DE2702785C2 - Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches - Google Patents

Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches

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Description

Die Erfinduag betrifft ein Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches unter Druck durch Überleiten über ein Köhlenstoffinolekülarsieb, das mindestens eine Komponente des Gasgemisches bevorzugt vor den anderen Komponenten zu adsorbieren vermag. Abziehen eines an einer oder mehreren anderen Komponenten angereicherten Gasstromes, Senken des Druckes über dem Kohlenstoffmolekularsieb zur Regenerierung unter Freisetzung eines an mindestens der einen Komponente angereicherten Gasstromes, Druckerhöhung über dem Kohlenstoffmolekularsieb und neuerliches Überleiten des Gasgemisches.
Aus der DE-OS 24 41 447 ist ein Verfahren zur Gewinnung von stickstoffreichen Gasen aus neben N2 wenigstens O2 enthaltenden Gasen, wie z. B. Luft bekannt, bei dem die Luft inner erhöhtem Druck über ein Kohlenstoffmolekularsieb geleitet wird, wo vorzugsweise Sauerstoff adsorbiert wird, so daß während der Adsorption zunächst ein stickstoffreiches Gas abströmt Die Umschaltung auf Desorption erfolgt sobald der durchgebrochene Stickstoff einen vorgewählten Grenzgehalt an O2 erreicht hat Zum Zwecke der Desorption wird bei dem bekannten Verfahren der Druck über dem Kohlenstoffmolekularsieb bis unter 100 Torr gesenkt
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 aur zoir Erzeugung des Vakuums ein erheblicher Arbeitsaufwand notwendig ist sondern zur Überwindung der Di ackdifferenz auch eine erhebliche Kompressionsarbeit aufgebracht werden muß, da das Druckverhältnis 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 Störanfälligkeit und das damit verbundene Risiko eines Produktionsausfalles groß.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zerlege.-* von Gasgemischen unter Verwendung von Kohlenstoffmolekularsieben anzugeben, das es gestattet, Gasgemische energetisch wesentlich vorteilhafter zu zerlegen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren adiabatisch geführt und der Druck bei der Regenerierung ohne Erhöhung der Temperatur nicht unter Atmosphärendruck gesenkt wird.
Kohlenstoffmolekularsiebe haben gegenüber anderen Molekularsieben, wie Zeolithen, den Vorteil, daß sie nicht durch die Vorschaltung anderer Adsorptionsmittel, wie z. B. Silikagel oder Aktivkohle, vor dem Einwirken von Wasser und CO2, d. h. den in den meisten technischen und natürlichen Gasgemischen vorkommenden Verunreinigungen, geschützt werden müssen, sondern diese Bestandteile ohne irgendwelche Störungen neben den erwünschten Komponenten des Gasgemisches zu adsorbieren vermögen. Bei der Desorption der zuvor adsorbierten Komponenten werden auch diese an sich unerwünschten Bestandteile zwanglos mitdesorbiert.
Allerdings war die Fachwelt bisher der Meinung, diese Mitadsorption, insbesondere von Wasserdampf, erfordere eine Desorption bei einem Druck, der weit unter dem atmosphärischen liegen müsse und maximal 100Torr betragen dürfe, da sonst die Gefahr bestünde, d?ß das Kohlenstoffmolekularsieb im Dauerbetrieb allmählich mit H2O-MoleküIen so weit besetzt werden würde, daß die Trennfähigkeit des Kohlenstoffmolekularsiebes hinsichtlich der anderen Komponenten absinken würde.
Erfindungsgemäß wurde jedoch nunmehr erkannt, daß diese Befürchtungen 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.
Es wurde weiterhin erfindungsgemäß erkannt, daß zur Regenerierung der Kohlenstoffmolekularsiebe, auch wenn sie über längere Zeit im Dauerbetrieb mit feuchten Gasen standen, keine Temperaturerhöhung auf z. B.
1200C notwendig ist, wie sie in DE-OS 23 05 435 nach längerer Benutzung zur Wasserentfernung vorgeschlagen wurde.
