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Verfahren und Einrichtung zur Gasaufbereitung
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unter Anwendung der Druckswing-Adsorption Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Gasaufbereitung unter Anwendung der Druckswing-Adsorption
und eignet sich insbesondere für die Abscheidung von Kohlensäuregas und Feuchtigkeit
aus der Luft.
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Wenn ein Gas wie Luft oder Stickstoff für Steuer- oder Spülzwecke,
für Gefrierabscheidung usw. eingesetzt wird, oder wenn unter Einsatz von Luft als
Rohstoff ein sauerstoff- oder stickstoffreiches Gas erzeugt wird, ist es sehr wichtig,
aus der Luft od. dgl. Kohlensäuregas (CO2) und Feuchtigkeit (H20), die als Verunreinigungen
in dem einzusetzenden Gas enthalten sind, auszuscheiden. Zu diesem Zweck wird eine
Adsorptionsbehandlung durchgeführt.
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Gasaufbereitungsverfahren unter Anwendung einer Adsorptionsbehandlung
werden grob in Verfahren unter Anwendung der Wärmeswing-Adsorption, bei der die
Regenerierung eines Adsorbens, das ein Adsorbat adsorbiert hat, durch Spülen mit
einem erwärmten Gas erfolgt, und in ein Verfahren unter Anwendung der Druckswing-Adsorption,
bei der die Regenerierung durch Spülen mit einem Gas unter niedrigerem Druck als
bei der Adsorption und ohne Erwärmung erfolgt, unterteilt.
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Bei dem Wärmeswing-Verfahren werden bisher als Adsorptionsmittel synthetische
Zeolithe der Formel CaA oder NaX eingesetzt. Dieses Verfahren verlangt jedoch ein
Erwärmen und Abkühlen, so daß sich der Nachteil einstellt, daß der Wechsel zwischen
Adsorption und Desorption 4-8 h dauert.
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Seit einigen Jahren wird das Druckswing-Verfahren angewandt, das dem
Wärmeswing-Verfahren insofern überlegen ist, als keine Heiz- oder Kühlvorrichtungen
benötigt werden und das Packungsvolumen des Adsorptionsmittels verringert werden
kann, weil die Zeit für den Wechsel einer Adsorptionskolonne kürzer ist.
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Es handelt sich hierbei um ein Gasaufbereitungsverfahren unter Anwendung
der Druckswing-Adsorption, wobei die selektive Adsorption und Ausscheidung einer
bestimmten Komponente aus einem Ausgangsgas zum Erhalt eines aufbereiteten Gases
und die Desorption des Adsorbats aus einem bei der Adsorption eingesetzten Adsorbens
zur Regenerierung desselben abwechselnd durchgeführt werden.
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Eine Gasaufbereitungseinrichtung zur Durchführung der Druckswing-Adsorption
umfaßt eine eine Adsorptionsschicht enthaltende Adsorptionskolonne, ein erstes Gasleitungssystem,
das
mit einem Ende der Adsorptionskolonne verbunden ist und abwechselnd für die Zufuhr
von Ausgangsgas und die Abfuhr von Abgas benutzt wird, ein zweites Gasleitungssystem,
das mit dem anderen Ende der Kolonne verbunden ist und abwechselnd für die Abfuhr
des aufbereiteten Gases und die Zufuhr eines Desorptionsgases benutzt wird, und
eine Druckswing-Erzeugungsvorrichtung, z. B. einen Verdichter oder eine Unterdruckpumpe,
die entweder im ersten oder im zweiten Gasleitungssystem angeordnet ist. Um das
aufbereitete Gas kontinuierlich erzeugen zu können, werden mehrere Adsorptionskolonnen
eingesetzt, deren jede die beiden Arten von Gasleitungssystemen aufweist.
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Gegenüber dem Wärmeswing-Verfahren tritt jedoch bei dem Druckswing-Verfahren
ein neues Problem auf: Während der abwechselnd aufeinanderfolgenden Adsorption und
Desorption erhöht sich die Konzentration der bestimmten Komponente im aufbereiteten
Gas, die adsorbiert und ausgeschieden werden sollte. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß die Adsorptionsschicht, die eine hohe selektive Adsorptionsfähigkeit für die
durch Adsorption aus dem Ausgangsgas auszuscheidende bestimmte Komponente hat, unvermeidlich
auch andere, gleichzeitig vorhandene Komponenten aus dem Ausgangsgas adsorbiert.
Untersuchungen haben gezeigt, daß dies folgenden Grund hat.
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Während das Ausgangsgas durch die eine hohe selektive Adsorptionsfähigkeit
für die bestimmte Komponente aufweisende Adsorptionsschicht strömt, treten in der
Adsorptionsschicht ein Bereich mit hoher Konzentration der bestimmten Komponente
auf der Seite des ersten Gasleitungssystems und ein Bereich mit niedriger Konzentration
der bestimmten Komponente auf der Seite des zweiten
Gaszuleitungssystems
auf. Im Hochkonzentrations-Bereich wird die bestimmte Komponente selektiv sehr stark
adsorbiert, so daß praktisch keine Adsorption der gleichzeitig vorhandenen Komponenten
erfolgt. Dagegen ist im Niedrigkonzentrations-Bereich die Adsorptionsmenge der bestimmten
Komponente gering, so daß die gleichzeitig vorhandenen Komponenten in relativ großen
Mengen adsorbiert werden. Da ferner die Adsorption unter höherem Druck als die Desorption
durchgeführt wird, findet eine sehr starke Koadsorption der gleichzeitig vorhandenen
Komponenten statt. Dadurch wird die Temperatur des Adsorbens erhöht und seine Adsorptionsfähigkeit
für die bestimmte Komponente vermindert. Anschließend werden unter dem verminderten
Desorptionsdruck die adsorbierten Komponenten langsam aus dem Adsorbens entfernt.
Dabei werden zuerst die gleichzeitig vorhandenen Komponenten, in bezug auf die das
Adsorbens keine Selektivität hat, desorbiert. Es ist allgemein bekannt, daß die
Desorptionswärme sich während der Desorption entwickelt. Daher fällt die Temperatur
des Adsorbens aufgrund der Desorptionswärme der gleichzeitig vorhandenen Komponenten
ab. Im allgemeinen ist die Adsorptionsfähigkeit bei niedrigerer Temperatur höher,
so daß die Adsorptionsfähigkeit des Adsorbens, dessen Temperatur durch die Desorption
der gleichzeitig vorhandenen Komponenten gesenkt wurde, intensiviert wird.
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Daher verschlechtert sich die Desorptionsleistung, und derjenige Anteil
der bestimmten Komponente, der nicht desorbiert wurde, sammelt sich im Adsorbens
an. Damit ergibt sich während der wiederholten Adsorption und Desorption das mit
der Druckswing-Adsorption einhergehende neue Problem.
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Es gibt kein Adsorbens, das überhaupt keine Adsorptionsfähigkeit für
die gleichzeitig vorhandenen Komponenten und eine hohe selektive Adsorptionsfähigkeit
für die bestimmte Komponente aufweist. Wenn also die Adsorptionsbehandlung mit einer
einzigen Adsorptionsschicht durchgeführt werden soll, besteht die Adsorptionsschicht
entweder (1) aus einem Adsorbens, das für die bestimmte Komponente eine hohe selektive
Adsorptionsfähigkeit hat, oder (2) aus einem Adsorbens, das für die gleichzeitig
vorhandenen Komponenten keine Adsorptionsfähigkeit hat, oder (3) aus einem Mischsystem,
das die Adsorbentien (1) und (2) aufweist.
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Bei der Adsorptionsschicht aus dem Adsorbens (1) ergeben sich die
vorstehend erläuterten Probleme, weil dabei auch eine starke Adsorption der gleichzeitig
vorhandenen Komponenten im Niedrigkonzentrations-Bereich erfolgt.
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Die Adsorptionsschicht aus dem Adsorbens (2) hat keine hohe selektive
Adsorptionsfähigkeit für die bestimmte Komponente. Somit muß die Beschickungsmenge
des Adsorbens erhöht werden, und die Einrichtung wird sehr groß, so daß die Vorteile
des Druckswing-Adsorptionsverf ahrens verlorengehen. Mit der Adsorptionsschicht
entsprechend (3) stellt sich einmal das mit dem Adsorbens (2) im Hochkonzentrations-Bereich
der bestimmten Komponente einhergehende Problem, und zum anderen ergibt sich das
mit dem Adsorbens (1) im Niedrigkonzentrations-Bereich der bestimmten Komponente
einhergehende Problem.
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Wenn eine Adsorptionsschicht aus dem Adsorbens (2) auf der Seite des
ersten Gasleitungssystems und eine Adsorptionsschicht aus dem Adsorbens (1) auf
der Seite des zweiten Gasleitungssystems angeordnet ist, ist bei der Durchführung
der Adsorption die Adsorption der bestimmten
Komponente im Hochkonzentrations-Bereich
ungenügend, während die Koadsorption der gleichzeitig vorhandenen Komponenten im
Niedrigkonzentrations-Bereich stattfindet. Ferner besteht die Gefahr, daß bei der
Desorption der Gasstrom die in der Adsorptionsschicht auf der Seite des zweiten
Gasleitungssystems verbliebene bestimmte Komponente austreibt, wodurch die Reinheit
des aufbereiteten Gases vermindert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer
Einrichtung zur Gasaufbereitung durch Druckswing-Adsorption, wobei ein aufbereitetes
Gas mit hoher Reinheit unter Einsatz einer kleinen Menge Adsorbens erhalten wird;
dabei wird ein Konzentrationsanstieg einer bestimmten zu adsorbierenden Komponente
auch dann vermieden, wenn Adsorption und Desorption abwechselnd aufeinanderfolgend
wiederholt werden; ferner erfolgt dabei keine Zunahme der nichtadsorbiereten Mengen
gleichzeitig vorhandener Komponenten, die in einem aufbereiteten Gas enthalten sind
und aus diesem adsorbiert werden sollten, und zwar auch dann nicht, wenn Adsorption
und Desorption abwechselnd aufeinanderfolgend wiederholt werden; ferner soll ein
hoher Wirkungsgrad der Gasreinigung mit einer kleinen Einrichtung möglich sein.
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Das Gasaufbereitungsverfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
die Adsorption in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei in der ersten Stufe der in
einem Hochkonzentrations-Bereich liegende Teil der bestimmten Komponente des Ausgangsgases
und in der zweiten Stufe der in einem Niedrigkonzentrations-Bereich liegende Teil
der bestimmten Komponente des Ausgangsgases adsorbiert wird.
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Die Gasaufbereitungseinrichtung zur Durchführung des Druckswing-Adsorptionsverfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsschicht umfaßt: wenigstens eine erste
Adsorptionsschicht, die einen Teil wenigstens einer bestimmten Komponente des Ausgangsgases
in einem Hochkonzentrations-Bereich adsorbiert, und eine zweite Adsorptionsschicht,
die einen Teil der bestimmten Komponente in einem Niedrigkonzentrations-Bereich
adsorbiert.
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Bei dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfindung wird also
die Kohlensäuregas und Feuchtigkeit in hohen Konzentrationen enthaltende Luft durch
eine Adsorptionsschicht aus synthetischem Zeolith geleitet, der ein Volumen von
50 % einer Adsorptionskolonne einnimmt, so daß der größere Teil des Kohlensäuregases
und der Feuchtigkeit an der Adsorptionsschicht adsorbiert und dadurch ausgeschieden
wird, ohne daß eine Koadsorption von Sauerstoff und Stickstoff, die ebenfalls in
der Luft enthalten sind, erfolgt. Kohlensäuregas und Feuchtigkeit in geringen Konzentrationen,
die nicht durch die Adsorptionsschicht ausgeschieden wurden, werden dadurch adsorbiert
und ausgeschieden, daß die Luft ferner durch eine zweite Adsorptionsschicht geleitet
wird, die stromab von der ersten Adsorptionsschicht vorgesehen ist und die aus aktiviertem
Aluminiumoxid besteht, das die übrigen 50 % des Volumens der Adsorptionskolonne
einnimmt. Dadurch wird ein Gas hoher Reinheit erzeugt.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Gasaufbereitungsanlage
nach der Erfindung; Fig. 2 eine Grafik, die die Beziehungen zwischen dem Teilchendurchmesser
eines Adsorbens und dem Adsorbtionsgrad im Fall einer unter Druck ausgeführten Adsorption
zeigt; Fig. 3 eine Grafik, die die Temperaturänderungen von Adsorptionsmitteln während
der Umschaltung zwischen Adsorption und Desorption über der Zeit zeigt; und Fig.
4 eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Füllmenge von aktiviertem Aluminiumoxid
und der C02-Konzentration in einem aufbereiteten Gas in der Anlage nach Fig. 1 zeigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig.
1 erläutert.
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In einer einem Verdichter 1, in den Luft einströmt, nachgeschalteten
Stufe ist ein Gasleitungssystem.2 angeordnet.
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Das Gasleitungssystem 2 ist mit einem Gasleitungssystem 4 über ein
Ausgleichsventil 3 und mit einem Gasleitungssystem 6 über ein Ausgleichsventil 5
verbunden. Gesondert vom Gasleitungssystem 2 ist das Gasleitungssystem 4 über ein
Ausgleichsventil 7 mit einem Gasleitungssystem 8 verbunden. Ebenso ist das Gasleitungssystem
6 mit dem Gasleitungssystem 8 über ein Ausgleichsventil 9 verbunden.
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Das Gasleitungssystem 8 öffnet sich schließlich zur Atmosphäre. Das
Gasleitungssystem 4 ist mit dem unteren Teil
einer Adsorptionskolonne
10 und das Gasleitungssystem 6 mit dem unteren Teil einer Adsorptionskolonne 11
verbunden. Die Adsorptionskolonnen 10 und 11 sind gleich ausgebildet, und Trennplatten
12 und 13, die zwar porös sind, aber den Durchtritt von Teilchen eines Adsorptionsmittels
nicht erlauben, sind in den jeweiligen Kolonnen radial verlaufend angeordnet. Das
Innere der Adsorptionskolonne 10 ist durch die Trennplatte 12 in die Seite des Gaszuleitungssystems
4, auf der eine Adsorptionsschicht 14 angeordnet ist, und die entgegengesetzte Seite,
auf der eine Adsorptionsschicht 15 angeordnet ist, unterteilt. Das Innere der Adsorptionskolonne
11 ist durch die Trennplatte 13 in die Seite des Gaszuleitungssystems 6, auf der
eine Adsorptionsschicht 16 angeordnet ist, und die entgegengesetzte Seite, auf der
eine Adsorptionsschicht 17 angeordnet ist, unterteilt.
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Die Adsorptionsschichten 14 und 16 sind jeweils mit synthetischem
Zeolith mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5-10 a beladen. Dagegen sind
die Adsorptionsschichten 15 und 17 jeweils mit aktiviertem Aluminiumoxid beladen,
das im sauren Verfahren hergestellt ist und einen mittleren Teilchendurchmesser
von 30-70 R hat.
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Der Packungs- oder Füllanteil des aktivierten Aluminiumoxids in jeder
Adsorptionskolonne 10 und 11 ist 50 % der gesamten Adsorptionsschicht.
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Ein Gasleitungssystem 18 ist mit dem oberen Teil der Adsorptionskolonne
10 und ein Gasleitungssystem 19 mit dem oberen Teil der Adsorptionskolonne 11 verbunden.
Das von der Adsorptionskolonne 10 ferne Ende des Gasleitungssystems 18 ist mit einem
Gasleitungssystem 21 über ein Ausgleichsventil 20 und ferner über ein Ausgleichsventil
22 mit einem Gasleitungssystem 23 verbunden. Ebenso ist
das von
der Adsorptionskolonne 11 ferne Ende des Gasleitungssystems 19 mit dem Gasleitungssystem
21 über ein Ausgleichsventil 24 und mit dem Gasleitungssystem 23 über ein Ausgleichsventil
25 verbunden. Die Gasleitungssysteme 21 und 23 sind über Ausgleichsventile 26 und
27 verbunden.
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Aufgrund der erläuterten Ausbildung wird der Adsorptionsschritt in
der einen Adsorptionskolonne ausgeführt, während der Desorptionsschritt in der anderen
Adsorptionskolonne durchgeführt wird. Dabei wird zuerst die Luft im Verdichter 1
verdichtet und dem unteren Teil der Adsorptionskolonne 10 durch das Gasleitungssystem
2, das Ausgleichsventil 3 und das Gasleitungssystem 4 (in dieser Reihenfolge) zugeführt.
Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgleichsventil 7 geschlossen gehalten, um die Verbindung
zwischen der Adsorptionskolonne 10 und dem Gasleitungssystem 8 zu unterbrechen.
Das Ausgleichsventil 5 wird ebenfalls geschlossen gehalten, so daß die komprimierte
Luft nicht in die Adsorptionskolonne 11 strömt.
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Wie noch erläutert wird, sind aber die Adsorptionskolonne 11 und das
Gasleitungssystem 8 miteinander in Verbindung.
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Die am Unterende der Adsorptionskolonne 10 eingeführte komprimierte
Luft strömt zuerst durch die Adsorptionsschicht 14 aus synthetischem Zeolith. Dabei
wird der größte Teil von C02 und H20 innerhalb eines hohen Konzentrationsbereichs
adsorbiert und ausgeschieden, wobei die Stoffe C02 und H20 spezifische Komponenten
der Luft sind, die durch Adsorption aus dieser auszuscheiden sind.
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Anschließend durchströmt die komprimierte Luft die Trennplatte 12
und anschließend die Adsorptionsschicht 15 auf aktiviertem Aluminiumoxid. Dabei
werden die restlichen spezifischen Komponenten C02 und H20 mit geringer Konzentration
adsorbiert und ausgeschieden, ohne daß dabei gleichzeitig
Stickstoff
(N2) und Sauerstoff (02), die im Gasstrom ebenfalls vorhandene Komponenten sind,
adsorbiert werden.
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Das so erhaltene aufbereitete Gas wird zu einer Rektifizierkolonne
(nicht gezeigt) geleitet, und zwar durch das Gasleitungssystem 18, das Ausgleichsventil
20 und das Gasleitungssystem 21. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgleichsventil 22
geschlossen gehalten, um die Verbindung zwischen der Adsorptionskolonne 10 und dem
Gasleitungssystem 23 zu blockieren. Ein Teil des aufbereiteten Gases strömt in das
Gasleitungssystem 23 durch die Ausgleichsventil3 26 und 27. Das Gasleitungssystem
23 ist für ein für die Desorption eingesetztes Gas vorgesehen und öffnet sich zur
Atmosphäre durch das Gasleitungssystem 8, wie noch erläutert wird. Das Gasleitungssystem
23 führt zum oberen Teil der Adsorptionskolonne 11 durch das Ausgleichsventil 25
und dann durch das Gasleitungssystem 19. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgleichsventil
24 geschlossen gehalten und blockiert die Verbindung zwischen dem Gasleitungssystem
19 und dem Gasleitungssystem 21. Das Ausgleichsventil 22 wird ebenfalls geschlossen
gehalten, so daß das für die Desorption bestimmte Gas nicht in die Adsorptionskolonne
10 strömt und den Adsorptionsschritt ausführt. Das unter vermindertem Druck vom
oberen Teil der Adsorptionskolonne 11 eingeführte aufbereitete Gas durchströmt zuerst
die Adsorptionsschicht 17 aus aktiviertem Aluminiumoxid. Dabei werden die in nur
geringen Mengen adsorbierten Adsorbate desorbiert. Das Gasstrom bewirkt eine weitere
Desorption, während er durch die Trennplatte 13 und die Adsorptionsschicht 16 strömt
und am unteren Ende der Adsorptionskolonne 11 austritt. Das aus dem unteren Teil
der Adsorptionskolonne 11 austretende Gas wird durch
das Gasleitungssystem
6, das Ausgleichsventil 9 und das Gasleitungssystem 8 zur ATmosphäre geleitet. Zu
diesem Zeitpunkt wird das Ausgleichsventil 5 geschlossen gehalten, so daß keine
komprimierte Luft einströmt.
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Zusätzlich wird das Ausgleichsventil 7 geschlossen gehalten, um die
Verbindung zwischen den Gasleitungssystemen 4 und 8 zu blockieren. Wie oben erwähnt,
werden die Ausgleichsventile 3, 9, 20 und 25 geöffnet, und die Ausgleichsventile
5, 7, 22 und 24 werden geschlossen, so daß der Adsorptionsschritt in der Adsorptionskolonne
10 und der Desorptionsschritt in der Adsorptionskolonne 11 durchgeführt werden.
Durch das abwechselnde Durchführen dieser Schritte in den jeweiligen Kolonnen wird
kontinuierlich aufbereitetes Gas erhalten. Für die Durchführung der Desorption in
der Adsorptionskolonne 10 und der Adsorption in der Adsorptionskolonne 11 werden
die Ausgleichsventile 3, 9, 20 und 25 geschlossen und die Ausgleichsventile 5, 7,
22 und 24 geöffnet.
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Mit diesem Ausführungsbeispiel werden folgende Auswirkungen erhalten.
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Die aus dem synthetischen Zeolith bestehenden Adsorptionsschichten
14 und 16 adsorbieren ausschließlich die spezifischen Komponenten C02 und H20 in
den hohen Konzentrationsbereichen, wogegen die Adsorptionsschichten 15 und 17 aus
dem aktivierten Aluminiumoxid das verbliebene C02 und H20 in den niedrigen Konzentrationsbereichen
adsorbieren, wobei gleichzeitig möglichst wenig der mitvorhandenen Komponenten N2
und O2 adsorbiert wird, so daß die Koadsorption von N2 vermieden wird. Ferner werden
die durch Adsorption auszuscheidenden spezifischen Komponenten C02 und H20 in hohem
Maß ausgeschieden.
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Da die Adsorptionsmenge der mitvorhandenen Komponente
N2,
bei der die Gefahr einer Desorption besteht und die möglicherweise eine Quelle für
die Desorptionswärmeerzeugung werden könnte, gering ist, wird ein Temperaturabfall
während der Desorption vermieden. Selbst wenn also die Adsorption und die Desorption
abwechselnd wiederholt werden, erhöhen sich die Mengen von nichtadsorbiertem CO
und H20, die im aufbereiteten Gas enthalten sind, obwohl sie hätten ausgeschieden
werden sollen, nicht.
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Fig. 2 zeigt die Adsorptionsstärke über den Teilchendurchmessern der
als Adsorptionsschichten vorhandenen Adsorptionsmittel, wobei diese Kurven erhalten
wurden, wenn die komprimierte Luft in die Adsorptionsschichten eingeleitet wurde.
Die Kurve i bezeichnet den Verlauf im Fall von H20, die Kurve ii den Verlauf für
C02 und die Kurve iii den Verlauf im Fall von N2. Die übrigen Linien sind Betriebskennlinien,
die der Erläuterung dienen, und die Schnittpunkte zwischen den jeweiligen Kurven
und den Betriebskennlinien bezeichnen die Adsorptionsstärken der entsprechenden
Komponenten innerhalb einer Adsorptionskolonne. Die Betriebskennlinie a bezieht
sich auf einen synthetischen Zeloith mit einem Teilchendurchmesser von 10a; die
Betriebskennlinie b betrifft aktiviertes Aluminiumoxid, das im sauren Verfahren
hergestellt wurde und einen Teilchendurchmesser von 50 a hat; und die Betriebskennlinie
c betrifft aktiviertes Aluminiumoxid, das im Alkaliverfahren hergestellt wurde und
einen Teilchendurchmesser von 100 a hat. Die doppelte Adsorptionsschicht gemäß dem
vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel entspricht der Betriebskennlinie d. Die
zu Vergleichszwecken eingeführte Betriebskennlinie e betrifft eine umgekehrte doppelte
Adsorptionsschicht, d. h. einen Fall, bei dem
die Schicht aus aktiviertem
Aluminiumoxid mit einem Teilchendurchmesser von 50 R auf der Seite des ersten Gasleitungssystems
angeordnet ist, und die Betriebskennlinie f betrifft ein gemischtes Adsorptionsmittel
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 R, wobei der synthetische Zeolith
mit einer Teilchengröße von 10 a und das aktivierte Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße
von 50 a im Verhältnis 1:1 vermischt sind.
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist das vorher angegebene Verfahren
bezüglich der Adsorption und Ausscheidung von H20 und C02 sehr gut, wobei gleichzeitig
nur sehr wenig N2 mitadsorbiert wird. Offensichtlich ist das Verfahren von den in
der Figur angegebenen Möglichkeiten für die Ausbildung der Adsorptionsschichten
am besten geeignet.
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Fig. 3 zeigt Temperaturänderungen innerhalb der Adsorptionsschichten
während des Wechsels zwischen Adsorption und Desorption, wobei diese Temperaturänderungen
erhalten werden, wenn der synthetische Zeolith und das im sauren Verfahren hergestellte
aktivierte Aluminiumoxid jeweils für sich eingesetzt wurden. Dabei bezeichnet die
Kurve iv die Tendenz des synthetischen Zeoliths, und die Kurve v bezeichnet die
Tendenz des aktivierten Aluminiumoxids. Wie aus der Figur ersichtlich ist, verläuft
die Temperaturänderung des senthetischen Zeoliths sehr steil im Gegensatz zu derjenigen
des aktivierten Aluminiumoxids Somit ist ersichtlich, daß dann, wenn nur der synthetische
Zeolith eingesetzt wird, ein unbefriedigendes Desorptionsergebnis erhalten wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt das Volumen des aktivierten Aluminiumoxids
in der gesamten Adsorptionsschicht 50 %. Dies ist die optimale Füllmenge im Hinblick
auf
die Ausscheidung von C02 aus dem Gas, wie aus Fig. 4 hervorgeht, die die Beziehung
zwischen der Füllmenge des aktivierten Aluminiumoxids und der C02-Konzentration
im aufbereiteten Gas zeigt. Nach durchgeführten Untersuchungen ist es für die Unterdrückung
der C02 Konzentration im gereinigten Gas auf 20 ppm oder weniger erwünscht, die
Füllmenge des aktivierten Aluminiumoxids auf 25-80 % einzustellen.
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Ferner wird bei dem Ausführungsbeispiel ein Teil des durch die Adsorption
erhaltenen aufbereiteten Gases als Desorptionsgas eingesetzt. Dies hat die Auswirkung,
daß der Einsatz eines gesonderten Gases für die Desorption entfallen kann.
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Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf ein Gasaufbereitungsverfahren
erläutert, bei dem C02 und H20 aus der Luft abgeschieden werden; die Erfindung ist
jedoch nicht darauf beschränkt.
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Nachstehend werden konkrete Beispiele für die Aufbereitung von stickstoffreichem
Gas oder von Luft unter Verwendung der eingangs erläuterten Einrichtung beschrieben,
wobei nur die Adsorptionsschichten innerhalb der Adsorptionskolonnen unterschiedlich
sind. Beide Adsorptionskolonnen hatten einen Innendurchmesser von 200 mm und eine
Höhe von 1000 mm.
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Beispiel 1: Aufbereitung von Luft durch Abscheidung von H20 und C02
(1) Die Adsorptionsschichten 15 und 17 wurden mit im sauren Verfahren hergestelltem
aktiviertem Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße von 50 a beladen, und die Adsorptionsschichten
14
und 16 wurden mit synthetischem Zeolith mit einer Teilchengröße von 10 R beladen.
Der Füllanteil des aktivierten Aluminiumoxids betrug 60 %.
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Für die Durchführung betrug der Adsorptionsdruck 8 kg/cm2 G, der Desorptionsdruck
war ATMosphärendruck, der Luftdurchsatz betrug 100 Nm3/h, und der Durchsatz von
aufbereitetem Gas für die Regeneration betrug 40 Nm3/h. Die Konzentrationen von
H20 und C02 in der komprimierten Luft betrugen 1600 ppm bzw. 330 ppm. Die Zeit der
Umstellung der Adsorptionskolonnen betrug 15 min in einem halben Kreislauf. Das
Ergebnis war, daß die Konzentrationen sowohl von H20 als auch von C02 im aufbereiteten
Gas unter 1 ppm sanken.
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Konkretes Beispiel 2: Aufbereitung von Luft durch Ausscheidung von
H20 und C02 (2) Es wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie
in Beispiel 1 angewandt, wobei nur die Füllmenge des aktivierten Aluminiumoxids
30 % betrug.
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Dabei wurden die Konzentrationen von H20 und C02 im aufbereiteten
Gas auf 2 ppm bzw. 5 ppm gesenkt.
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Vergleichsbeispiel 1: Aufbereitung von Luft durch Ausscheidung von
H20 und CO (1) Die Adsorptionskolonnen wurden nur mit dem synthetischen Zeolith
beladen; im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen
wie im konkreten Beispiel 1 angewandt. Dabei wurden die Konzentrationen von H20
und C02 im aufbereiteten Gas auf 5 ppm bzw. 30 ppm gesenkt.
Vergleichsbeispiel
2. