DE2548290C3

DE2548290C3 - Adsorptionsvorrichtung zum Zerlegen von Luft

Info

Publication number: DE2548290C3
Application number: DE19752548290
Authority: DE
Inventors: John Joseph Katonah N.Y. Collins (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1975-06-20
Filing date: 1975-10-29
Publication date: 1979-11-15
Also published as: GB1530604A; BR7507051A; AR209943A1; JPS55321B2; IT1048025B; BE835005A; NL7512675A; DE2548290B2; FR2314755A1; CH604849A5; NL184938C; AT370005B; FR2314755B1; CA1064834A; DE2548290A1; AU8613975A; JPS522891A; ATA822275A

Description

haben, wobei L die Adsorptionsbettlänge (in m), K χι die Wärmeleitfähigkeit der metallischen Elemente (in W/Km) und X das Produkt KA für ein 2,4 m langes Adsorptionsbett mit Werten zwischen 0,9 und 21 W/Km ist, wobei die metallischen Elemente über die Querschnittsfläche des Adsorptionsmittels der- r> art verteilt sind, daß der Abstand zwischen jedem Adsorptionsmittel'.eilchen und dem nächstliegenden metallischen Element kleiner als 180 mm ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische 4» Elemente (7) Metallplatten vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Metallplatten mit einer Mehrzahl von in Axialrichtung durchgehenden öffnungen versehen ist. ί^γ>

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Elemente Metallstäbe vorgesehen sind.

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Die Erfindung betrifft eine Adsorptionsvorrichtung zum Zerlegen von Luft durch selektive Adsorption von Stickstoff, bei der mindestens zwei parallel zueinander angeordnete wärmeiso'ierte, Zeolith als Adsorptionsmittel enthaltende Adsorptionsbetten vorgesehen sind, w> wobei jedes Adsorptionsbett aus einem Gefäß besteht, das unten einen Einlaß für die zu zerlegende Luft und oben einen Auslaß für das Sauerstoffprodukt enthält und am unteren Ende mit einer in Querrichtung verlaufenden Bettauflageplatte versehen ist.

Solche Vorrichtungen sind bekannt (DE-OS 38 261, US-PS 31 76 444, US-PS 36 36 679, US-PS 38 087). Sie werden vorzugsweise derart betrieben, daß Einsatzluft am Eintrittsende eines ersten Adsorptionsbettes unter hohem Druck eingeleitet, ein Sauerstoff enthaltendes Gas vom Austrittsende abgeleitet und dann zusätzlich Sauerstoff am Austrittsende des ersten Adsorptionsbettes unter Gleichstromdruckminderung des ersten Adsorptionsbettes freigesetzt wird, die Gleichstromdruckminderung beendet wird, wenn das erste Adsorptionsbett einen niedrigeren Druck angenommen hat, ein Teil des zusätzlichen Sauerstoffs zum Wiederaufdrücken eines anderen Adsorptionsbettes zurückgeleitet wird. Abgas am Eintrittsende des ersten Adsorptionsbettes freigesetzt und dadurch der Druck dieses Adsorptionsbettes im Gegenstrom auf den niedrigsten Druck abgesenkt wird, Sauerstoffgas vom Austrittsende eines anderen Adsorptionsbettes dem Austrittsende des ersten Adsorptionsbettes als Spülgas zugeleitet wird, um das Stickstoffadsorbat zu desorbieren, das adsorbathaltige Spülgas vom Eintrittsende des ersten Adsorptionsbettes als Abgas abgeführt und Sauerstoffgas vom Austrittsende eines anderen als des ersten Adsorptionsbettes unter einem über dem niedrigsten Druck liegenden Druck dem gespülten ersten Adsorptionsbett zugeführt wird, um dieses mindestens teilweise wiederaufzudrücken.

In Versuchsanlagen wurden sowohl mit Dreibett- als auch mit Vierbettsystemen verhältnismäßig hohe Sauerstoffausbeuten erzielt. Beispielsweise lag bei Verwendung einer Vierbett-Calciumzeolith-A-Anlage mit einem Bettdurchmesser von 152 mm, bei der die Einsatzluft mit 21°C zugeführt und die aus der US-PS 35 64 816 bekannte Phasenfolge angewendet wurde, die Sauerstoffausbeute im Falle einer Produktreinheit von 90% O2 bei 45,5%. Bei einer Anlage im industriellen Maßstab, die aus Calciumzeolith-A-Betten von 660 mm Durchmesser bestand, waren die OvAusbeuten jedoch wesentlich geringer als erwartet, nämlich 39,4% und 42,3% bei einer Einsatzlufttemperatur von 10⁰C bzw. 25,6°C. Auch bei einer Dreibett-Calciumzeolith-A-Anlage von industriellem Maßstab (Bettdurchmesser von 660 mm), bei der die Einsatzluft mit einer Temperatur von 4,4°C zugeführt wurde, war die Ch-Ausbeute unerwartet klein. Die Anlage stabilisierte sich auf eine Produktreinheit von nur 66% bei einer Sauerstoffausbeute von nur 26,7%. Bei einer Einsatzlufttemperatur von 43,3°C betrug die Sauerstoffausbeute nur 33,6%.

Es wurde bereits vorgeschlagen (ältere Anmeldung gemäß DE-OS 25 48 291), diesem Mißstand dadurch abzuhelfen, daß beim Einsatz von Adsorptionsbetten mit einem effektiven Durchmesser von mindestens 305 mm dem Eintrittsende eine Wärmemenge zugeführt wird, die derart bemessen ist, daß die das Eintrittsende durchströmende Luft auf einer Höchsttemperatur zwischen I2,7°C und 8O⁰C gehalten wird, vorzugsweise indem die Einsatzluft auf den höchsten Überdruck verdichtet, dabei durch die Konipressionswärme erhitzt und danach vor dem Einleiten in das Eintrittsende des ersten Bettes unter Abführen eines Teils der Kompressionswärme teilweise zurückgekühlt wird.

Die Lösung des älteren Vorschlags beruht auf der Erkenntnis, daß bei Erzeugung eines mindestens 60% Sauerstoff enthaltenden Gases unter Verwendung von wärmeisolierten, d. h. nicht für einen gegenseitigen Wärmeaustausch mechanisch miteinander verbundenen Zeolith-Adsorptionsbetten mit einer scheinbaren Porengröße von mindestens 4 Ä und einem effektiven Durchmesser (kleinste Querschnittsabmessung des Adsorptionsbettes) von mindestens 305 mm eine Zone mit stark verminderter Temperatur an dem 30% der

vollen Bettlange ausmachenden Eintrittsende des Adsorptionsbettes auftritt, falls keine besonderen Vorkehrungen getroffen sind. Zu dieser Temperaturabsenkung kommt es auch, wenn die Einsatzluft verhältnismäßig warm ist, z. B. eine Temperatur von 35°C hat. Sie ist bei Anlagen besonders stark ausgeprägt, bei denen im Eintrittsei.de ein unbeabsichtigter Wärmerückkopplungseffekt derart auftritt, daß die Abkühlwirkung der Desorption während Gegenstromphasen zyklisch aufgenommen und gespeichert iu wird, während die Abkühlwirkung im Verlauf von Gleichstromphasen des Luftzerlegungsprozesses zyklisch an das Bett zurückgegeben wird. Wenn als Einsatzgas nichtvorbehandelte Rohluft verwendet wird, bildet sich im Eintrittsende eine mit Wasser beladene Zone aus; es erfolgt dort praktisch keine Trennung von Sauerstoff und Stickstoff. Die Temperaturabsenkung innerhalb des Eintrittsendes (zwischen der Stelle, an welcher die Einsatzluft eingeleitet wird, und dem kältesten Punkt) führt eine Temperaturdifferenz von mindestens 28 Grad herbei; die niedrigste Temperatur innerhalb des Eintrittsendes liegt nicht über 1,7°C.

Bei dem älteren Vorschlag (DE-OS 25 48 291) werden zur mindestens teilweisen Unterbindung der unerwünschten Temperaturabsenkung im Eintrittsende des Adsorptionsbettes neben einer Ausnutzung der Kompressionswärme der verdichteten Einsatzluft unter anderem im Eintrittsende des Adsorptionsbettes untergebrachte elektrische Heizwiderstände oder Wärmeaustauscher vorgeschlagen. Die letztgenannten Lösungen sind relativ aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens nach der älteren Anmeldung (DE-OS 25 48 291) geeignete Vorrichtung zu schaffen, die eine gezielte Wärmezufuhr zum Eintritts- r> ende des Adsorptionsbettes auf besonders einfache und verläßliche Weise gestattet.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Adsorptionsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich mehrere metallische Elemente, die an der Bettauflageplatte am Einlaß anliegen, parallel zueinander und quer zur Querschnittsabmessung des Adsorptionsbeltes über mindestens ein Drittel der Länge des Adsorptionsbettes in gleichem gegenseitigem Abstand erstrecken. 4>

Mittels der metallischen Elemente kann Wärme durch Wärmeleitung sowohl von dem auf der Einsatzlufttemperatur liegenden Adsorptionsbetteinlaß als auch von dem stromabwärts des Eintrittsendes befindlichen Bettabschnitt in ausreichender Menge zugeführt wer- « den, um der geschilderten Temperaturabsenkung entgegenzuwirken und das durch das Eintrittsende hindurchströmende Gas auf einer für eine vergleichsweise hohe Sauerstoffausbeute notwendigen Temperatur zu halten. Diese Temperatur liegt vorzugsweise mindestens 11 Grad über der sich ohne eine solche Wärmeübertragung einstellenden Temperatur, jedoch unter 43°C. Reichen die metallischen Elemente nur über ein Drittel der Adsorptionsbettlänge, wird die meiste Wärme auf das Betteintrittsende von dem Adsorptions- bo betteinlaß aus übertragen. Verlaufen die metallischen Elemente dagegen auf voller Länge bis zum Bettaustrittsende, kommt ein wesentlicher Teil der dem Eintrittsende zugeführten Wärme von dem stromabwärts des Eintrittsendes liegenden Bettabschnitt. t>>

Besonders hohe Sauerstoffausbeuten werden erzielt, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die metallischen Elemente eine Gesamtquerschnittsfläche A (in m²/m² Querschnittsfläche des Adsoiptionsmiuels) von

X /L\²

κ \W

haben, wobei L die Adsorptionsbettlänge (in m), K die Wärmeleitfähigkeit der metallischen Elemente (in W/Km) und X das Produkt KA für ein 2,4 m langes Adsorptionsbett mit Werten zwischen 0,9 und 21 W/Km ist, wobei die metallischen Elemente über die Querschnittsfläche des Adsorptionsmittels derart verteilt sind, daß der Abstand zwischen jedem Adsorptionsmittelteilchen und dem nächstliegenden metallischen Element kleiner als 180 mm ist.

Sei den metallischen Elementen kann es sich zweckmäßig um Metallplatten oder Metallstäbe handeln. Bei Verwendung von Metallplatten sind diese vorteilhaft mit einer Mehrzahl von in Axialrichtung durchgehenden öffnungen versehen. Die metallischen Elemente können auch kleinere Diskontinuitäten in Längsrichtung, z. B. kurze Spalte, aufweisen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der prozentualen Sauerstoffausbeute und der Gastemperatur für verschiedene Formen von Zeolith A und Zeolith X,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Adsorptionsbettemperatur und der Bettiefe für bekannte Vorrichtungen und für eine Ausführungsform der Erfindung mit drei Adsorptionsbetten,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Abkühlgeschwindigkeiten an verschiedenen Stellen des in seiner Temperatur abgesenkten Abschnittes eines Zeolith 5 A-Adsorptionsbettes während des Anfahrens des Luftzerlegungsprozesses,

F i g. 4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Kühlgeschwindigkeit und der maximalen Temperaturdifferenz in einem Zeolith 5 Α-Bett während der Luftzerlegung,

F i g. 5 einen schematischen Längsschnitt eines Gefäßes mit einem Adsorptionsbett, das mit plattenförmigen metallischen Elementen ausgestattet ist, die parallel zueinander über den Querschnitt des Bettes verteilt angeordnet sind,

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie 6-6 der Fig. 5,

F i g. 7 eine perspektivische Ansicht dreier plattenförmiger metallischer Elemente, die den gegenseitigen Abstand und die Art der Wärmeübertragung erkennen läßt,

F i g. 8 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der maximalen Temperaturdifferenz und den KA -Werten für verschiedene Abstände von parallelen plattenförmigen metallischen Elementen entsprechend den Fig. 5 bis 7,

Fig. 9 einen schematischen Längsschnitt eines Gefäßes mit einem Adsorptionsbett, das mit stabförmigen metallischen Elementen ausgestattet ist,

Fig. 10 einen Querschnitt entlang der Linie 10-10 der Fig. 9,

Fig. 11 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der maximalen Temperaturdifferenz und den /C4-Werten für verschiedene Abstände der stabförmi· gen metallischen Elemente gemäß den F i g. 9 und 10,

Fig. 12 einen Querschnitt durch ein Adscrptionsbett

mit plattenförmigen metallischen Elementen, die radial in Achsrichtung verlaufen,

Fig. 13 ein schematisches Fließschema einer für die Luftzerlegung geeigneten Anlage, bei der zur Erzeugung von Sauerstoff zwei in Parallelstromfolge angeordnete Adsorptionsbetten vorgesehen sind,

Fig. 14 ein bevorzugtes Takt- und Zeitprogramm für die Zweibettvorrichtung gemäß F i g. 13 und

F i g. 15 ein schematisches Fließschema einer Vorrichtung, bei der Luft zwecks Erzeugung von Sauerstoff in drei Adsorptionsbetten zerlegt wird, wobei dem Abschnitt mit abgesenkter Temperatur auch Wärme aus der Verdichtung der Einsatzluft zugeführt wird.