Wie durch Versuche belegt werden konnte, nimmt auch nach einer Betriebszeit von mehr als 1000 Stunden die Aufnahmefähigkeit eines Kohlenstoffmolekularsiebes hinsichtlich der erwünschten Komponente des Gasgemisches nicht ab, wenn bei Einsatz feuchter Gasgemische die Desorption bei Drücken nicht unter Atmosphärendruck vorgenommen wird, sogar wenn diese Gasgemische mit Wasserdampf gesättigt in das Kohlenstoffmolekularsiebbett eintreten und auch, wenn die Kohlenstoffmolekularsiebbetten nicht von Zeit zu Zeit durch Tempe-
raturerhöhung regeneriert werden.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das erfindungsgemäße Adsorptionsverfahren bei Adsorptionsdrücken nicht unter 4 bar zu betreiben, nicht, weil es bei niedrigeren Drücken nicht durchführbar wäre, sondern, weil es bei letzteren hinsichtlich der Ausbeute zu wünschen übrig läßt
Eine noch bessere Ausbeute läßt sich allerdings bei höheren Drücken erzielen, beispielsweise 12 bar. Allerdings ist selbstverständlich auch der Kompressionsaufwand größen
Ein weiterer Vorteil beim Betrieb bei höheren Adsorptionsdrücken liegt aufgrund der mit dem Druck stark zunehmenden Produktmenge in den kleineren Adsorberabmessungen, die für eine vorgegebene Sollmenge zu wählen sind.
Insgesamt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Druckverhältnis zwischen Ad- und Desorptionsdruck von 4 bis 14 zweckmäßig, ein solches von 4 bis 6 bevorzugt
Wenn allerdings in einem Betrieb bereits Kompressoren vorhanden sind und wenn der spezifische Energiebedarf keine ausschlaggebende Rolle spielt, ist es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Verfahren auch bei wesentlich höheren Druckverhältnissen, z. B. 20, zu betreiben.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf alle Gasgemische anwenden, deren Bestandteile an Kohlenstoffmolekularsieb eine unterschiedliche Adsorptionsfähigkeit aufweisen.
So läßt sich das Verfahren der Erfindung auf die Zerlegung von Luft anwenden, insbesondere mit dem Ziel, an Stickstoff angereichertes Gas mit einem Restsauerstoffgehalt bis 1 Vol-typ herab zu gewinnen. Ein solcher Sticksteif kann in der Technik für vielerlei Zwecke eingesetzt werden. So wird er beispielsweise zur Inertisierung oder zum Ausspülen oder zum Schutz von öl-, 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 darüber 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 Konservierungszwecken eingesetzt (Bierabfüllung etc.).
Bei der Zerlegung von Luft zur Stickstoffgewinnung beträgt die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielbare Ausbeute bei einem Adsorptionsdruck von 4 bar und eimern 02-Restgehalt im Produkt von 3 Vol-% etwa 40%. Eine noch bessere Ausbeute IaBi sich allerdings beispielsweise bei Ί2 bar erzielen. Dort kommt die Ausbeute bei 3 Vol-% O2 im N2 fast an 50% heran.
Die Erfindung sei weiterhin anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert
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.
Durch Leitung 3 und Ventil 4 tritt Luft unter Druck in den Adsorber 1 ein. Der CCh-Gehalt der Luft beträgt etwa 300 ppm. Der Feuchtigkeitsgehalt der Luft entspricht dem Sättigungszustand bei Umgebungstemperatur. Im Adsorber 1 wird vom Kohlenstoffmolekularsieb Sauerstoff bevorzugt vor Stickstoff adsorbiert, so daß durch die Ventile 5 und 6 und die Leitung 7 ein stickstoffreiches Gas abströmt.
Der Sauerstoffgehalt dieses Gases ist nicht konstant 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 abströmenden Gases eine kurze Zeit nach Umschalten eines jeweiligen Adsorbers suf Adsorption relativ stark ansteigt, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, daß beim Wiederaufdrücken eines Adsorbers nach der Entspannung zum Zwecke der Regenerierung die Druckwelle im Adsorber vor der Adsorptionsfront herläuft und auf diese Weise etwas Sauerstoff durchbricht.
Im praktischen Betrieb wird daher der Sauerstoffgehalt des durch Leitung 7 strömenden Gases gemessen. Wenn beispielsweise ein Stickstoff mit 3% Sauerstoff angestrebt wird, dann darf die Schwankungsbreke des Sauerstoffgehaltes zwischen etwa 2 und 4% liegen. Beim Überschreiten eines Gehaltes von etwa 4ψ·> Sauers-.off im abströmenden Gas wird der Adsorber durch Schließen der Ventile 4 und 5 abgeschaltet, so daß letztlich die mittlere Sauerstoffkonzentration des erzeugten Produktstickstoffs bei 3% liegt. Bei der Gewinnung von Stickstoff mit etwa 1 % Sauerstoff darf die Schwankungsbreite etwa 0,8 bis 1,2% O2 betragen.
