist nach 16 see beendet. Die Gasmenge beträgt jeweils 59 % des gesamten in jedem Adsorber aufgrund der Beladung mit Luft und mit der 1. und 3. Fraktion vorhandenen Volumens. Die O₂ Durchschnittskonzentration in der 1. Fraktion beträgt 60 % O₂. Daraufhin wird als 2. Fraktion ein Produktgas mit 81,3 O₂ als Durchschnittskonzentration innerhalb von 16 see ge-

509829/0418 " ¹⁰ "

- ίο -

¹Z

wonnen. Die Gasmenge dieser 2. Fraktion beträgt 4,7 m , das sind jeweils 20 % des gesamten in jedem Adsorber nach der Beladung vorhandenen Volumens. Schließlich wird die 3. Fraktion mit 75 % Op als Durchschnittskonzentration innerhalb von 28 see abgesaugt. Die Gasmenge beträgt 20 % des Gesamtgases.

- 1.1 500620/4418

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zur Anreicherung von Sauerstoff in sauerstoffhaltigen Gasen, insbesondere Luft oder solchen Gasen, die neben O₂ Gase mit größerem Molekül enthalten, durch Beladen und Entladen von mit diesen Gasen durchströmten Molekularsiebkoksen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Molekularsiebkoks- Adsorber, der vom Op-haltigen Ausgangsgas solange durchströmt wurde, bis das austretende Gas etwa die Zusammensetzung des Ausgangsgases aufweist, von Gasen angeströmt wird,, die einen gegenüber dem Ausgangsgas höheren Op-Gehalt aufweisen, wodurch unter Erhöhung der (^-Beladung ein verhältnismäßig Op-armes Gas aus dem Adsorber ausgespült wird, woraufhin aus diesem Adsorber durch Absaugen als 1. Fraktion ein an Op angereichertes Gas mit einer niedrigen Op-Durchschnittskonzentration abgezogen, daraufhin als 2. Fraktion ein Gas mit einer höheren Op-Durchschnittskonzentration und schließlich als 3. Fraktion wieder ein Gas mit.einer niedrigeren C^- Durchschnittskonzentration gewonnen wird.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Fraktion und

3. Fraktion zur Anströmung des Molekularsiebkoks- Adsorbers dient.

■3) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die (^-Konzentration der 1. Fraktion etwa 25 - 70 Vo^L.%, die der 2. Fraktion etwa 70 - 95 Vol.96 und die der 3; Fraktion ebenfalls etwa 25 - 70 Vol.% beträgt.

- 12 509824/U418

4) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg der Gase im Molekularsiebkoks höchstens etwa 3 m beträgt.

5) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der angeströmten Fraktion etwa 50 - 70 YoI.% in Form von 02-armen Gasen aus dem Adsorber verdrängt werden.

509823/0418

Leerseite