DE2855626A1 - Verfahren zum heraustrennen von sauerstoff aus einem sauerstoff, stickstoff und argon enthaltenden gasgemisch - Google Patents

Verfahren zum heraustrennen von sauerstoff aus einem sauerstoff, stickstoff und argon enthaltenden gasgemisch

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Description

P A T E N T A N VV A L T
Dipl. ixng. R. HOJLZER
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ECHOl'EEN DES BREVETS
8900 AUGSBURG
TELEFON 0821/516*75 TEL)SX 532202 PATOIiD
W. 97
Augsburg, den 19· Dezember 1978
BOC Limited, Hammersmith House, London W6 9DX, England
Verfahren zum Heraustrennen von Sauerstoff aus einem Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthaltenden Gasgemisch
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heraustrennen von Sauerstoff aus einem Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthaltenden Gasgemisch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
Dabei handelt es sich um eine Weiterbildung einer in der DE-OS 26 31 890 beschriebenen Erfindung.
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Die Verwendung von selektiv adsorbierenden Materialien zur Anreicherung bestimmter Komponenten von Gasgemischen ist bekannt. Beispielsweise ist es aus der GB-PS 1 449 864 zur Gewinnung eines sauerstoffreichen Gases aus Luft bekannt, die Luft durch ein bevorzugt Stickstoff adsorbierendes Adsorptionsbett, beispielsweise ein Zeolith-Molekularsieb hindurchzuleiten und das wieder aus diesem Adsorptionsbett austretende, nicht adsorbierte Gas als Produkt zu sammeln. In der Praxis findet ein zyklischer Betrieb statt, wobei ein Zyklus jeweils eine Speisegas-Zufuhrphase, während welcher das Speisegas durch das Adsorptionsbett hindurchgeleitet und das Produkt gesammelt wird, weiter eine Regenerationsphase, während welcher das Adsorptionsbett durch Evakuieren oder anderweitige Desorption der adsorbierten Gase regeneriert wird, und eine Rückfüllphase zur Vorbereitung des Adsorptionsbettes auf den jeweils folgenden Zyklus aufweist« In einem ähnlichen Verfahren können auch bevorzugt Sauerstoff adsorbierende Adsorptionsmaterialien, beispielsweise ein Kohle-Molekularsieb, zur Gewinnung eines sauerstoffreichen Gases aus Luft Anwendung finden. In diesem Falle wird das vom Adsorptionsbett adsorbierte Gas während der Regnerationsphase jedes Zyklus als Produkt gesammelt.
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— Q _
Obwohl Gastrennverfahren rait Hilfe von im Druckwechselbetrieb betriebenen Adsorptionsbetten eine im Vergleich zu herkömmlichen cryogenen Luftzerlegungsverfahren einfache und billige Möglichkeit der Herstellung sauerstoffreichen Gases aus Luft darstellen, ist ihre Brauchbarkeit in der Praxis dadurch beschränkt, daß diese Adsorptionsverfahren nicht in der Lage sind, ein Produkt mit der für viele Anwendungen erforderlichen hohen Reinheit zu liefern. Darunter ist ein Produkt zu verstehen, das einen Sauerstoffgehalt im Bereich von 99 % oder darüber aufweist.
Man kann durch verschiedene Verfeinerungen der genannten grundsätzlichen Adsorptionsverfahren eine Verbesserung der Produktreinheit erzielen, aber selbst dann liegt die größtmögliche Produktreinheit, die bei einem Adsorptionsverfahren mit einem Zeolith-Molekularsieb erreicht werden kann, nicht über 95 % Sauerstoffgehalt und bei einem Adsorptionsverfahren mit einem Kohle-Molekularsieb sogar nur bei etwa 80 % Sauerstoffgehalt.
Dies läßt sich folgendermaßen erklären:
Die Hauptbestandteile der atmosphärischen Luft sind (in der Reihenfolge der Größe ihres Anteils) Stickstoff,
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Sauerstoff, Argon und Kohlendioxid, wobei noch ein veränderlicher Feuchtigkeitsgehalt (Wasserdampf) hinzukommtβ Die heutzutage verwendeten, im Druckwechsel-Adsorptionsbetrieb betriebenen synthetischen Zeolith-Molekularsiebe sind in der Lage, eine im wesentlichen vollständige Trennung von Sauerstoff und Stickstoff herbeizuführen. In gleicher Weise können Feuchtigkeit und Kohlendioxid durch Hindurchleiten des Speisegasgemisches durch ein Zeolith-Adsorptionsbett wirksam abgeschieden werden, Jedoch sind die Adsorptionsisothermen von Sauerstoff und Argon bei diesem Adsorptionsmateri-x nahezu identisch, so daß ein Hindurchleiten eines Sauerstoff und Argon enthaltenden Gasgemisches durch ein Zeolith-Adsorptionsbett keinen wesentlichen Einfluß auf das Verhältnis von Sauerstoff zu Argon im Produktgas hat. Demzufolge ist beim Hindurchleiten von Luft durch ein Zeolith-Adsorptionsbett das Verhältnis von Sauerstoff zu Argon im Produktgas unvermeidbar etwa das gleiche wie das Verhältnis dieser beiden Gase zueinander in der atmosphärischen Luft, was zur Folge hat, daß der Sauerstoff zwar von den anderen Hauptkomponenten der Luft praktisch vollständig abgeschieden worden ist, jedoch trotzdem einen Restgehalt von 5 % Argon aufweist.
