DE3030081C2 - Verfahren zur adsorptiven Zerlegung eines Gasgemisches - Google Patents

Verfahren zur adsorptiven Zerlegung eines Gasgemisches

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur adsorptiven Zerlegung eines Gasgemisches unter Verwendung mehrerer Adsorber, die jeweils eine unter erhöhtem Druck betriebene Adsorptionsphase und eine bei vermindertem Druck betriebene Regenerationsphase durchlaufen und während eines Teils der Regenerationsphase durch Anschluß an eine Vakuumpumpe auf einen unteratmosphärischen Druck evakuiert werden.
Die adsorptive Abtrennung einer oder mehrerer Komponenten aus einem Gasgemisch wird in der Technik vielfach durchgeführt. Typische Anwendungsfälle sind die Gewinnung von Sauerstoff oder Stickstoff aus Luft, die Reinigung von Wasserstoff oder die Reinigung bzw. Gewinnung einer Vielzahl von anderen Gasen wie beispielsweise Synthesegase oder Kohlenmonoxid. Alle diese Verfahren beruhen auf der selektiven Abtrennung einer oder mehrerer Komponenten des zu zerlegenden Gasgemisches an einem Adsorptionsmittel. Da die Adsorptionsfähigkeit jedoch nach Erreichen eines bestimmten Beladungszustands erschöpft ist, ist es erforderlich, das Adsorptionsmittel periodisch zu regenerieren. Die üblichen Regenerationsverfahren beruhen auf den Umstand, daß die Adsorptionsfähigkeit mit steigender Temperatur und/oder mit sinkendem Druck abnimmt, so daß durch Temperaturerhöhung und/oder Druckabsenkung in einer vorhergehenden Verfahrensstufe adsorbierte Komponenten wieder desorbiert werden. Die Desorption kann durch Hindurchleiten eines Spülgases durch das Adsorptionsmittel unterstützt werden. Gegenüber der thermischen Regenerierung zeichnet sich die nur durch Druckabsenkung erzielte Regeneration als weniger energieaufwendig aus, da eine Erhitzung des Adsorptionsmaterials entfällt. Darüber hinaus sind die einzelnen Betriebsphasen einer Druckwechseladsorption im allgemeinen kürzer als die einer Jiermisehen Verfahrensweise.
Zur Verbesserung der Desorptionswirkung ist es sowohl bei thermischen als auch bei ausschließlich auf Druckwechsel beruhenden Verfahren bekannt, während eines Teils der Regenerationsphase das Adsorpiionsbett an eine Vakuumpumpe anzuschließen, um auf diese Weise einen unteratmosphärischen Druck herzustellen. Die Anwendung bei einem thermischen Verfahren ist beispielsweise in der DE-OS 22 08 467 beschrieben, während die DE-OS 24 41 447 das Evakuieren des Adsorptionsbettes bei der Regeneration eines im Druckwechsel betriebenen Adsorptionsverfahrens beschreibt
Als ungünstig erweist sich die Regeneration eines Adsorbers bei unteratmosphärischem Druck insofern, als für den Betrieb der Vakuumpumpe ein zusätzlicher Energieaufwand erforderlich ist Dieser erhöhte Energieaufwand wird in» allgemeinen noch dadurch verstärkt, daß zwischen den einzelnen Phasen, während derer die verschiedenen Adsorberbetten evakuiert werden, Betriebsperioden liegen, in denen keine Evakuierung erfolgt
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der für die Regeneration der Adsorber benötigte Energieaufwand reduziert wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß während der Zeiten, zu denen kein Adsorber evakuiert wird, ein Druckausgleich zwischen der Saugseite und der Druckseite der Vakuumpumpe durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird damit ein einfach zu realisierender Weg vorgeschlagen, der eine beträchtliche Energieeinsparung ermöglicht. Es hat sich nämlich gezeigt, daß der mittlere Leistungsbedarf der Vakuumpumpe während einer Leerlaufzeit um bis zu 80% reduziert werden kann. Die insgesamt erzielbare Einsparung hängt selbstverständlich von der relativen Dauer der Leerlaufphasen bzw. der Evakuierungszeiten ab. Bei einer typischen Dreibett-Anlage zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft ergibt sich insgesamt ein um etwa 20% verringerter Energiebedarf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druckausgleich bei unteratmosphärischem Druck durchgeführt, da sich dann gegenüber einem bei atmosphärischem Druck erfolgenden Druckausgleich eine weitere Energieeinsparung ergibt Als zweckmäßig hat sich ein Druckausgleich zwischen 0,1 und 0,5 bar erwiesen.
Der Druckausgleich bei unteratmosphärischem Druck kann dadurch realisiert werden, daß auf der Druckseite der Vakuumpumpe stromabwärts von der Abzweigung einer Rückführleitung zur Saugseite eine Rückschlagklappe oder ein Ventil angeordnet ist, durch das eine Rückströmung und damit ein Druckanstieg auf atmosphärischen Druck während der Leerlaufphasen der Vakuumpumpe verhindert wird.
Ein gewünschtes Druckniveau während des Druckausgleichs läßt sich durch geeignete Wahl der Leitungsvolumina auf der Saugseite und der Druckseite der
Pumpe beeinflussen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert Das Beispiel bezieht sich auf ein Druckwechseladsorptionsverfahren mit drei Adsorbern, wie es beispielsweise zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft angewendet werden kann. Das Verfahren kann jedoch in ähnlicher Weise auch für die Zerlegung anderer Gasgemische verwendet werden.
In der F i g. 1 ist eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anlage schematisch dargestellt, und F i g. 2 zeigt ein Zeitablaufschema für den Betrieb einer solchen Anlage.
Die dargestellte Druckwechseladsorptionsanlage besteht aus drei Adsorbern 1,2,3, die jeweils ein Vorbett la, 2a, 3a und ein Hauptbett 16, 26 und 36 aufweisen. Während einer Adsorptionsphase wird in den Vorbetten la, 2a bzw. 3a die im Kompressor 4 verdichtete und über Leitung 5 zugeführte Luft zunächst von Wasserdampf und Kohlendioxid befreit Anschließend erfolgt in den Hauptbetten iö, 26 bzw. 36 die Adsorption von Stickstoff, so daß über Leitung 6 Sauerstoff als iVoduktgas abgezogen werden kann.
Die jeweils gleich aufgebauten Adsorber 1, 2 und 3 durchlaufen auch jeweils gleiche Scbaltzyklen, die jedoch zeitlich gegeneinander versetzt sind. Jeder Schaltzyklus besteht aus einer Adsorptionsphase (ADS), einer daran anschließenden Entspannungsphase (E), einer anschließenden Desorption (DES), zwei Druckaufbauphasen {B1, B 2) und einer Adsorptionsphase, während der ein Adsorber einem anderen Adsorber nachgeschaltet ist (AD 2).
Die verdichtete Luft aus Leitung 5 wird den Adsorbern über die Ventile 11, 21 bzw. 31 zugeführt Der gereinigte Sauerstoff gelangt über die Ventile 12, 22, bzw. 32 in die Produktleitung 6. Ferner kann Produktgas durch die Ventile 13,23 bzw. 33 abgezogen und über die geöffneten Ventile 15,25 bzw. 35 dem Hauptbett 16,26 bzw. 36 eines anderen Adsorbers zugeführt werden.
Während einer Desorptionsphase wird über das geöffnete Ventil 14,24 bzw. 34 das zuvor adsorbierte Gas über die Leitung 7 und die Vakuumpumpe 8 abgesaugt Eine mit einem Ventil 9 versehene Druckausgleichsleistung 10 verbindet die Druckseite und die Saugseite der Vakuumpumpe 8.
Nachfolgend wird die Taktfolge für den Adsorber 1 beschrieben. Für diesen Adsorber dauert ein vollständiger Schaltzyklus neun Minuten. Das gleiche gilt für die beiden anderen Adsorber 2, 3, die jedoch um 3 bzw. 6 Minuten phasenversetzt betrieben werden.
Die im Kompressor 4 verdichtete, feuchte und kohlendioxidhaiiige Luft tritt üDer Leitung 5 und das geöffnete Ventil 11 in den Adsorber 1 ein. Im Vorbett la wird Wasserdampf und Kohlendioxid abgetrennt. Anschließend wird im Hauptbett 16 Stickstoff adsorbiert, so daß aus dem Adsorber 1 über Ventil 12 reiner Sauerstoff austritt und über Leitung 6 abgezogen wird. Die Ventile 13,14 und 15 sind geschlossen.
Wenn die Stickstoff-Adsorptionsfront das Ende des Adsorptionsbettes 16 erreicht, wird Ventil 12 geschlossen. Das nunmehr neben Sauerstoff auch Stickstoff enthaltende aus dem Adsorber 1 austretende Gas wird über die geöffneten Ventile 13 und 25 zum Stickstoff-Adsorptionsbett 26 des Adsorbers 2 geleitet. Über das geöffnete Ventil 22 wird weiterhin reiner Sauerstoff ab- es gezogen. Die Ventile 21,23 und 24 des Adsorbers 2 sind während dieser Betriebspässe geschlossen.