Während im Adsorber 1 die Adsorption von Sauerstoff abläuft, wird der Adsorber 2 durch öffnen 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 Adsorbers 2 den Atmosphärendruck erreicht hat und die Desorption der adsorbierten Komponenten hinreichend fortgeschritten 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 über das Auslaßende des Adsorbers 1 ein Druckausgleich mit dem Adsorber 2 herbeigeführt wird. Dc bei diesem Druckausgleich zunächst das in den Zwischenräumen des Adsorbers 1 befindliche Gas m den Adsorber 2 übertritt und dieses Gas am Auslaßende des Adsorbers 1 überwiegend aus Stickstoff besteht, wird eine am Auslaßende des Adsorbers 2 gegebenenfalls befindliche Restbeladung an Sauerstoff in Richtung auf das Einlaßende des Adsorbers 2 zurückgeschoben. Das Ergebnis ist ein geringerer Sauerstoffanteil im Produktstickstoff in der nachfolgenden Adsorptionsphase des Adsorbers 2.
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 über die Auslaß- als auch über 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 ais an seinem Auslaßende. Dieses sauerstoffreiche Gas, welches bei der ersten Variante des Druckausgleichs über das Auslaßende des Adsorbers i in das AuslaBende des Adsorbers 2 gelangen würde, strömt bei der zweiten Variante über das Einlaßende ein, so daß das Auslaßende des Adsorbers 2 weniger mit
Sauerstoff verunreinigt wird.
Nach erfolgtem Druckausgleich wird der Adsorber 2 durch Schließen des Ventils 11 und gegebenenfalls auch des Ventils 8 und Öffnen des Ventils 13 über 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.
Gleichzeitig mit der Druckbeaufschlagung des Adsorbers 2 wird der Adsorber I durch Schließen des Ventils 5 und öffnen der Ventile 12 und 9 desorbiert, wobei sauerstoffreiches Gas durch Leitung 10 abströmt.
Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse einiger Versuche wieder, die mit Hilfe der soeben geschilderten Apparatur unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wurden.
Tabelle
Nl/h Versuch Nr. 2 3 4 5 b 7 8 9
I 160 200 195 265 305 370 480 560
Durchflußmenge des bar 100
Einsatzgases 2.5 2,5 3,5 3,5 3.5 5.5 D.5 5.5
Druck nach bar 2.5
Druckausgleich 4 4 6 6 6 10 10 10
Druck bei Nl/h 4
Adsorption Vol-% 36 60 20 75 110 40 140 210
F'roduktmenge (N2) 10 2 3 1 2 3 1 2 3
C)2-Restgehalt im % 1
Produkt 27,9 36,8 12,9 35,1 44.3 13,5 36,2 46,0
Produktausbeute 12,5
Das Verfahren der Erfindung gestattet es außerdem, aus Luft ein an Sauerstoff angereichertes Gas zu gewinnen.
Zu diesem Zweck wird durch Leitung 3 und Ventil 4 dem Absorber 1 Luft unter einem Druck von mehr als 4 bar zugeführt. Der Adsorber ί ist, ebenso wie der Adsorber 2, mit Äohlenstoffmolekularsieb beschickt. Infolge unterschiedlicher Adsorptionsgeschwindigkeiten werden Sauerstoff. Wasserdampf und CO2 vom Kohlenstoffmolekularsieb bevorzugt aufgenommen. Der durch die Ventile 5 und 6 und Leitung 7 abströmende Gasstrom hat einen geringen Sauerstoff-Restgehalt. Während der Adsorber 1 auf Adsorption geschaltet ist, wird der in der vorhergehenden Schaltphase beladene Adsorber 2 durch Entspannen im Gegenstrom regeneriert. Dazu werden die Ventile 8 und 9 geöffnet, so daß das Desorptionsgas durch Leitung 10 abströmen kann. Dieses Desorbat (Produkt) ist bis 50 Vol-°/o an Sauerstoff angereichert.
Sobald die OrKonzentration am Austritt des Adsorbers 1 einen Wert erreicht hat, der nahezu dem O2-Gehalt der eingespeisten Luft entspricht, erfolgt entweder über die Ventile 5 und 11 oder über die Ventile 8 und 12 ein schneller Druckausgleich zwischen beiden Adsorbern über deren Austritts- bzw. Eintrittsenden.
Anschließend wird der Adsorber 1 durch öffnen der Ventile 12 und 9 regeneriert. Als Desorbat strömt durch Leitung 10 ein bis zu 50 Vol-% an Sauerstoff angereichertes Gas ab.
Der Adsorber 2 wird gleichzeitig bei geschlossenem Ventil 11 mit Luft auf einen Druck gebracht, der zwischen dem nach erfolgtem Druckausgleich und dem Adsorptionsenddruck liegt Anschließend strömt die Luft bei geöffneten Ventilen 1 i und 13 bei weiter ansteigendem Druck durch den Adsorber 2.
Sobald sich der O2-Gehalt am Austritt des Adsorbers 2 dem O2-Gehalt der eingespeisten Luft nähert, erfolgt wiederum ein Druckausgleich zwischen beiden Adsorbern, und es wiederholt sich der geschilderte Ablauf.
Zur Erhöhung des O2-Gehaltes des bei der Regenerierung (Entspannung) anfallenden Produktes ist es zweckmäßig, eine erste Fraktion des Entspannungsgases als Restgas (Auspuff) abzutrennen. Dabei wird der im Leervolumen des Adsorbers enthaltene Stickstoff teilweise ausgeschleust und anschließend ein O2-reicheres Produkt gewonnen.
Die Gewinnung sauerstoffreichen Gases aus Luft sei anhand eines praktischen Beispiels erläutert
Die beiden Absorber 1 und 2 enthielten je 700 g Kohienstoffmolekularsieb zur selektiven Adsortion · .>n Sauerstoff. Das Einsatzgas war Luft unter einem Druck von 6 bar. Eine Vorbehandlung zur Beseitigung kleiner Anteile an Verunreinigungen war nicht erfolgt Der CO2-Gehalt war normal (ca. 300 ppm). Der Feuchtigkeitsgehalt entsprach dem Sättigungszustand.
Die Dauer eines Zyklus betrug 60 see, wobei 1 see für den Druckausgleich, 3 see für den Druckaufbau, 3 see für die erste Entspannung (Auspuff), 56 see für die zweite Entspannung (Produkt) und 56 see für die Adsorption vorgesehen waren.
Die Messungen wurden bei einem Adsorptionsdruck von 6 bar und einem Regenerierdruck von 0,96 bar (entsprechend Umgebungsdruck) durchgeführt.
Ergebnis:
Luftstrom (760 Torr; 0° C): 480 l/h 1160 l/h
Produktstrom (760 Torr; 00C): 132 l/h 1421/11
O2-Gehalt im Produkt: 44 Vol-% 493 VoI-
02-Ausbeute: 57,6% 283%-
Hinsichtlich seiner Zyklusdauer ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht beschränkt. Seine Vorteile vermag
es jedoch insbesondere bei den sogenannten adiabatischen Druckwechselverfahren zu entfalten, die in jüngerer
Zeit entwickelt wurden und die sich durch sehr kurze Zyklen in der Größenordnung von 1 bis 3 min auszeichnen,
so daß die Dauer der verschiedenen Phasen in den einzelnen, zyklisch gewechselten Adsorbern in der Größenordnung von niT einigen Sekunden liegt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches unter Druck durch Oberleiten 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 angereicherten Gasstromes, Senken des Druckes über dem Kohlenstoffmolekularsieb zur Regenerierung unter Freisetzung eines an mindestens der einen Komponente angereicherten Gasstromes, Druckerhöhung über dem Kohlenstoffmolekularsieb und neuerliches Oberleiten des Gasgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren adiabatisch geführt und der Druck bei der Regenerierung ohne Erhöhung der Temperatur
ίο nicht unter Atmosphärendruck gesenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckverhältnis zwischen Ad- und Desorptionsdruck 4 bis 6 ist
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckverhältnis zwischen Ad- und Desorptionsdruck 4 bis 14 ist
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Druckverhältnis zwischen Ad- und Desorptionsdruck etwa 20 ist
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