F i g. 1 zeigt das Ergebnis von Untersuchungen bezüglich der Auswirkungen der Temperatur auf eine adiabatische Druckkreisadsorption für die Zerlegung von Luft unter Verwendung von Calciumzeolith A, Natriumzeolith A, Molekularsieb 4 A (US-PS 28 82 243), Natriumzeolith X und Molekularsieb 13 X (US-PS 28 82 244). Die frisch hergestellte Natriumform hat eine scheinbare Porengröße von ungefähr 4 A, während die scheinbare Porengröße der Calcium-Austauschform bei ungefähr 5 A liegt. Das frisch hergestellte Natriumzeolith X hat eine scheinbare Porengröße von ungefähr 10 A. In F i g. 1 gilt die gestrichelt dargestellte Kurve für Natriumzeolith A, die ausgezogen gezeichnete Kurve für Calciumzeolith A und die strichpunktierte Kurve für Natriumzeolith X. Die Kurven lassen erkennen, daß die prozentuale Sauerstoffausbeute mit steigender Temperatur von ungefähr —18° C bis zu einem Höchstwert bei ungefähr 32°C zunimmt und dann mit weiter steigender Temperatur sinkt.

Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, um das Maß der Abkühlung im Eintrittsende einer Dreibett-Adsorptionsanlage der aus der US-PS 36 36 679 (Fig. 7) bekannten Art zu bestimmen. Die Calciumzeolith-A-Betten hatten einen kreisförmigen Querschnitt von 1,45 m Durchmesser; sie waren 2,4 m lang und enthielten jeweils 2585 kg Adsorptionsmittelteilchen von 1,6 mm Größe. Die wärmeisolierten Betten waren mit in Achsrichtung verteilt angeordneten Thermoelementen ausgestattet. Es wurde mit der aus der US-PS 36 36 679 bekannten Taktfolge gearbeitet.

Die grafische Darstellung nach Fig.3 zeigt die beobachtete Temperatur (°C) der Adsorberbetten an vier unterschiedlichen Stellen der Betten während der ersten 48 Betriebsstunden, bezogen auf Einsatzluft mit einer Temperatur von ungefähr 43° C und einem Druck von 2,1 bar. Die vier Meßstellen waren wie folgt verteilt:

Meßstelle Abstand vom Auflagesieb (Einlaß)

A B C D

76 mm
381 mm
686 mm
991 mm

II)

21)

Jj

40

45

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Die Neigung der Kurven in Fig.3 stellt die momentane AbkOhlgeschwindigkeit für eine bestimmte eo Adsorptionsbettstelle während, der betreffenden Zeitdauer dar. In den ersten 15 Betriebsstunden war dementsprechend die augenblickliche Abkühlgeschwindigkeit an der Stelle A, die dem Einlaß am nächsten lag, am höchsten; sie nahm bis zu der vom Einlaß am weitesten entfernt liegenden Stelle D fortschreitend ab. Nach ungefähr 15 Stunden begann die Abkühlgeschwindigkeit an der Stelle A abzunehmen; nach ungefähr 36 Stunden war dort die Abkühlung abgeschlossen. Nach ungefähr 30 Stunden begann eine Abnahme der Abkühlgeschwindigkeit an der zweitnächsten Stelle B, die Abkühlung war jedoch nach 48 Stunden noch nicht zu Ende. Die Stellen C und D kühlten sich nach 48 Stunden weiter rasch ab.

Die Daten gemäß F i g. 3 wurden auch herangezogen, um die mittlere Abkühlgeschwindigkeit des Einlaßendes während verschiedener Zeitdauern zu bestimmen. Beispielsweise betrug die Abkühlgeschwindigkeit ungefähr 158 W/m² Querschnitt des Bettes 6 Stunden nach dem Anfahren; sie nahm auf ungefähr 101 W/m² Querschnitt des Bettes 24 Stunden nach dem Anfahren ab. Während der Anfahrdauer nahm der Temperaturgradient des Adsorberbettes weiter zu; er stabilisierte sich nach 60 Stunden. Zu diesem Zeitpunkt lag die maximale Bettemperaturdifferenz zwischen der niedrigsten Temperatur im Eintrittsende und der höchsten Temperatur im Austrittsende bei ungefähr 56°C.

F i g. 4 zeigt eine grafische Darstellung von Daten aus diesem Versuch, die die Beziehung zwischen der Abkühlgeschwindigkeit und der höchsten Temperaturdifferenz in den 2,4 m langen Betten erkennen läßt, Diese Beziehung ist kennzeichnend für einen Übergangszustand in den Betten; sie liefert jedoch einen Anhalt für die Wärmemenge, die im Eintrittsende erforderlich ist, um das Bettemperaturdifferential aul einen vorgegebenen Wert zu stabilisieren. Soll beispielsweise ein maximales Δ Tvon 25 Grad aufrechterhalten werden, müßte dem Eintrittsende Wärme in einer Menge von 158 W/m² Querschnittsfläche des Bettes zugeführt werden. Wenn dem Eintrittsende Wärme vor einer externen Quelle aus zugeführt wird, beispielsweise in Form einer erhöhten Einsatzlufttemperatur, steigt die Temperatur innerhalb des gesamten Bettes an. Vergleicht man beispielsweise in F i g. 2 die untersten unc die mittleren Kurven, so wird die Gesamttemperatur ir den Betten durch Steigern der Einsatzlufttemperatui von 3,3°C auf 35°C angehoben; die Temperaturdifferenz innerhalb der Betten bleibt jedoch ungefähr die gleiche.

Vorliegend wird die Temperaturdifferenz ausgenutzt die andernfalls den Wirkungsgrad der Sauerstoffausbeute begrenzt, um das Eintrittsende dort aufzuwärmen wo der unerwünschte Temperaturabfall normalerweise auftritt Dies wird dadurch erreicht, daß Wärme zurr Eintrittsende durch Wärmeleitung über metallische Elemente (Festkörper) sowohl vom Einlaß als auch vor dem stromabwärts des Eintrittsendes befindlicher Bettabschnitt aus zugeführt wird. Sowohl der Einlaß al« auch der stromabwärtige Bettabschnitt sind hinreichenc wärmer als das Eintrittsende mit abgesenkter Temperatur, um letzteres im wesentlichen so weit aufzuwärmen daß eine verbesserte Sauerstoffausbeute erzielt wird wenn die Aufwärmung auf eine Temperatur erfolgt, die mindestens 11°C über der im Eintrittsende ohne die vorliegend erläuterten Maßnahmen herrschenden Temperatur liegt Da die vorstehend erwähnte niedrigste Temperatur bei höchstens 1,7° C liegt, wird diesel Bereich auf mindestens 12,8°C aufgewärmt Die Fig. 1 läßt erkennen, daß dann auf einem höher gelegener Abschnitt der Zeolith-Adsorptionsmittelkurve gearbeitet wird und die prozentuale Sauerstoffausbeute beträchtlich verbessert ist Andererseits sollte die Aufwärmung nicht über 43° C hinausgehen, weil sons; auf einem abfallenden Teil der Zeolith-Adsorptionsmit telkurve gearbeitet wird. Vorzugsweise wird auf da; Eintrittsende ausreichend Wärme übertragen, um der

dort durchtretenden Gasstrom auf einer Höchsttemperatur zwischen 15 und 38°C zu halten. Mit den erläuterten Maßnahmen werden Temperaturdifferenzen in Längsrichtung der Adsorptionsbetten vermindert aber nicht vollkommen beseitigt. Für die praktische Durchführung der Luftzerlegung ist daher den Kennlinien nach F i g. 1 eine mittlere Gastemperatur innerhalb der Betten zugrundezulegen. Mit anderen Worten, F i g. 1 liefert eine qualitative, jedoch keine quantitative Aussage für die erzielbare prozentuale Sauerstoffausbeute.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform der Adsorptionsvorrichtung, bei der ein aufrecht stehendes Gefäß ί mit kreisförmigem Querschnitt vorgesehen ist, das unten mit einem Einlaß 2 für Einsatzluft und oben mit einem Auslaß 3 für das Sauerstoffprodukt versehen ist. Eine Bettauflageplatte 4, beispielsweise in Form eines Metallgitters, verläuft in Querrichtung am unteren Ende des Gefäßes und trägt das aus kristallinem Zeolith-Molekularsieb bestehende Adsorptionsbett 5. Mehrere Metallplatten 7 erstrecken sich parallel zueinander und quer zur Querschnittsabmessung des Adsorptionsbettes in gleichem gegenseitigem Abstand. Diese Platten liegen an der Bettauflageplatte 4 am Adsorptionsbetteinlaß an, um zwecks Wärmeübergang für einen festen Metall-Metall-Kontakt zu sorgen. Die Platten 7 reichen durch das Betteintrittsende 8 hindurch, wo andernfalls eine Zone mit verringerter Temperatur ausgebildet würde; vorzugsweise erstrecken sie sich bis in den wärmeren, stromabwärts liegenden Bettabschnitt 9 hinein. Die Platten 7 können bis zum Austrittsende des Bettes reichen. Da das Eintrittsende 8 bis zu einem Drittel der Länge des Bettes ausmachen kann, sollten sich die Platten 7 vorzugsweise über mindestens die halbe Länge des Bettes erstrecken, um eine ausreichende Wärmeübertragung vom wärmeren Abschnitt 9 zum Eintrittsende 8 sicherzustellen. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Platten 7 aus 0,8 bis 6,4 mm dickem Aluminium und haben die Platten über den Adsorptionsbettquerschnitt hinweg einen gleichmäßigen gegenseitigen Abstand von 38 bis 205 mm.

In F i g. 7 sind drei Platten 7a, Tb und Tc veranschaulicht, die parallel zueinander verlaufen, wobei die Platten Ta und Tb sowie die Platten Tb und Tc jeweils einen gegenseitigen Abstand von 25 haben. Die gestrichelte Ebene a -b stellt die Mittelebene zwischen den Platten Ta und Tb dar, während die gestrichelt eingezeichnete Ebene b — c die Mittelebene zwischen den Platten Tb und Tc ist. In der Praxis erfolgt die Wärmeübertragung durch Festkörperwärmeleitung von dem produktseitigen Ende 9 oder dem bezüglich der EiiiSälziüii Sii'Oiiiäbwäris liegenden Abschnitt jeder Platte aus (der obere schraffierte Abschnitt der Platte Tc) zum Eintrittsendabschnitt jeder Platte, wie dies durch Pfeile angedeutet ist Dieser Wärmeübertragung wirken fünf in Reihe liegende Widerstände entgegen:

1. Der Widerstand, der auf die radiale Tiefe des Betts im warmen Abschnitt des Adsorptionsbettes zurückzuführen ist;

2. der Filmwiderstand an der Oberfläche des im warmen Abschnitt des Adsorptionsbettes liegenden Teils eines metallischen Elements der Vorrichtung (der obere gestrichelte Abschnitt der Platte 7c);

3. der von dem metallischen Element selbst gebildete Widerstand;

4. der Filmwiderstand an der Oberfläche des im kühlen Eintrittsende des Adsorptionsbettes liegenden Teils des metallischen Elements (unterer Abschnitt der Platte Tc);

5. der auf die radiale Tiefe des Adsorptionsbetles im kühlen Eintrittsende zurückgehende Widerstand.

Unter Berücksichtigung dieser Wärmeübertragungswiderstände sollen die metallischen Elemente bestimm-

K) te Eigenschaften hinsichtlich der Gesamtquerschnittsfläche A je Flächeneinheit der Querschnittsfläche des Adsorptionsmittels, der Adsorptionsbettlänge L (in m), der Wärmeleitfähigkeit K (in W/K m), des Wertes X als dem Produkt KA für ein 2,4 m langes Adsorptionsbett

r> und des gegenseitigen Abstands mit Bezug auf die Adsorptionsmittelteilchen haben. Insbesondere sollte X Werte zwischen 0,9 und 21 W/K m haben, A sollte gleich

K \2,4J

sein, und die metallischen Elemente sollten über die Querschnittsfläche des Adsorptionsbettes derart ver-

>■-> teilt angeordnet sein, daß der Abstand S zwischen jedem Adsorptionsmittelteilchen und dem nächstliegenden metallischen Element kleiner als 180 mm ist.

F i g. 8 zeigt eine grafische Darstellung für die gegenseitige Verknüpfung dieser Variablen für eine

j» Ausführungsform mit den parallelen plattenförmigen metallischen Elementen gemäß den F i g. 5 bis 7 bei vier unterschiedlichen Abständen S, und zwar: A = 25 mm, B= 114 mm, C= 152 mm und D = 229 mm. Die Länge L des Adsorptionsbettes betrug in jedem Falle

j5 2,4 m; die Einsatzgastemperatur lag bei ungefähr 32°C. Die Kurven lassen allgemein erkennen, daß bei kleineren Abständen S kleinere maximale Gastemperaturdifferenzen aufrechterhalten werden können. Aus der grafischen Darstellung folgt ferner, daß die maximale Gastemperaturdifferenz oberhalb eines KA-Wertes von 21 W/K m verhältnismäßig unempfindlich gegen eine weitere Steigerung des Produktes KA wird, sowie daß bei KA -Werten von weniger als 0,9 W/K m der von den plattenförmigen Elementen gebildete Wärmewiderstand vorherrscht und die Größe der Wärmeübertragung bestimmt Unter diesen Umständen würde das System auf die Größe des Abstandes 5 relativ wenig ansprechen; ein befriedigendes Betriebsverhalten kann mit vernünftig weit voneinander entfernten Elementen, d. h. Abständen von 25 mm oder mehr, nicht erreicht werden. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform Hegt der Wert X zwischen 1,7 und 10 W/K m.

F i g. 8 läßt erkennen, daß bei einem Abstand 5 von mehr als ungefähr 180 mm die maximale Temperaturdifferenz im Bett einen Wert von ungefähr 33° C übersteigt, so daß die potentielle Verbesserung der prozentualen Sauerstoffausbeute durch die vorliegend erläuterten Maßnahmen sehr begrenzt wäre. Andererseits müssen Abstände S von weniger als 25 mm aus mechanischen und Kostengründen vermieden werden. Als Kompromiß zwischen einfacher Herstellung und erzielbarer Wärmeübertragung werden vorzugsweise Abstände zwischen 25 und 76 mm vorgesehen.

Die Verhältnisse gemäß F i g. 8 sind unmittelbar auf Betten von 2,4 m länge anwendbar. Bei anderen Bettlängen ändert sich der Wärmeübergangswiderstand der metallischen Elemente auf Grund der anderen

Länge, über die hinweg Wärme übertragen werden muß. Der Wärmeübergangswiderstand ist der Länge des metallischen Elements unmittelbar proportional. Infolgedessen ist der für ein Bett von der Länge L erforderliche ΚΑ-Wert das Zv2,4fache des /C4-Wertes für ein 2,4 m langes Bett.

Adiabatische Druckkreisprozesse sind normalerweise so ausgelegt, daß mit einer bestimmten Taktdauer gearbeitet wird. Außerdem wird die Einsatzluftmenge so eingestellt, daß das Bett maximal ausgenutzt wird. Bei einer Bettlänge L ist die Einsatzgasmenge das L/2,4fache der Einsatzgasmenge für ein 2,4 m langes Bett. Infolgedessen ist auch die im Bett durch den Gasstrom übertragene Wärme das Zv2,4fache der in einem 2,4 m langen Bett übertragenen Wärme; der AM-Wert der metallischen Elemente muß dementsprechend geändert werden. Um sowohl die Änderung des Wärmeübergangswiderstandes als auch die Änderung in der Menge der übertragenen Wärme zu berücksichtigen, ist der AC4-Wert für ein Bett der Länge L das ('Zv2,4)²fache des für ein 2,4 m langes Bett erforderlichen Κ/4-Wertes.

Die Anwendung der F i g. 8 sei an Hand des folgenden Beispiels erläutert: Es sei angenommen, daß die maximale Temperaturdifferenz des Gases, das durch ein 3 m langes Calciumzeolith-A-Adsorptionsbett einer Luftzerlegungsanlage hindurchgeleitet wird, auf 22 Grad beschränkt werden soll, um ein Gas mit ungefähr 90% Sauerstoff zu erhalten; die Einsatzgastemperatur liege bei ungefähr 32°C. Es sei ferner angenommen, daß Aluminiumplatten (K = 225 W/K m) in die kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Betten mit einem gleichförmigen Abstand S von 57 mm, d. h. mit einem Milie-zu-Miue-Absland zwischen benachbarten Platten von 114mm, eingebracht werden. Aus Fig.8 kann für eine <d Γ-Ordinate von 22 Grad durch Extrapolation zwischen den Kurven A und B ein KA-Wen von ungefähr 3,5 entnommen werden. Da K gleich 225 W/K m ist, liegt der Wert für A für ein 2,4 m langes Bett bei ungefähr 0,0154. Der Wert von A für das gewünschte 3 m lange Bett kann jetzt aus der Formel

2,4

errechnet werden. Es ergibt sich für die Aluminiumplatten eine Gesamtquerschnittsfläche in m² je m² Querschnittsfläche des Adsorptionsmittels von (3,5/225) (3/2,4)2 = 0,024. Da 1000/114 = 8,77 Platten je m² Querschnittsfläche des Adsorptionsmittels vorgesehen sind, sollte die Aluminiumplattenstärke 1000 · 0,024/ 8,77 = 2,74 rnrr. betragen.

Die Fi g. 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der die metallischen Elemente 7 von Stäben gebildet sind, die in einem Quadratmuster verteilt angeordnet sind. Die grafische Darstellung nach F i g. 11 veranschaulicht die Beziehung zwischen den oben erwähnten Variablen für derartige Stäbe, vergleichbar mit der Art der Fig.8, die für plattenförmige metallische Elemente gilt Die Adsorptionsbettlänge beträgt wiederum 2,4 m. Die Abstände S sind wie folgt gewählt: A = 25 mm, B= 114 mm, C = 152 mm und D = 229 mm. Die Stäbe sind in der quadratischen Verteilung gemäß Fig. 10 angeordnet; der Abstand 5 ist die Hälfte der Länge der Diagonalen eines Quadrates.

Ein Vergleich der F i g. 11 und 8 zeigt, daß die allgemeinen Beziehungen die gleichen sind und daß ein

Abstand von mehr als 180 mm aus den vorstehend diskutierten Gründen vermieden werden sollte. Entsprechend einer bevorzugten Ausiührungsform bestehen die Stäbe aus Aluminium mit einem Durchmesser von 6,4 bis 25 mm; sie sind über die Adsorptionsbetten gleichmäßig verteilt, wobei die Gesamtquerschnittsfläche der Stäbe 0,01 bis 0,10 m²/m² Adsorptionsmittelfläche beträgt.

In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform mit plattenartigen Metallelementen veranschaulicht. Die Platten 7 verlaufen dabei radial in Achsrichtung der Adsorptionsbetten 5. Ihre Außenkanten sind entlang dem Umfang der Adsorptionsbetten gleichförmig verteilt.

Zu anderen brauchbaren Formen von metallischen Elementen gehört eine Gruppe von konzentrisch zueinander um die Längsachse des Bettes verteilten Elementen, die in gegenseitigem Abstand liegen und zwischen denen sich Adsorptionsmittel befindet. Die Elemente können senkrecht zur Bettlängsachsc beispielsweise kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt haben.

Jede der vorstehend erläuterten Anordnungen zum Übertragen von Wärme auf das Eintrittsende einer adiabatischen Druckkreisprozeßanlage zur Luftzerlegung durch Wärmeleitung über metallische Festkörper kann beispielsweise im Falle von Zwei-, Drei- und Vierbettsystemen vorgesehen werden. Beispielsweise gelten die Fig. 13 und 14 für ein Zweibettsystem der aus der US-PS 37 38 087 an sich bekannten Art.

Dabei wird die auf dem niedrigsten Druckwert befindliche, gespülte Adsorptionszone durch Einleiten von Sauerstoffgas auf einen Zwischendruck teilweise wiederaufgedrückt. Einsatzluft wird dem Eintrittsende der teilweise wiederaufgedrückten Adsorptionszone mit einem höheren als dem Zwischendruck zugeführt. Stickstoff wird selektiv adsorbiert. Gleichzeitig wird Sauerstoff vom Austrittsende der Zone abgezogen, wobei das Einleiten von Einsatzgas, die Stickstoffadsorption und das Ableiten von Sauerstoff derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Druck der Adsorptionszone während dieser Phase von dem Zwischendruck auf einen höheren Druck am Ende der Phase ansteigt.

Die unter ansteigendem Druck ablaufende Adsorptionsphase geht vorzugsweise weiter, bis der höchste Druck des Verfahrens erreicht ist und bis sich die Stickstoffadsorptionsfront vom Eintrittsende aus zu einer Stelle verschoben hat, die zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende liegt. Die Lage der Adsorptionsfront für die eine Komponente ist so gewählt, daß ein erheblicher Teil der Zonenlär.gc stromabwärts der Adsorptionsfront noch nicht in nennenswertem Umfang mit der einen Komponente beladen ist. Danach erfolgt eine Gleichstromdruckminderung der Adsorptionszone für eine ausreichende Dauer, um die Stickstoffadsorptionsfront zum Austrittsende der Zone zu verschieben. Während dieser Zeitspanne wird Sauerstoff von der Zone freigesetzt; er kann benutzt werden, um eine andere Adsorptionszone wiederaufzudrücken oder zu spülen, und/oder er kann als Produkt abgeführt werden. Auf diese Weise wird das Adsorptionsmittel voll ausgenutzt; es wird für eine maximale Ausbeute der weniger stark adsorbierten Komponenten bei hoher Reinheit gesorgt

Jede Phase des Arbeitsspiels des Bettes A sei im folgenden in Verbindung mit den Vorrichtungsteilen der Fi g. 13 erläutert, die bei den während des Arbeitsspiels

auftretenden Änderungen eine Rolle spielen. Drücke, die charakteristisch für das Arbeiten einer Luftzerlegungsanlage mit Calciumzeolith A als Adsorptionsmittel sind, sind mit angegeben; dabei werden die folgenden Begriffe benutzt, um den jeweiligen Enddruck relativ zu kennzeichnen:

BegrilT	Beispielsweise benutzter
	Überdruck
	(bar)
Niedrigster Druck	<0,07
Niedrigerer Zwischendruck	0,70
Ausgleichsdruck	1.41
Höherer Zwischendruck	2,25
Höchster Zwischendruck	2,46
Höchster Druck	2,81

Kl

2D

Zeit 0—10: Das Bett A wird von dem niedrigsten Verfahrensdruck (weniger als 0,07 bar) auf den Ausgleichsdruck (1,41 bar) wiederaufgedrückt; es erfolgt ein Druckausgleich für das Bett B. Ventile 154 und 164 sind offen; Ventile 174 und 184 sind ->> geschlossen. Einsatzluft wird dem Bett A an seinem Eintrittsende von einer Sammelleitung H aus über das Ventil 15.4 zugeführt; gleichzeitig wird an der einen Komponente verarmtes Gas von einer Sammelleitung 12 aus über das Ventil 164 am Austrittsende des Bettes «> A eingeleitet. Das letztgenannte Gas wird dem Bett B entnommen, das einen Druckausgleich über ein Trimmventil 19ßund ein Ventil 16ß erfährt; es strömt über das Ventil 164 und ein Trimmventil 194 in das Bett 4 ein. Während dieser Zeitspanne wird der Druck im s~> Bett B im Gleichstrom abgesenkt; der Gasstrom dauert für ungefähr 10 Sekunden an, bis ein Druckausgleich der Drücke der Betten 4 und B auf ungefähr 1,41 bar hergestellt ist. Während dieser Zeitspanne strömt das Druckausgleichsgas rasch, während der Einsatzluftstrom vom Verdichter begrenzt ist, so daß der Hauptanteil des Gases, mit dem das Bett 4 wieder von Null auf 1,41 bar aufgedrückt wird, das an der einen Komponente verarmte G«s ist; im Falle der Luftzerlegung kann dieses Gas beispielsweise 85% der -n Gesamtgasmenge ausmachen. Währenddessen wird ein weiterer Teil des vom Bett B freigesetzten Gases als Produktgas über die Sammelleitung 12 abgeführt.

Zeit 10-30: Das Ventil 164 wird jetzt geschlossen; Einsatzluft strömt für weitere 20 Sekunden in das Bett 4 ein, so daß dieses den höheren Zwischendruck von ungefähr 2,25 bar erreicht. Gleichzeitig geht die Gleichstromdruckminderung des Bettes B weiter; alles von diesem Bett freigesetzte, an Stickstoff verarmte Gas wird als Produkt über die Sammelleitung 12 abgeführt Während dieser Zeitspanne sinkt der Druck im Bett B von 1,41 bar auf 0,70 bar. Während des Druckausgleichs und der Gleichstromdruckminderung des Bettes B hat sich die Stickstoffadsorptionsfront fortschreitend in Richtung auf das Austrittsende des t>o Bettes bewegt Sie hat jetzt das Austrittsende erreicht, so daß der Durchbruch bevorsteht Infolgedessen kann das Bett kein Gas mit Produktreinheit mehr an die Sammelleitung 12 liefern; das Ventil 16ßschließt Damit der Produktgasstrom ununterbrochen bleibt muß Produktgas dem Bett 4 entnommen werden; das Bett 4 liefert während des restlichen Teils des Wiederaufdrükkens Produktgas.

Zeit 30-35: Das Ventil 164 öffnet erneut; Produktgas strömt weiter vom Bett 4 zur Sammelleitung 12; der Druck im Bett steigt von 2,25 bar auf 2,46 bar. Gleichzeitig öffnet ein Ventil 18ß;ein Abgasauslaßventil 25 schließt; über das Eintrittsende des Bettes B erfolgt eine Gegenstromdruckminderung dieses Bettes auf einen Überdruck von weniger als 0,07 bar.

Zeit 35-60: Während dieses restlichen Teils der mit steigendem Druck ablaufenden Adsorptionsphase des Bettes 4 steigt der Druck im Bett von 2,46 bar auf 2,81 bar an; ein Ventil 17ßund das Ventil 25 sind offen; ein Teil des vom Bett 4 abgeleiteten, an Stickstoff verarmten Gases strömt über Ventile 23 und 24 sowie das Ventil 17S, -im das Bett ßzu spülen.

Zu Beginn des Wiederaufdrückens des Bettes 4 (0-10 Sekunden) über dessen Eintritts- und Austrittsende hat sich eine Stickstoffadsorptionsfront nahe dem Eintrittsende ausgebildet; diese Front verschiebt sich während des restlichen Teils der 10 Sekunden andauernden Phase sowie während der folgenden Wiederaufdrückphasen für die ersten 60 Sekunden des Arbeitsspiels fortschreitend in Richtung auf das Austrittsende. Am Ende dieser Zeitspanne verbleibt eine vorbestimmte Länge an nicht beladenem Bett zwischen der Stickstoffadsorptionsfront und dem Austrittsende.

Zeit 60-70: Das Ventil 154 schließt und das Ventil 16ß wird geöffnet. Es beginnt jetzt der Druckausgleich des Bettes 4 mit dem Bett B, während weiterhin Produktgas abgegeben wird. Der Druck des Bettes 4 wird im Gleichstrom gesenkt, indem Gas am Austrittsende freigesetzt wird. Dieses Gas durchströmt die noch nicht beladene Strecke des Bettes, wo die Stickstoffkomponentc adsorbiert wird. Das austretende, an Stickstoff verarmte Gas wird in zwei Teilen weiterbenutzt. Sauerstoffproduktgas strömt über ein Steuerventil 21 in der Sammelleitung 12 zu der stromabwärts des Ventils 21 befindlichen Verbraucherleitung in solcher Durchflußmenge, daß die Verbraucherleitung auf einem geeignet niedrigen Druck, beispielsweise einem Überdruck von 0,21 bar, gehalten wird. Der restliche größere Teil des an Stickstoff verarmten Gases strömt über die Ventile 16ßund 19ßzum Austrittsende des Bettes B. um dieses teilweise wiederaufzudrücken. Das Bett ß wurde zuvor von Stickstoffadsorbat gespült; es befindet sich zunächst auf dem niedrigsten Druckwert des Verfahrens. Der Strom des an der einen Komponente verarmten Gases vom Bett 4 zum Bett B dauert ungefähr 10 Sekunden an, bis die beiden Betten im wesentlichen den gleichen Ausgleichsdruck von 1,41 bar haben. Während dieser Phase ist das Ventil 15ß offen; das Bett B wird auch über sein Eir.trittsende mit Einsatzluft von der Sammelleitung 11 aus wiederaufgedrückt.

Zeit 70-90: Das Ventil 16ß schließt; zusätzliches an Stickstoff verarmtes Gas wird am Austrittsende des Bettes 4 freigesetzt wodurch dessen Druck im Gleichstrom auf ungefähr 0,70 bar abgesenkt wird. Die gesamte Menge dieses Gases aus dem Bett 4 wird als Produktgas abgeführt Gleichzeitig strömt nur Einsatzluft weiter zum Eintrittsende des Bettes ß, wodurch dieses von 1,41 bar auf 2,25 bar weiter wiederaufgedrückt wird.

Zeit 90-95: Der Druck im Bett 4 wird jetzt im Gegenstrom auf den niedrigsten Verfahrensdruck abgesenkt, indem die Ventile 154, 164 geschlossen werden, das Ventil 184 geöffnet wird und das Ventil 25 geschlossen wird, so daß das Stickstoffdesorbat über

eine Abgassammelieitung 14 freigesetzt wird. Gleichzeitig öffnet das Ventil 16ß; aus dem Austrittsende des Bettes B wird an Stickstoff verarmtes Gas abgegeben; dieses Gas strömt als Produktgas über die Sammelleitung 12 und das Ventil 21. Der Bettdruck steigt von 2,25 ί auf 2,46 bar an, während Stickstoff aus der durch das Bett hindurchströmenden Einsatzluft adsorbiert wird.

Zeit 95- 120: Die Ventile 17Λ und 25 öffnen, ein Teil des an Stickstoff verarmten aus dem Bett B austretenden Gases wird von der Sammelleitung 12 aus über die ι υ Ventile 23 und 24 als Spülgas zum Austrittsende des Bettes A zurückgeleitet Das Spülgas durchströmt das Bett A im Gegenstrom zur Richtung des Einsatzgases; es desorbiert das verbleibende Stickstoffadsorbat. Das erhaltene Abgas wird über das Ventil ISA und die Sammelleitung 14 abgeführt. Gleichzeitig mit dem Spülen des Bettes A wird die Adsorptionsphase des Bettes B weitergeführt, bis der Überdruck im Bett den Wert von 2,81 bar erreicht. Jetzt werden die Ventile 17Λ und \SA geschlossen. Das gespülte Bett A steht erneut zum Wiederaufdrücken entsprechend der vorstehend geschilderten Verfahrensabfolge zur Verfügung.

Kristalline Zeolith-Molekularsiebe, die sich für die vorliegenden Zwecke eignen, haben eine scheinbare Porengröße von mindestens 4 Ä. Vorzugsweise wird mit kristallinen Zeolithen gearbeitet, deren scheinbare Porengröße bei mindestens 4,6 Ä liegt, da sie eine raschere Adsorption und Desorption der Stickstoffmoleküle vor allem im unteren Temperaturbereich erlauben, was zu rascheren Arbeitsspielen führt, als sie mit Zeolithen von kleiner Porengröße erreicht werden können.

Der Begriff :>scheinbare Porengröße« kann als die größte kritische Abmessung der Molekülart definiert werden, die von dem betreffenden Zeolith-Molekularsieb unter normalen Bedingungen adsorbiert wird. Die scheinbare Porengröße ist stets größer als der effektive Porendurchmesser, der als der freie Durchmesser des Silikatringes im Zeolithgefüge definiert werden kann.

Zu den natürlich vorkommenden Zeolith-Molekularsieben, die sich für die vorliegenden Zwecke eignen, gehören Erionit, calciumreicher Chabasit und Faujasit. Geeignete künstliche kristalline Zeolith-Molekularsiebe umfassen die Typen A, R, X, Y, L und T. Zeolithe der Typen X, Y, L und Chabasit sind wegen ihrer vergleichsweise großen Porengröße besonders geeignet.

Eine Ausführungsform, bei der Wärme zum Eintrittsende sowohl mittels einer externen Wärmequelle als auch durch Wärmeleitung über metallische Elemente 7 übertragen wird, ist in Fig. 15 in Verbindung mit einer an sich bekannten (US-PS 36 36 079 und US-PS 37 17 974) Dreibettanlage veranschaulicht. Die Einsatzluft in der Sammelleitung 11 wird mittels eines Verdichters 20 komprimiert; Wärme wird dem Gas in Form von Kompressionswärme zugeführt. Normalerweise wird diese Wärme in einem Nachkühler beseitigt, da das Aufnahmevermögen des Adsorptionsmittel bei höherer Tempeiatur kleiner wird. Diese Kühlung erfolgt im allgemeinen in einem Kanal 50 durch t>o Wärmeaustausch mit Wasser in einem Kanal 51. Da jedoch Kompressionswärme häufig in mehr als für diesen Zweck ausreichender Menge anfällt, kann für eine kontrollierte Wärmezufuhr einfach dadurch gesorgt werden, daß wahlweise ein Teil der komprimier- < >o ten Luft über eine Leitung 52 und ein in dieser Leitung liegendes Steuerventil 53 um den Nachkühler herumgeleitet wird. Entsprechend einer abgewandelten, nicht veranschaulichten Ausführungsform wird die de Einsatzluft zugeführte resultierende Kompressionswär me dadurch geregelt, daß die vom Verdichte: abgegebene Gesamtluftmenge mehr oder minder starl gekühlt wird Dieser Kühlvorgang kann erfolgen, inden die Kühlwassertemperatur oder die Kühlwasserdurch flußmenge geregelt werden.

Ein Vorteil einer solchen zweifachen Wärmeübertra gung auf das Eimrittsende besteht darin, daß in dem Bet kleinere und/oder weniger metallische Elemente benö tigt werden. Außerdem braucht die Einsatzluft wenigei angewärmt zu werden; dies vermindert die Menge dei zusammen mit der Einsatzluft eingeleiteten Feuchtig keit.

Zusätzlich zu den in Verbindung mit den Fig. 13 unc 14 erläuterten Ventilen ist die Anordnung nach F i g. M mit dem dritten Adsorptionsbett zugeordneten Ventiler 15C, 16C, 17C, 18C und 19C sowie mit einen Hauptabgasventil 26 ausgestattet.

Beispiel I
(Vergleichsbeispiel)

Bei Versuchen, die unter Verwendung der Dreibett anlage nach Fig. 15, jedoch ohne Aufwärmung de: Eintrittsendes, durchgeführt wurden, waren die Better 2,44 m lang rnd in Gefäßen von kreisförmigen Querschnitt mit 0,66 m Innendurchmesser unterge bracht. Das Adsorptionsmittel bestand aus 1,6 mrr großen Pellets aus Calciumzeolith A. Die Einsatzluf wurde nicht vorbehandelt, um CO2 zu beseitigen; sie wai mit Wasser gesättigt. Jedes der Gefäße enthielt 544 kf Adsorptionsmittel; der Anlage wurde Einsatzluft ir einer mittleren Durchflußmenge von 258 NmVh be einer Temperatur von 37,8° C zugeführt Der höchst« Überdruck betrug 3,16 bar (absolut). Das Bett A war mi Thermoelementen ausgestattet, die entlang der Achsi der Gefäße zwischen dem Lufteintrittsende und den Austrittsende verteilt waren. Die Betten Z? und Cwarei mit einem axial angeordneten Thermoelement ausgerü stet, das sich 0,6 m tief im Lufteintrittsende des Bette: befand.

Produktgas wurde in einer Menge von 17,9NmVl abgeführt und auf seinen Sauerstoffgehalt analysiert Nach wiederholten Taktfolgen bildete sich im Eintritts ende eine Zone verminderter Temperatur entsprechenc den beiden mittleren Kurven der Fig. 2 aus. Diesf Kurven lassen dem Temperaturverlauf zwischen den kältesten und dem wärmsten Abschnitt der Betten zi jeweils dem gleichen Zeitpunkt erkennen. Für da: Beispiel 1 sind zwei Kurven eingetragen; sie lassen di« Temperaturschwankungen erkennen, die an einei einzelnen Stelle im Bett auftreten. Diese Temperatur Schwankungen sind ein Maß für den zyklischer Temperatureffekt, der adiabatischen Druckkreisadsorp tionsprozessen gemeinsam ist; sie sind sehr klein irr Vergleich zu der Größe des zwischen den Enden de; Bettes ausgebildeten stabilen Temperaturgradienten. Ei ist festzuhalten, daß der Temperaturabfall auf der ersten Zentimetern der Adsorptionsbettlänge verhältnismäßig klein ist, weil dieser Abschnitt mit bevorzugi adsorbierten Luftverunreinigungen (in erster Linie Wasser und CO2) beladen und dort praktisch keir Stickstoff adsorbiert wird. Die Temperatur fällt dann aul den ersten 0,3 m der Bettlänge steil auf einen niedriger Wert ab, der in einem Abstand von 0,3 m vorr Auflagesieb ungefähr -29°C beträgt, so daß die Temperaturdifferenz innerhalb des Eintrittsendes be: 66,7 Grad liegt. Das System stabilisiert sich auf eine

Produktreinheit von nur 88% Sauerstoff bei einer Sauerstoffausbeute von 29,3%.

Beispiel II
(Vergleichsbeispiel)

Bei einem weiteren Versuch mit der gleichen Dreibettanlage, wie sie für das Beispiel I benutzt wurde, wurde der Anlage Einsatzluft in einer mittleren Menge von 256NmVh bei einer Temperatur von 3,3° C zugeführt. Der höchste Oberdruck betrug 3,16 bar (absolut); es erfolgte wiederum kein Anwärmen des Eintrittsendes. Produktgas wurde in einer Durchflußmenge von 21,8 NmVh abgegeben. Nach wiederholten Arbeitsspielen bildete sich im Eintrittsende eine Zone verminderter Temperatur entsprechend den beiden untersten Kurven der Fig.2 aus. Die niedrigste Temperatur betrug ungefähr —55° C in einem Abstand von 0,3 m vom Auflagesieb, so daß die Temperaturdifferenz innerhalb des Eintrittsendes 58,3 Grad beträgt Die Anlage stabilisierte sich auf eine Produktreinheit von 66% Sauerstoff bei einer Sauerstoffausbeute von 26,7%.

Beispiel III

Bei einem weiteren Versuch wurde eine Dreibettvorrichtung benutzt, die mit der in den Beispielen I und II verwendeten Anlage mit der Ausnahme übereinstimmte, daß der Adsorptionsbettdurchmesser 0,61 m betrug. Diese Vorrichtung wurde mit plattenförmigen metallischen Elementen ausgestattet, die in der in den F i g. 5 bis 7 veranschaulichten Weise angeordnet waren. Die Platten bestanden aus Aluminium und waren 1,6 mm dick; sie hatten innerhalb des Adsorptionsbettes einen gegenseitigen Abstand von 76 mm und reichten vom Auflagesieb am Einlaß bis zur Oberseile des Adsorptionsbettes am Produktende. Die Gesamtquerschnittsfläche dieser Aluminiumplatten je m² Adsorptionsmittelquerschnittsfläche betrug 0,0233 m², so daß in der vorstehend angegebenen Formel (1) für den Wert A der Faktor Xbti ungefähr 5,0 liegt

Bei diesem Versuch enthielt jedes Bett 531 kg Calciumzeolith A in Form von 1,6 mm großen Pellets; der Anlage wurde nicht vorgereinigte Luft in einer mittleren Durchflußmenge von 169 NmVh zugeführt Die Anlage stabilisierte sich auf eine Produktreinheit von 93,4% Sauerstoff bei einer Sauerstoffausbeute von 38,4%. Die Gastemperaturverteilung des Bettes A in Längsrichtung ist in Fig.2 wiedergegeben (obere Kurve). Obwohl die Betriebsbedingungen mit denjenigen des Beispiels I nicht identisch sind, sind die doch hinreichend ähnlich, um einen Vergleich zuzulassen. Ohne die Erwärmung des Eintrittsendes hätte die niedrigste Gastemperatur im Eintrittsende bei ungefähr —31,7°C gelegen; die Temperaturdifferenz innerhalb des Bettes hätte ungefähr 66,7 Grad betragen. Mit den Aluminiumelementen betrug die niedrigste Gastemperatur im Bett ungefähr 11,1° C; die Temperaturdifferenz innerhalb des Eintrittsendes lag bei nur 24,4 Grad. Die Sauerstoffproduktreinheit wurde von 88% Sauerstoff auf 93,4% Sauerstoff gesteigert; die Sauerstoffausbeute nahm um ungefähr 31% zu, was eine sehr erhebliche Verbesserung darstellt.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Adsorptionsvorrichtung zum Zerlegen von Luft durcfi selektive Adsorption von Stickstoff, bei der mindestens zwei parallel zueinander angeordnete wärmeisolierte, Zeolith aJs Adsorptionsmittel enthaltende Adsorptionsbetten vorgesehen sind, wobei jedes Adsorptionsbett aus einem Gefäß besteht, das unten einen Einlaß für die zu zerlegende Luft und oben einen Auslaß für das Sauerstoffprodukt enthält und am unteren Ende mit einer in Querrichtung verlaufenden Bettauflageplatte versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich mehrere metallische Elemente (7), die an der Bettauflageplatte (4) am Einlaß anliegen, parallel zueinander und quer zur Querschnittsabmessung des Adsorptionsbettes (S) über mindestens ein Drittel der Länge des Adsorptionsbettes in gleichem gegenseitigem Abstand erstrecken.

2. Adsorptionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (7) eine Gesamtquerschnittsfläche A (in m²/m² Querschnittsfläche des Adsorptionsmittels) von 2Ί