Was die Adsorption eines Kohle-Molekularsiebs betrifft, so beruht die Selektivität der Adsorption dieses Materials
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auf einem Geschwindigkeitseffekt, während im Gegensatz dazu die Adsorptionsselektivität eines Zeolith-Molekularsiebs auf einem Kapazitätseffekt beruht. Mit anderen Worten, während die Trennung des Sauerstoffs vom Stickstoff bei einem Zeolith-Molekularsieb auf der Fähigkeit dieses Adsorptionsmaterials beruht, Stickstoff stärker als Sauerstoff zu adsorbieren, beruht die Trennwirkung eines Kohle-Molekularsiebs auf der Fähigkeit dieses Adsorptionsmaterials, Sauerstoff schneller als Stickstoff zu adsorbieren. Im Hinblick auf die Trennwirkung zwischen Sauerstoff und Stickstoff ist der Geschwindigkeitseffekt des Kohle-Molekularsiebs beträchtlich weniger wirkungsvoll als der Kapazitätseffekt des Zeolith-Molekularsiebs, und das bei Speisung mit Luft erhaltene Sauerstoffprodukt enthält bei Verwendung eines Kohle-Molekularsiebs unvermeidbar einen beträchtlichen Restanteil an nicht abgeschiedenem Stickstoff. In der Praxis sind die Geschwindigkeiten der Adsorption von Stickstoff und Argon durch ein Kohle-Molekularsieb etwa gleich groß, so daß bei Luft als Speisegas das Sauerstoffprodukt einen Restgehalt an Stickstoff und Argon aufweist, in welchem Stickstoff und Argon in etwa dem gleichen Verhältnis wie in der atmosphärischen Luft enthalten sind. Kohlendioxid und Feuchtigkeit werden mit größerer Geschwindigkeit als Stickstoff und Argon adsorbiert, so daß, falls diese Bestandteile nicht im Zuge einer Vor-
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behandlung der Luft abgeschieden werden, auch diese als Verunreinigungen im Sauerstoffprodukt vorhanden sind.
Zusammengefaßt ergibt sich also die Situation, daß mit Hilfe eines Zeolith-Molekularsiebs eine maximale Sauerstoffreinheit von 95 % erzielbar ist, wobei der Rest im wesentlichen vollständig durch Argon gebildet ist, und bei Verwendung eines Kohle-Molekularsiebs läßt sich, vorausgesetzt, daß Kohlendioxid und Feuchtigkeit in einer Vorbehandlungsstufe abgeschieden werden, eine maximale Sauerstoffreinheit von etwa 80 % erreichen, wobei der Rest aus Stickstoff und Argon in ihrem atmosphärischen Verhältnis besteht, d.h. aus etwa 19,75 % Stickstoff und 0,25 % Argon,
Aus diesen Gründen ist die Anwendung der Druckwechsel-Adsorptionsverfahren in kommerziellem Maßstab zur Gewinnung von Sauerstoff durch Luftzerlegung auf einige gewisse Anwendungsgebiete beschränkt gewesen, bei denen eine hohe Reinheit nicht wesentlich ist, nämlich insbesondere bei der Abwasseraufbereitung, der Anreicherung von Ofenatmosphären und chemischen Oxidationsverfahren,
Eine weitergehende Durchsetzung des Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens als kommerzielle Möglichkeit der
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Sauerstoffgewinnung aus Luft ist solange unwahrscheinlich, wie es nicht gelingt, regelmäßig ein Produkt mit beträchtlich besserer Reinheit herzustellen, als es bisher und auch bei den herkömmlichen cryogenen Luftzerlegungsverfahren möglich ist. Beispielsweise hängt die Leistungsfähigkeit von Schweiß- und Schneidverfahren unter Verwendung von Sauerstoff in wesentlichem Maße von der Reinheit des verfügbaren Gases ab, und für diese Anwendungen wird üblicherweise eine Reinheit von wenigstens 99,5 % verlangt. Auch Krankenhäuser akzeptieren für medizinische Anwendungen kaum ein Produkt mit einem unterhalb des eben erwähnten Wertes gelegenen Reinheitsgrad,
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß man Sauerstoff mit einer für die meisten Anwendungsfälle ausreichend hohen Reinheit erhält.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung bringt den technischen Fortschritt, daß durch geeignete Integration der eingangs beschriebenen Zeolith- und Kohle-MolekularSiebanwendungen ein wesentlich
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reineres Sauerstoffprodukt als bei Adsorptionsverfahren unter Verwendung solcher Molekularsiebe jeweils für sich allein gewonnen werden kann.
Die Kohle-Adsorptionseinheit weist vorzugsweise zwei Adsorptionsbetten auf, deren Arbeitszyklen jeweils eine Speisegas-Zufuhrphase und eine Desorptionsphase umfaßt, wobei die Arbeitszyklen der beiden Adsorptionsbetten so gegeneinander phasenverschoben sind, daß sich jeweils ein Bett in der Speisegas-Zufuhrphase und das andere Bett in der Desorptionsphase befindet.
Die Zeolith-Adsorptionseinheit weist vorzugsweise ebenfalls zwei Adsorptionsbetten auf, deren Arbeitszyklen jeweils eine Speisegas-Zufuhrphase, eine Desorptionsphase und eine Rückfüllphase umfassen. Die Arbeitszyklen der beiden Adsorptionsbetten sind ebenfalls in an sich bekannter Weise so gegeneinander phasenverschoben, daß sich jeweils ein Bett in der Speisegas-Zufuhrphase befindet, während das andere Bett die Desorptionsphase und die Rückfüllphase durchläuft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird trockene, kohlendioxidfreie Luft der Kohle-Adsorptionseinheit als Speisegas zugeführt. Mit dem Speisegas wird der Kohle-Adsorptionseinheit außerdem
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sauerstoffreiches Gas zugeführt, das teilweise bei der Evakuierung jeweils eines Adsorptionsbettes der Kohleadsorptionseinheit und teilweise von der Evakuierung jeweils eines Adsorptionsbettes der Zeolith-Adsorptionseinheit erhalten wird. Bei Verwendung einer zwei Adsorptionsbetten aufweisenden, in der oben beschriebenen Weise arbeitenden Kohle-Adsorptionseinheit ergibt die Evakuierung jeweils eines Bettes dieser Adsorptionseinheit einen Gasstrom mit allmählich anwachsender und dann wieder abnehmender Säuerst off reinheit. Während des Mittelabschnitts der Evakuierungsphase, während welcher die Sauerstoffreinheit etwa 80 % beträgt, wird dieser Gasstrom in einen ersten Behälter eingeleitet, während er während der anderen Abschnitte der Evakuierungsphase, während welchen der Sauerstoffgehalt nur etwa 50 % beträgt, in einen zweiten Behälter eingeleitet wird, um von dort aus nach Bedarf als Bestandteil des Speisegases in die Kohle-Adsorptionseinheit zurückgeleitet zu werden. Der Restanteil des 80 % Sauerstoff aufweisenden Gasstromes besteht aus Stickstoff und Argon in etwa deren atmosphärischem Verhältnis, d,h, etwa aus 19,75 % Stickstoff und 0,25 % Argon, Dieses Produkt aus dem Mittelabschnitt der Evakuierungsphase eines Kohle-Adsorptionsbettes stellt ein Zwischenprodukt des Verfahrens dar und wird als Speisegas der Zeolith-Adsorptionseinheit
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zugeführt. Die Zeolith-Adsorptionseinheit, die in der Lage ist, eine im wesentlichen vollständige Trennung zwischen Sauerstoff und Stickstoff herbeizuführen, liefert sodann ein Produkt mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 99,7 %y wobei der Rest der kleine Argonanteil ist, der sich in dem von der Kohle-Adsorptionseinheit kommenden Zwischenprodukt befindet und beim Durchgang durch die Zeolith-Adsorptionseinheit nicht adsorbiert wird.
Der Schlüssel zur Erzielung der hohen Reinheit des Sauerstoffprodukts mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt also nicht nur in der Fähigkeit der Kohle-Adsorptionseinheit zur Erzeugung eines als Speisegas für die Zeolith-Adsorptionseinheit dienenden Zwischenproduktes, das mit Sauerstoff angereichert ist, sondern darin, daß die Kohle-Adsorptionseinheit ein Zwischenprodukt liefert, das an Argon, nämlich einer Hauptkomponente der atmosphärischen Luft, welche ein Zeolith-Molekularsieb nicht von Sauerstoff trennen kann, verarmt ist. Gleichzeitig wird die Gesamteffizienz des Verfahrens durch Rückführung eines sauerstoffreichen Gasstroms als Teil des Speisegases von der Zeolith-Adsorptionseinheit zur Kohle-Adsorptionseinheit vergrößert.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Luft als Speisegas der Zeolith-
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Adsorptionseinheit zugeführt. Außerdem wird der Zeolith-Adsorptionseinheit ein sauerstoffreicher Gasstrom, der während der Speisegas-Zufuhrphase in der Kohle-Adsorptionseinheit erhalten wird, als Teil des Speisegases zugeführt. Die Zeolith-Adsorptionseinheit liefert ein Zwischenprodukt mit etwa 90 % Sauerstoff, 5 % Stickstoff und 5 % Argon, das der Kohle-Adsorptionseinheit als Speisegas zugeführt wird. Wie bei der erstbeschriebenen Ausführungsform erhält man jeweils bei der Evakuierung eines Adsorptionsbettes der Kohle-Adsorptionseinheit einen Gasstrom mit allmählich anwachsender und dann wieder abnehmender Sauerstoffreinheit. Bei der hier beschriebenen alternativen Ausführungsform des Verfahrens bildet der während des Mittelabschnitts der Evakuierung sphase erhaltene hochreine Sauerstoffstrom das Verfahrensprodukt, während der Gasstrom, der während der übrigen Abschnitte der Evakuierungsphase erhalten wird, in einen Behälter eingeleitet wird, um nach Bedarf als Speisegasbestandteil der Kohle-Adsorptionseinheit wieder zugeleitet zu werden.
Auch hier liegt wieder der Schlüssel zu der hohen Reinheit des Sauerstoffprodukts in der Fähigkeit der Kohle-Adsorptionseinheit, eine Trennung zwischen Sauerstoff und Argon vorzunehmen, wozu die Zeolith-Adsorptionseinheit nicht
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- 18 in der Lage ist.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schema einer nach
der oben erwähnten ersten Ausführungsform des Verfahrens arbeitenden Anlage zur Gewinnung hochreinen Sauerstoffes aus Luft,
Fig. 2 eine mehr ins einzelne gehende Dar
stellung der Anlage nach Fig. 1,
Fig, 3 ein Ablaufdiagramm, das die Arbeits
zyklen der Adsorptionsbetten und die Ventilfunktionen der Anlage nach den Fig, 1 und 2 zeigt,
Fig. 4 ein vereinfachtes Schema einer nach
der oben genannten zweiten Ausführungsform arbeitenden Anlage zur Gewinnung hochreinen Sauerstoffes aus Luft,
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Pig, 5 eine mehr ins einzelne gehende Dar
stellung der Anlage nach Pig. *J, und
Fig, 6 ein Ablaufdiagramm, welches die Arbeits
zyklen der Adsorptionsbetten und die Ventilfunktionen der Anlage nach den Fig, 4 und 5 zeigt.
Die in den Fig, 1 und 2 dargestellte Anlage weist eine Kohle-Adsorptionseinheit mit zwei Kohle-Molekularsieb-Adsorptionsbetten Cl und C2 und eine Zeolith-Adsorptionseinheit mit zwei Zeolith-Molekularsieb-Adsorptionsbetten Zl und Z2 auf. Eine erste Pumpe Pl dient zur Evakuierung der Adsorptionsbetten der Kohle-Adsorptionseinheit während den Evakuierungsphasen von deren Arbeitszyklen und zur Förderung der desorbierten Komponeneten in Gasbehälter Gl und G2, wie nachstehend noch mehr im einzelnen beschrieben wird. Eine zweite Pumpe P2 dient dazu, das Speisegas für die Zeolith-Adsorptionseinheit jeweils während der Speisegas-Zufuhrphasen der Arbeitszyklen ihrer Adsorptionsbetten Zl und Z2 durch diese hindurchzusaugen und das hochreine Sauerstoffprodukt durch die Produktauslaßleitung Ll abzuführen. Eine dritte Pumpe P3 dient zum Evakuieren der Adsorptionsbetten der
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Zeolith-Adsorptionseinheit und gleichzeitig zur Hindurchförderung des Speisegases durch die Adsorptionsbetten Cl und C2 der Kohle-Adsorptionseinheit während der Speisegas-Zufuhrphasen von deren Arbeitszyklen,
Die Arbeitsweise dieser Anlage wird nachstehend mit Bezug auf die Pig, 2 und 3 beschrieben.
Zunächst sei die Kohle-Adsorptionseinheit betrachtet. Die Ventile Vl, V3 und V21 werden geöffnet, so daß die Pumpe P3 Luft ansaugt, die in einem Adsorptionsbett B zwecks Abscheidung von Kohlendioxid und Feuchtigkeit vorbehandelt wird und sodann durch das Adsorptionsbett Cl der Kohle-Adsorptionseinheit hindurchgefördert wird, wo bevorzugt Sauerstoff adsorbiert wird. Das nicht adsorbierte Gas, nämlich hauptsächlich Stickstoff und Argon, verläßt die Anlage als Abgas durch eine Leitung L2, Nach einer vorgegebenen Zeit wird das Ventil V21 geschlossen und ein Ventil V20 geöffnet, so daß ein sauerstoffreiches Gasgemisch aus dem Gasbehälter G2 angesaugt und durch das Adsorptionsbett Cl hindurchgeleitet wird, das die Luft aus den Zwischenräumen dieses Bettes herausspült und mehr Sauerstoff für die Adsorption durch das Kohlesieb bereitstellt. Nach einer bestimmten weiteren Zeit wird das Ventil V20 geschlossen und die Ventile V19 und V16 werden geöffnet, so daß die
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Pumpe P3 nunmehr das Adsorptionsbett Z2 der Zeolith-Adsorptionseinheit evakuiert und das von diesem Bett desorbierte Gas, das einen im Vergleich zur ursprünglichen Luft ebenfalls erhöhten Sauerstoffgehalt besitzt, durch das Bett Cl hindurchfördert. Danach werden die Ventile Vl, V3 und V19 geschlossen und ein Ventil V5 geöffnet, so daß nunmher das Bett Cl zur Evakuierungs· phase (Desorptionsphase) übergeht.
Der Sauerstoffgehalt in dem aus dem Adsorptionsbett Cl mittels der Pumpe Pl evakuierten Gas steigt allmählich auf einen Spitzenwert an und fällt danach wieder ab. Während des mittleren Abschnitts der Evakuierungsphase ist das Ventil V17 geöffnet, so daß desorbierte Gas in den Gasbehälter Gl eingeleitet wird, aus welchem das Speisegas für die Zeolith-Adsorptionseinheit entnommen wird. Der Sauerstoffgehalt dieses Gasstromes beträgt im Mittel etwa 80 %t wobei der Restanteil aus Stickstoff und Argon in etwa deren atmosphärischem Verhältnis besteht, d.h, etwa auch 19,75 % Stickstoff und 0,25 % Argon, Während der übrigen Abschnitte der Evakuierungsphase ist das Ventil Vl8 geöffnet und das Ventil Vl? geschlossen, so daß desorbierte Gas in den Gasbehälter G2 geleitet wird, aus welchem es nach Bedarf zur Kohle-Adsorptionseinheit zurückgeleitet wird. Der Sauerstoffgehalt des Gasstroms liegt dabei im Mittel bei etwa 50 %t wobei der Restanteil wiederum aus Stickstoff und Argon in
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etwa deren atmosphärischem Verhältnis besteht, d.h. etwa aus 49,4 % Stickstoff und 0,6 15 Argon,
Am Ende der Evakuierungsphase des Bettes Cl wird das Ventil V5 geschlossen und die Ventile Vl, V3 und V21 werden wieder geöffnet, wonach sich der gesamte Zyklus wiederholt. Das Bett C3 der Kohle-Adsorptionseinheit arbeitet nach einem gleichartigen Zyklus, jedoch gegenüber dem Bett Cl um I80 ° phasenverschoben. Mit anderen Worten, während das Bett Cl sich in der Speisegas-Zufuhrphase befindet, befindet sich das Bett C2 in der Evakuierungsphase und umgekehrt.
Nunmehr sei die Zeolith-Adsorptionseinheit betrachtet. Die Ventile V9 und VIl werden geöffnet, so daß die Pumpe P2 Gas aus dem Gasbehälter Gl durch das Adsorptionsbett Zl hindurchfördert und das aus diesem Bett gewonnene Produkt durch die Produktauslaßleitung Ll abpumpt. Es sei daran erinnert, daß der Gasbehälter Gl das Zwischenprodukt aus dem mittleren Abschnitt der Desorptionsphase der Adsorptionsbetten der Kohle-Adsorptionseinheit enthält, das stark mit Sauerstoff angereichert und an Stickstoff und Argon verarmt ist. Der in diesem Zwischenproduktgemisch enthaltene restliche Stickstoff wird im Bett Zl adsorbiert, so daß ein Sauerstoffprodukt mit einer Reinheit von etwa 99,7 % zurückbleibt, wobei die kleine restliche Verunreinigung der von er Kohle-Adsorptionseinheit nicht zurückgehaltene kleine Argonanteil ist.
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Nach einer vorgegebenen Zeit werden die Ventile V9 und VIl geschlossen und die Ventile V15 und V19 geöffnet, so daß die Pumpe P 3 das Adsorptionsbett Zl evakuiert und das desorbierte Gas zur Kohle-Adsorptionseinheit fördert, wo sich in diesem Zeitpunkt das Bett C2 in der Speisegas-Zufuhrphase befindet. Wegen des erhöhten Sauerstoffgehalts des jeweils während der Speisegas-Zufuhrphase durch das Bett Zl hindurchgeleiteten Gases hat auch das aus diesem Bett evakuierte Gas einen Sauerstoffgehalt, der über dem atmosphärischen Sauerstoffanteil der Luft liegt, so daß dieses Gas als zusätzliches Spül-/Speisegas für die Kohle-Adsorptionseinheit nützlich ist.
Der Arbeitszyklus des Adsorptionsbettes Zl wird dadurch vervollständigt, daß die Ventile V15 und Vl9 geschlossen werden und das Ventil V13 geöffnet wird, um dieses Bett mit Produktgas rückzufüllen, das aus dem Bett Z2 abgezogen und über ein ständig geöffnetes Drosselventil V22, das entsprechend der gewünschten Rückfüllströmung eingestellt ist, aus der Auslaßleitung abgezweigt wird. Die Ventile V9 und VIl werden danach wieder geöffnet und der gesamte Arbeitszyklus wiederholt sich.
Das Adsorptionsbett Z2 der Zeolith-Adsorptionseinheit arbeitet nach einem gleichartigen Zyklus wie das Bett Zl,
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jedoch gegenüber diesem um 18O phasenverschoben. Mit anderen Worten, während das Bett Zl sich in der Speisegas-Zufuhrphase befindet, laufen im Bett Z2 die Evakuierungsphase und die Rückfüllphase ab, und umgekehrt.
Die Zyklusdauer der Arbeitszyklen der Adsorptionsbetten in der Zeolith-Adsorptionseinheit ist natürlich genau gleich wie diejenige der Arbeitszyklen der Adsorptionsbetten der Kohle-Adsorptionseinheit, jedoch sind diese Arbeitszyklen, wie Fig, 3 zeigt, in geeigneter Weise gegeneinander phasenverschoben, um die gewünschte Integration von Kohlesieb-Adsorption und Zeolithsieb-Adsorption in dem Verfahren zu erhalten. Demgemäß ist die Ablauffolge der Arbeitszyklen so gewählt, daß die Pumpe P3 ihre Doppelfunktion, nämlich die Evakuierung der Betten der Zeolith-Adsorptionseinheit und die Speisegaszufuhr zu den Betten der Kohle-Adsorptionseinheit erfüllen kann, so daß die Anlage insgesamt nur drei Pumpen benötigt. Normalerweise sind pro Adsorptionseinheit zwei Pumpen erforderlich, so daß ein getrennter Ablauf der genannten Verfahrensschritte insgesamt vier Pumpen erfordern würde. Bei dem beschriebenen integrierten Verfahren ergibt sich demzufolge außer der gesteigerten Reinheit des Sauerstoffprodukts auch eine merkliche Energieeinsparung,
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Zur Erleichterung des Verständnisses des Verfahrens sind in Fig. 1 die Anteile von Sauerstoff, Stickstoff und Argon in den Gasbehältern Gl und G2 und in der Auslaßleitung Ll angegeben. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Argon ist auch für die anderen Teile der Anlage angegeben. Die Angabe für die Leitung von der Pumpe P3 zur Kohle-Adsorptionseinheit stellt den Mittelwert der drei verschiedenen, zu der Kohle-Adsorptionseinheit geförderten Speisegasströme dar.
Bei geringfügiger Abwandlung des Verfahrens kann dieses auch ohne Verwendung des Vorbehandlungsbettes B durchgeführt werden, d.h. mit Speiseluft, die auch Kohlendioxid und Feuchtigkeit enthält. Ein Teil des Kohlendioxids und der Feuchtigkeit in der zur Kohle-Adsorptionseinheit zugeführten Luft strömt mit dem Abgas durch die Leitung L2 ab, während der Rest adsorbiert wird und während der Evakuierungsphasen der Betten Cl und C2 in die Gasbehälter Gl und G2 gelangt. Der in den Behälter Gl gelangende Anteil wird danach in der Zeolith-Adsorptionseinheit adsorbiert, so daß eine Verunreinigung des Sauerstoffprodukts durch Kohlendioxid und Feuchtigkeit wirksam ausgeschlossen werden kann, indem ein
Teil des aus der Zeolith-Adsorptionseinheit evakuierten Gases durch eine in Fig, 1 angedeutete Abgasleitung L3 abgeführt und/oder das 50 % Sauerstoff enthaltende, aus der Kohle-Adsorptionseinheit evakuierte Gas teilweise oder ganz durch
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eine in Fig« 1 angedeutete Abgasleitung L4 abgeführt wird. Der Zweck dieser Abwandlungen ist eine Verringerung des apparativen Aufwands, der durch die Weglassung des Adsorptionsbettes B notwendig ist, was jedoch auf Kosten einer gewissen Menge Produktgas geht.
Die in den Fig. 4 und 5 gezeigte Anlage weist eine Zeolith-Adsorptionseinheit mit zwei Zeolith-Molekularsieb-Adsorptionsbetten Zl8 und Z2' und eine Kohle-Adsorptionseinheit mit zwei Kohle-Molekularsieb-Adsorptionsbetten Cl' und C21 auf. Eine Pumpe Pl' dient zum Hindurchsaugen des Speisegases durch die Betten Zl1 und Z21 der Zeolith-Adsorptionseinheit und zur Förderung des nichtadsorbierten Gases in einen Gasbehälter Gl', das sodann als Speisegas für die Betten Cl' und C21 der Kohle-Adsorptionseinheit während den Speisegas-Zufuhrphasen von deren Arbeitszyklen dient. Eine zweite Pumpe P21 dient zur Evakuierung der Adsorptionsbetten der Zeolith-Adsorptionseinheit während den Evakuierungs· phasen von deren Arbeitszyklen, und eine dritte Pumpe P3' dient zur Evakuierung der Adsorptionsbetten der Kohle-Adsorptionseinheit, wobei ein hochreines Sauerstoffprodukt durch eine Produktauslaßlextung Ll' abgegeben und und ein Teil des desorbierten Gases über einen Gasbehälter G21 zur Kohle-Adsorptionseinheit zurückgeführt wird, wie nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise dieser Anlage anhand der Pig, 5 und 6 beschrieben.
Zuerst sei die Zeolith-Adsorptionseinheit betrachtet. Die Ventile Vl1 und V5' werden geöffnet, so daß die Pumpe Pl1 Speisegas durch das Bett Zl' hindurchfördert und das aus diesem Bett erhaltene Zwischenprodukt in den Gasbehälter Gl1 pumpt. Während des anfänglichen Abschnitts der Speisegas-Zufuhrphase dieses Bettes ist das Ventil V22f geöffnet, so daß das Speisegas sauerstoffreiches, aus der Kohle-Adsorptionseinheit rezirkuliertes Gas ist. Danach wird das Ventil V22* geschlossen und das Ventil V241 geöffnet, um atmosphärische Luft als Speisegas zuzuführen. Diese Luft braucht nicht zwecks Abscheidung von Kohlendioxid und Feuchtigkeit vorbehandelt zu sein, da diese Komponenten ebenso wie der größte Teil des in der Speiseluft vorhandenen Stickstoffes in dem Zeolith-Adsorptionsbett adsorbiert und danach als Abgas abgeführt werden. Die Zusammensetzung des in den Gasbehälter Gl' gelangenden Gases liegt bei etwa 90 % Sauerstoff, 5 % Stickstoff und 5 % Argon, welch letzteres von dem Zeolith-Adsorptionsbett praktisch nicht adsorbiert wird.
Nach einer vorgegebenen Zeit werden die Ventile Vl* und V51 geschlossen und das Ventil V3' wird geöffnet, so daß die Pumpe P2f das Bett Zl* evakuiert und das desorbierte Gas
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durch die Abgasleitung L2! abführt. Der Arbeitszyklus des Bettes Zl' wird dadurch vervollständigt, daß das Ventil V3* wieder geschlossen und das Ventil V71 geöffnet wird, um das Bett mit sauerstoffreichem Gas rückzufüllen, das aus dem Bett Z2' über ein ständig geöffnetes Drosselventil V23', das entsprechend der gewünschten Rückfüllströmung eingestellt ist, abgezogen wird. Die Ventile Vl' und V5' werden dann wieder geöffnet und der gesamte Arbeitszyklus wiederholt sich.
Das Bett Z2! der Zeolith-Adsorptionseinheit arbeitet wiederum nach einem gleichartigen Zyklus wie das Bett Zl', jedoch gegenüber diesem um 180 ° phasenverschoben, so daß, während sich das Bett Zl' in der Speisegas-Zufuhrphase befindet, in dem Bett Z21 die Evakuierungsphase und die Rückfüllphase ablaufen, und umgekehrt.
Nunmehr sei die Kohle-Adsorptionseinheit betrachtet. Die Ventile V91 und V15' werden geöffnet, so daß das aus der Zeolith-Adsorptionseinheit gewonnene sauerstoffreiche Gas aus dem Gasbehälter Gl durch das Bett Cl' hindurchgeleitet wird, in welchem der Sauerstoff bevorzugt adsorbiert wird. Nach einer gewissen Zeit wird das Ventil V91 geschlossen und das Ventil VIl' geöffnet, wobei das Ventil V15* geöffnet bleibt, so daß sauerstoffreiches, an Argon verarmtes Gas aus dem Gasbehälter G21 in das Bett ClT gelangt. Während des
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anfänglichen Teils dieser kombinierten Speisegas-Zufuhrphase des Bettes Clf bleibt das Ventil V211 geöffnet, so daß das in diesem Bett nicht adsorbierte, an Stickstoff und Argon reiche Gas durch die Leitung L3' als Abgas abgeführt wird. Während des Endabschnittes der Speisegas-Zufuhrphase, nachdem die Speisegaszufuhr auf den Gasbehälter G21 umgeschaltet worden ist, nimmt jedoch der Anteil an Argon in dem vom Bett Cl1 kommenden Gasstrom ab und der Sauerstoffanteil in diesem Gasstrom wird größer. Demgemäß wird das Ventil V21f geschlossen und das Ventil V221 geöffnet, um dieses sauerstoffreiche Gas zur Zeolith-Adsorptionseinheit zurückzuführen, in welcher die Speisegas-Zufuhrphase für das Bett Z21 gerade begonnen hat.
Danach werden die Ventile VIl', V15' und V221 geschlossen und das Ventil V13* wird geöffnet, und das Bett Cl1 geht in die Evakuierungsphase (Desorptionsphase) über. Bei der beschriebenen Betriebsweise steigt die Reinheit des Sauerstoffproduktes, das mittels der Pumpe P3? von dem Bett Cl, desorbiert wird, allmählich auf einen Spitzenwert an und fällt dann wieder ab. Während des mittleren Abschnittes der Evakuierung sp hase ist das Ventil V201 geöffnet, so daß das desorbierte Gas durch die Produktauslaßleitung Ll1 abströmt. Während den übrigen Teilen der Evakuierungsphase ist das Ventil V19! geöffnet und das Ventil V20* geschlossen, so
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daß das desorbierte sauerstoffreiche Gas zum Gasbehälter G2f gefördert wird, von wo aus es nach Bedarf zur Kohle-Adsorptionseinheit rezirkuliert wird.
Am Ende der Evakuierungsphase des Bettes Cl! wird das Ventil Vl9f geschlossen und die Ventile V91 und V15' werden wieder geöffnet, und der gesamte Arbeitszyklus wiederholt sich.
Das Bett C2' der Kohle-Adsorptionseinheit arbeitet nach einem gleichartigen Zyklus wie das Bett Cl', jedoch gegenüber diesem um l80 phasenverschoben, so daß, während das Bett Cl' sich in der Speisegas-Zufuhrphase befindet, das Bett C2* sich in der Evakuierungsphase befindet und umgekehrt.
Außerdem sind die Zykluszeiten der Arbeitszyklen der Adsorptionsbetten der Kohle-Adsorptionseinheit und der Zeolith-Adsorptionseinheit genau gleich, jedoch sind die Arbeitszyklen, wie Fig, 6 zeigt, in geeigneter Weise gegeneinander phasenverschoben, um die gewünschte Integration der Zeolithsieb-Adsorption und der Kohlesieb-Adsorption in den Verfahren zu erhalten. Demgemäß ist die Ablauffolge der Arbeitszyklen so gewählt, daß man den größtmöglichen Vorteil aus der Rezirkulierung von Gas aus der Kohle-Adsorptionseinheit zur Zeolith-Adsorptionseinheit hat, d,h, das zurück-
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geführte Gas wird jeweils am Beginn der Speisegas-Zufuhrphasen in die Betten Zl1 und Z2S zugeführt. Die Anlage benötigt wiederum insgesamt nur drei Pumpen, während bei unabhängigem Betrieb der beiden Einheiten jede Einheit zwei Pumpen und somit die Anlage insgesamt vier Pumpen benötigen würde.
Zur Erleichterung des Verständnisses des Verfahrens ist das Verhältnis von Sauerstoff zu Argon an verschiedenen Stellen der Anlage in Fig, 4 angegeben.
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Claims (1)

  1. 532202 jfAi'oi, D Patentanspruehe
    (1. Verfahren zum Heraustrennen des Sauerstoffs aus einem Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthaltenden Gasgemisch unter Verwendung von zwei im Druckwechselbetrieb betriebenen, jeweils mindestens ein Kohle-dolekularsieb-Adsorptionsbett bzw. mindestens ein Zeolith-Molekularsieb-Adsorptionsbett aufweisenden, hintereinandergeschalteten Adsorptionseinheiten, wobei das Gasgemisch der ersten dieser beiden Adsorptionsexnheiten zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ersten Adsorptionseinheit ein Zwischenprodukt mit gegenüber dem ursprünglichen Gasgemisch erhöhtem Sauerstoffanteil gewonnen und der zweiten der beiden Adsorptionseinheiten als Speisegas zugeführt wird, aus welcher ein Produkt mit noch weiter erhöhtem Sauerstoffgehalt gewonnen wird, und daß aus der zweiten Adsorptionseinheit außerdem ein Nebenprodukt, das, allerdings in geringerem Maße als das Zwischenprodukt, einen gegenüber dem ursprünglichen Gasgemisch erhöhten Sauerstoffanteil aufweist, gewonnen und zu der ersten Adsorptionseinheit als Bestandteil von deren Speisegas zurückgeführt wird.
    2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Adsorptionseinheit das Kohle-Molekularsieb und in der zweiten Adsorptionseinheit das Zeolith-Molekular-
    ORIQINAL INSPECTED
    QfI S «27/0894
    sieb verwendet wird, daß weiter aus der ersten Adsorptionseinheit jeweils während einer Desorptionsphase das einen erhöhten Sauerstoffanteil aufweisende und an Stickstoff und Argon verarmte Zwischenprodukt gewonnen wird, und daß aus der zweiten Adsorptionseinheit jeweils während einer Speisegas-Zufuhrphase das Produkt und während einer Desorptionsphase das Nebenprodukt gewonnen wird,
    3« Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Adsorptionseinheit zwei Adsorptionsbetten verwendet und um 180 ° gegeneinander phasenverschoben in jeweils eine Speisegas-Zufuhrphase und eine Desorptionsphase aufweisenden Zyklen betrieben werden.
    H, Verfahren nach Anspruch 2 oder 3j dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Adsorptionseinheit zwei Adsorptionsbetten verwendet und um l80 ° gegeneinander phasenverschoben in jeweils eine Speisegas-Zufuhrphase, eine Desorptionsphase und eine Rückfüllphase aufweisenden Zyklen betrieben werden.
    5« Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsbetten der zweiten Adsorptionseinheit in Zyklen gleicher Dauer wie die Zyklen der Adsorptionsbetten der ersten Adsorptionseinheit, jedoch gegenüber diesen phasenverschoben betrieben werden.
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    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenprodukt aus der ersten Adsorptionseinheit jeweils während eines Zwischenabschnitts der Desorptionsphase jedes der beiden Adsorptionsbetten gewonnen wird.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenprodukt in einen Behälter geleitet wird, aus welchem es nach Bedarf der zweiten Adsorptionseinheit als Speisegas zugeführt wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Adsorptionsbetten der ersten Adsorptionseinheit desorbierte Gas während der übrigen Abschnitte der Desorptionsphasen dieser Adsorptionsbetten als Bestandteil des Speisegases zur ersten Adsorptionseinheit zurückgeleitet wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Adsorptionsbetten der ersten Adsorptionseinheit während der übrigen Abschnitte der Desorptionsphasen dieser Adsorbtionsbetten desorbierte Gas in einen Behälter eingeleitet wird, aus welchem es diesen Adsorptionsbetten jeweils zwischen der Zufuhr des Gasgemisches und des Nebenproduktes zur ersten Adsorptionseinheit als Speisegas zugeführt wird.
    §09827/083
    2855628
    10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeolith-Molekularsieb in der ersten Adsorptionseinheit und das Kohle-Molekularsieb in der zweiten Adsorptionseinheit verwendet wird, daß weiter das einen erhöhten Sauerstoffanteil aufweisende und an Stickstoff verarmte Zwischenprodukt jeweils während einer Adsorptionsphase der ersten Adsorptionseinheit gewonnen wird und daß das einen weiter erhöhten Sauerstoffanteil aufweisende und an Argon verarmte Produkt jeweils während einer Desorptionsphase der zweiten Adsorptionseinheit gewonnen wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Adsorptionseinheit zwei Adsorptionsbetten verwendet und um l80 gegeneinander phasenverschoben in jeweils eine Speisegas-Zufuhrphase, eine Desorptionsphase und eine Rückfüllphase aufweisenden Zyklen betrieben werden,
    12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Adsorptionseinheit zwei Adsorptionsbetten verwendet und um l80 ° gegeneinander phasenverschoben in jeweils eine Speisegas-Zufuhrphase und eine Desorptionsphase aufweisenden Zyklen betrieben werden.
    13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsbetten der zweiten
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    Adsorptionseinheit in Zyklen gleicher Dauer wie die Zyklen der Adsorptionsbetten der ersten Adsorptionseinheit9 jedoch gegenüber diesen phasenverschoben betrieben werden.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenprodukt in einen Behälter eingeleitet wird, aus welchem es der zweiten Adsorptionseinheit nach Bedarf als Speisegas zugeführt wird.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der zweiten Adsorptionseinheit jeweils während zwischen Abschnitten der Desorptionsphasen ihrer Adsorptionsbetten gewonnen wird.
    16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Adsorptionsbetten der zweiten Adsorptionseinheit während der übrxgen Abschnitte der Desorptionsphasen dieser Adsorptionsbetten desorbierte Gas als Bestandteil des Speisegases in die zweite Adsorptionseinheit zurückgeleitet wird.
    17« Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Adsorptionsbetten der zweiten Adsorptions-
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    einheit während der übrigen Abschnitte der Desorptionsphasen dieser Adsorptionsbetten desorbierte Gas in einen Behälter eingeleitet wird, aus welchem es jeweils zwischen den Zufuhrphasen des Zwischenprodukts zu den Adsorptionsbetten der zweiten Adsorptionseinheit diesen als Speisegas zugeführt wird,
    18, Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebenprodukt jeweils vor den Zufuhrphasen des Gasgemisches zu den Adsorptionsbetten der ersten Adsorptxonsexnhext diesen zugeführt wird.
    909827/089
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