Die AdsorotionsDhase für den Adsorber 1 wird beendet, wenn die Adsorptionsfront voll in den Adsorber 2 übergetreten ist, d. h. wenn die Eintrittsgaszusammensetzung in das Adsorptionsbett 16 nahezu gleich der Austrittskonzentration aus dem Adsorber 1 ist
Nach Beendigung der Adsorptionsphase folgt eine Druckentlastung im Gleichstrom zur Adsorptionsrichtung. Dabei tritt das Gas über das geöffnete Ventil 13 aus und gelangt über Ventil 33 in den Adsorber 3, wo es zum Druckaufbau (Bl) dient Nach dem Druckausgleich zwischen dem Adsorber 1 und 3 wird Ventil 13 geschlossen. Zur Desorption der adsorbierten Mengen an Wasser und Kohlendioxid im Vorbett la sowie des adsorbierten Stickstoffs im Hauptbett 16 wird das Adsorber 1 durch das Ventil 14 zunächst auf atmosphären Druck entspannt und anschließend über die Restgasleitung 7 bei geöffnetem Ventil 9a über die Vakuumpumpe 8 abgesaugt
Um den regenerierten Adsorber 1 für die nächste Adsorptionsphase betriebsbereit zu machen, wird anschließend bei wieder geschlossener; Ventil 14 über Ventil 15 ein Druckaufbaugas zwischen das Vorbett I2 und das Hauptbett 16 des Adsorbers 1 eingeleitet Als Druckaufbaugas dient das Entspannungsgas, das aus dem Adsorber 2 über das geöffnete Ventil 23 abgezogen wird. Da dieser Druckaufbau mit trockenem und kohlendioxidfreiem Gas für das Vorbett la im Gegenstrom zur Adsorption erfolgt, wird eine dort nach der Desorption verbliebene Restbeladung in Richtung auf das Eintrittsende des Adsorbers zurückgeschoben. Dadurch wird die Wirkung der vorher gegangenen Desorption noch erhöht, was im Endeffekt zu einer Verkleinerung des Vorbettes führt Nach Beendigung des Druckausgleichs zwischen den Adsorbern 3 und 1 wird der Druckaufbau des Adsorbers I durch Einleiten von feuchter Luft über das nunmehr geöffnete Ventil U fortgesetzt Wenn der Adsorber 1 den Adsorptionsdruck erreicht hat, wird das Ventil 11 zunächst wieder geschlossen, während die Ventile 15 und 12 geöffnet werden. Der Adsorber 1 wird nunmehr zunächst als dem Adsorber 3 nachgeschalteter Adsorber betrieben, wozu ihm Ober das geöffnete Ventil 33 zugeleitetes Gas in den Zwischenraum zwischen dem Vorbett la und dem Hauptbett 16 zugeleitet wird. Der in dem zugeleiteten Gas enthaltene Stickstoff, der nicht mehr im Adsorber 3 aufgenommen wurde, wird im Adsorber 1 zurückgehalten, so daß über das geöffnete Ventil 12 reiner Sauerstoff abgezogen wird.
Wie anhand des in der F i g. 2 dargestellten Zeitablaufschemas ersichtlich wird, fällt in der zur Vakuumpumpe 8 führenden Desorptionsleitung 7 während der ersten, vierten und siebten Minute eines Schaltzyklus kein Desorptionsgas an. Eine Desorption erfolgt lediglich während der zweiten und dritten Minute im Adsorber 3, während der fünften und sechsten Minute im Adsorber 1 und während der achten und neunten Minute im Adsorber 2. Dies bedeutet, daß die Vakumpumpe nach jeweils zwei Minuten Betriebszeit für eine Minute im Leerlauf läuft Während dieser Zeit wird das Ventil 9a geschlossen, dat. Ventil 9 dagegen geöffnet, so daß sich für diesen Leerlaufbetrieb ein nahezu vernachlässigbarer Druckabfall zwischen der Saugseite und der Druckseite der Vakuumpumpe 8 ergibt Der Leerlaufbetrieb wird bei unteratmosphärischem Druck durchgeführt, wobei die Rückschlagklappe 96 eine Rückströmung von Gas bei atmosphärischem Druck verhindert.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur adsorptiven Zerlegung eines Gasgemisches unier Verwendung mehrerer Adsorber, die jeweils eine unter erhöhtem Druck betriebene Adsorptionsphase und eine bei vermindertem Druck betriebene Regenerationsphase durchlaufen und während eines Teils der Regenerationsphase durch Anschluß an eine Vakuumpumpe auf einen unteratmosphärischen Druck evakuiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zeiten, zu denen kein Adsorber evakuiert wird, ein Druckausgleich zwischen der Saugseite und der Druckseite der Vakuumpumpe durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleich bei unteratmosphärischem Druck durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daS der Druckausgleich bei einem Druck zwischen 0,i and 0,5 bar durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ■ dadurch gekennzeichnet, daß die adsorptive Zerlegung ein Druckwechseladsorptionsverfahren ist.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit mehreren Adsorbern, die mit mit Ventilen versehenen Leitungen für die Zufuhr des Gasgemisches, die Ableitung des Zerlegungsprodukts und die Ableitung von in einer Regenerationsphase desorbiertem Gas verbunden sind wobei femer in der Leitung für das desorbierte Gas eine Vakuumpumpe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß cme mit einem Ventil versehene Leitung von dtr Druckseite zur Saugseite der Vakuumpumpe führt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Druckseite der Vakuumpumpe eine Rückschlagklappe angeordnet ist
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