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Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen eines Oasgemisches
unter Druck durch überleiten über ein Kohlenstoffmolekularsieb, das mindestens eine
Komponente des Gasgemisches bevorzugt vor den anderen Komponenten zu adsorbieren
vermag, Abziehen eines an einer oder mehreren anderen Komponenten angereioherten
Gasstromes, Senken des Druckes über dem Kohlenstoffmolekularsieb zur Regenerierung
unter Freisetzung eines an mindestens der einen Komponente angereicherten Gasstromes,
Druokerhöhung Uber dem Kohlenstoffmolekularsieb und neuerliches Uberleiten des Gasgemisches.
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Aus der DT-OS 24 41 447 ist ein Verfahren zur Gewinnung von stickstoffreichen
Gasen aus neben N2 wenigstenr, O2 enthaltenden Gasen, wie z.B. Luft, bekannt, bei
dem die Luft unter erhöhtem Druck Uber ein Kohlenstoffmolekularsieb geleitet wird,
wo vorzugsweise Sauerstoff adsorbiert wird, so daß wEhrend der Adsorption zunächst
ein stickstoffreiches Gas abströmt.
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Die Umschaltung auf Desorption erfolgt, sobald der durchgebrochene
Stickstoff einen vorgehalten Grenzgehalt an 02 erreicht hat. Zum Zwecke der Desorption
wird bei dem bekannten Verfahren der Druck über dem Kohlenstoffmolekularsieb bis
unter 100 Torr gesenkt.
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Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es energetisch
außerordentlich aufwendig ist, denn die Adsorption wird im Bereich von 2 bis 5 bar,
die Desorption unter 100 Torr, vorzugsweise bei 20 bis 70 Torr, vorgenommen, so
daß nicht nur zur Erzeugung des Vakuums ein erheblicher Arbeitsaufwand notwendig
ist, sondern zur Überwindung der Druckdifferenz auch eine erhebliche Kompressionsarbeit
aufgebracht werden muß, da das Druckverhaltnis zwischen Ad- und Desorptionsdruck
im Extremfall wie 200 : 1 ist. Außerdem sind bei dem bekannten Verfahren die Investitionskosten
durch die Notwendigkeit der Bereitstellung eines Vakuumpumpstandes hoch und die
St#ranf#lligkeit und das damit verbundene Risiko eines Produktionsausfalles groß.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Zerlegen von Gasgemischen unter Verwendung von Kohienstoffmolekularsieben
anzugeben, das es gestattet, Gasgemische energetisch wesentlich vorteilhafter zu
zerlegen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß der Druck
bei der Regenerierung nicht unter Atmosphärendruck gesenkt wird.
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Kohlenstoffmolelcularsiebe haben gegenüber anderen Molekularsieben,
wie Zeolithen, den Vorteil, daß sie nicht durch die Vorschaltung anderer Adsorptionsmittel,
wie z.B.
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Silikagel oder Aktivkohle, vor dem Einwirken von Wasser und C02, d.h.
den in den meisten technischen und naturlichen Gasgemischen vorkommenden Verunreinigungen,
geschützt werden mUssen, sondern diese Bestandteile ohne irgendwelche Störungen
neben den erwUnschten Komponenten des Gasgemisches zu adsorbieren vermögen.
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Bei der Desorption der zuvor adsorbietten Komponenten werden auch
diese an sich unerwünschten Bestandteile zwanglos mitdesorbiert.
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Allerdings war die Fachwelt bisher der Meinung, diese Mitadsorption,
insbesondere von Wasserdampf, erfordere eine Desorption bei einem Druck, der weit
unter dem atmosphärischen liegen mUsse und maximal 100 Torr betragen durch, da sonst
die Gefahr bestUnde, daß das Kohlenstoffmolekularsieb im Dauerbetrieb allmählich
mit #20-MolekUlen so weit besetzt werden wUrde, daß die Trennfahigkeit des Kohlenetoffmolekularsiebes
hinsichtlich der anderen Komponenten absinken wUrde.
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Erfindungsgemäß wurde jedoch nunmehr erkannt, daß diese Beftirchtungen
auf Vorurteilen basierten und Trennverfahren unter Verwendung von Kohlenstoffmolekularsieben
auch durchgeführt werden können, wenn der Druck bei der Desorption nicht unter Atmosphärendruck
abgesenkt wird, d.h. wenn die Desorption ohne Zuhilfenahme einer Vakuumpumpe durchgeführt
wird.
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Wie durch Versuche belegt werden konnte, nimmt auch nach einer Betriebszeit
von mehr als 1000 Stunden die Aufnahmefähigkeit eines Kohlenstoffmolekularsiebes
hlnslchtllch der erwünschten Komponente des Gasgemisches nicht ab, wenn bei Einsatz
feuchter Gasgemische die Desorption bei DrUcken nicht unter Atmosphärendruck vorgenommen
wird, sogar wenn diese Gasgemische mit Wasserdampf gesättigt in das Kohlenstoff:nolekularsiebbett
eintreten.
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Es hat sich als zweckmEßlg erwiesen, das erfindungsgemäßeA#sorptionsverfahren
bei Adsorptionsdrücken nicht unter 4 bar zu betreiben, nicht, weil es bei niedrigeren
Drücken nicht durchfUhrbar wäre, sondern, weil es bei letzteren hinsichtlich der
Ausbeute zu wUnschen Ubrig läßt.
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Eine noch bessere Ausbeute lEßt sich allerdings bei höheren DrUcken
erzielen, beispielsweise 12 bar. Allerdings ist selbstverständlich auch der Kompressionsaufwand
größer.
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Ein weiterer Vorteil beim Betrieb bei höheren AdsorptionsdrUcken
liegt aufgrund der mit dem Druck stark zunehmenden Produktmenge in den kleineren
Adsorberabmessungen, die tur eine vorgegebene Sollmenge zu wählen sind.
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Insgesamt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Druckverhältnis
zwischen Ad- und Desortionsdruck von 4 bis 14 zweckmäßig, ein solches von 4 bis
6 bevorzugt.
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Wenn allerdings in einem Betrieb bereits Kompressoren vorhanden sind
und wenn der spezifische Energiebedarf keine ausschlaggebende Rolle spielt, ist
es zweckmäßig, das erfindungsgemäß Verfahren auch bei wesentlich höheren Druckverhältnissen,
z.B. 20, zu betreiben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf alle Gasgemische anwenden,
deren Bestandteile an Kohlenstoffmolekularsieb eine unterschiedliche Adsorptionsfähigkeit
aufweisen.
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So läßt sich das Verfahren der Erfindung auf die Zerlegung von Luft
anwenden, insbesondere mit dem Ziel, an Stickstoff angereichertes- Gas mit e inem
Restsauerstoffgehalt bis 1 Vol-% herab zu gewinnen. Ein solcher Stickstoff kann
in der Technik fllr vielerlei Zwecke eingesetzt werden. So wird er beispielsweise
zur Inertisierung oder zum Ausspülen oder zum Schutz von o Benzin-, Teer- oder Methantanks
eingesetzt. Er kann weiterhin bei chemischen Prozessen verwendet werden, wo er die
Aufgabe hat, explosible Mischungen zwischen Gasbestandteilen aus dem Prozeß und
darUber befindlicher Luft zu vermeiden. Außerdem kann derartiger Stickstoff zur
Einstellung des Brennwertes eines Erdgasgemisches, also zum Konditionieren von Erdgas,
dienen. In der Lebensmittelindustrie wird Stickstoff schließlich zu Konservierungazwecken
eingesetzt (Bierabttlllung etc.).
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Bei der Zerlegung von Luft zur Stickstoffgewinnung beträgt die durch
das erfindungsgemäße Verfahren erzielbare Aus -beute bei einem Adsorptionsdruck
von 4 bar und einem 02 -Re stgehalt im Irodukt von 3 Vol-% etwa 40 40. Eine noch
bessere Ausbeute läßt sich allerdings beispielsweise bei 12 bar erzielen. Dort kommt
die Ausbeute bei 3 Vol- o, im N fast an 50 % heran.
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2 Die Erfindung sei weiterhin anhand eines schematisch dargestellten
AusfUhrungsbeispiels erläutert.
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In der in der Figur dargestellten Anlage sind mit 1 und 2 zwei Adsorber
bezeichnet, die mit Je 700 g Kohlenstoffmolekularsieb ausgestattet sind. Die Funktionen
der beiden Adsorber können taktweise vertauscht werden.
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Durch Leitung 3 und Ventil 4 tritt Luft unter Druck in den Adsorber
1 ein. Der CO2 -Gehalt der Luft beträgt etwa 300 ppm. der Feuchtigkeitsgehalt der
Luft entspricht dem Sättigungszustand bei Umgebungstemperatur. Im Adsorber 1 wird
vom Xohlenstoffmolekularsieb Sauerstoff bevorzugt vor Stickstoff adsorbiert, so
daß durch die Ventile 5 und 6 und die Leitung 7 ein stickstorfreiches Gas abströmt.
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Der Sauerstoffgehalt dieses Gases ist nicht konstant.
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Er schwankt vielmehr um einen bestimmten Mittelwert und steigt mit
zunehmender Dauer des Betriebes des Adsorbers 1 im allgemeinen an. Es wurde jedoch
auch beobachtet, daß der Sauerstoffgehalt des ab strömenden Gases eine kurze Zeit
nach Umschalten eines Jeweili-
gen Adsorbers auf Adsorption relativ
stark ansteigt, was wahrscheinlich darauf zurtlckzufUhren ist, daß beim Wiederaufdrilcken
eines Adsorbers nach der Entspannung zum Zwecke der Regenerierung die Druckwelle
im Adsorber vor der Adsorptionsfront herläuft und auf diese Weise etwas Sauerstoff
durchbricht.
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Im praktischen Betrieb wird daher der Sauerstoffgßhalt des durch
leitung 7 strömenden Gases gemessen. Wenn beispielsweise ein Stickstoff mit 3 s
Sauerstoff angestrebt wird, dann darf die Schwankungsbreite des Sauerstoffgehaltes
zwischen etwa 2 und 4 % liegen. Beim Uberschreiten eines Gehaltes von etwa 4 % Sauerstoff
im abstrdmenden Gas wird der Adsorber durch Schließen der Ventile 4 und 5 abgeschaltet,
so daß letztlich die mittlere Sausrstoffkonzentrstion des erzeugten Produktstickstoffs
bei 3 ß liegt. Bei der Gewinnung von Stickstoff mit etwa 1 % Sauerstoff darf die
Schwankungsbreite etwa 0,8 bis 1,2 % 02 betragen.
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Während im Adsorber 1 die Adsorption von Sauerstoff abläuft, wird
der Adsorber 2 durch #ffnen der Ventile 8 und 9 desorbiert. Durch Leitung 10 fließt
dabei ein Gasgemisch ab, dessen Sauerstoffgehalt gegenüber dem der Luft erhöht ist
und das außerdem die mitadsorbierte Kohlensäure und das mitadsorbierte Wasser enthält.
Zu dem Zeitpunkt, wo der Druck im Inneren des Adsorbsrs 2 den Atmcsphärendruck erreicht
hat und die Desorption der adsorbierten Komponenten hinreichend fortgeschrit-
ten
ist, werden die Ventile 8 und 9 geschlossen und die Ventile 5 und 11 geöffnet, während
sämtliche anderen Ventile geschlossen werden oder bleiben, so daß nunmehr Uber das
Auslaßende des Adsorbers 1 ein Druckausgleich mit dem Adsorber 2 herbeigefUhrt wird.
Da bei diesem Druckausgleich zunächst das in den Zwischenräumen des Adsorbers 1
befindliche Gas in den Adsorber 2 Ubertritt und dieses Gas am Auslaßende des Adsorbers
1 Uberwiegend aus Stickstoff besteht, wird eine am Auslaßende des Adsorbers 2 gegebenenfalls
befindliche Restbeladung an Sauerstoff in Richtung auf das Einlaßende des Adsorbers
2 zurUckgeschoben. Das Ergebnis ist ein geringerer Sauerstoffanteil im Produkt stickstoff
in der nachfolgenden Adsorptionsphase des Adsorbers 2.
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Es besteht die Möglichkeit, außer den Ventilen 5 und 11 zum Druckausgleich
auch die Ventile 8 und 12 zu öffnen, so daß der Druckausgleich sowohl Uber die Aus
daß als auch Uber die Einlaßenden der beiden Adsorber erfolgt. Auf diese Weise läßt
sich im nachfolgenden Adsorptionstakt im Adsorber 2 eine noch größere Produktreinheit
erzielen, denn das in den Zwischenräumen des Adsorbers 1 befindliche Gas ist an
seinem Einlaßende sauerstoffreicher als an seinem Auslaßende. Dieses sauerstoffreiche
Gas, welches bei der ersten Variante des Druckauagb ichs über das Auslaßende des
Adsorbers 1 in das Auslaßende des Adsorbers 2 gelangen würde, strömt bei der zweiten
Variante Uber das Einlaßende ein, so daß das Auslaßende des Adsorbers 2 weniger
mit Sauerstoff verunreinigt wird.
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Nach erfolgtem Druckausgleich wird der Adsorber 2 durch Schließen
des Ventils 11 und gegebenenfalls auch des Ventils 8 und Offnen des Ventils 13 Uber
Leitung 3 mit Druckluft beaufschlagt, bis der Adsorptionsdruck erreicht ist. Nach
Erreichen desselben wird Ventil 11 geöffnet und über Leitung 7 und Ventil 6 stickstoffreiches
Produkt abgezogen.
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Gleichzeitig mit der Druckbeaufschlagung des Adsorbers 2 wird der
Adsorber 1 durch Schließen des Ventils 5 und##ffnen der Ventile 12 und 9 desorbiert,
wobei sauerstoffreiches Gas durch Leitung 10 abströmt.
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Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse einiger Versuche wieder,
die mit Hilfe der soeben geschilderten Apparatur unter Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens durchgerührt wurden.
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Tabelle
| Versuch Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
| Durchflußmenge Nl/h 100 160 200 195 265 305 370 480 560 |
| des Einsatz- |
| gases |
| Druck nach bar 2,5 2,5 2,5 3,5 3,5 3,5 5,5 5,5 5,5 |
| Druckausgle ich |
| Druck bei Ad- bar 4 4 4 6 6 6 10 10 10 |
| sorption |
| Produktmenge Nl/h 10 36 60 20 75 110 40 140 210 |
| (N2) |
| 02-Restgehalt Vol-% 1 2 3 1 2 3 1 3 |
| im Produkt |
| Produktausbeu- ffi 12,5 27,9 36,8 12,9 35,1 44,3 13,5 36,2
46,o |
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Hinsicht ich seiner Zyklusdauer ist das erfindungsgemäße Verfahren
nicht beschzlLnkt. Seine Vorteile vermag es Jedoch insbesondere bei den sogenannten
adiabatischen Druckwechselverftiren zu entfalten, die in Jüngerer Zeit entwickelt
wurden und die sich durch sehr kurze Zyklen in der Größenordnung von 1 biß 3 min
auszeichnen, so daß die Dauer der verschiedenen Phasen in den einzelnen, zyklisch
gewechselten Adsorbern in der Größenordnung von nur einigen Sekunden liegt.
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Leerse ite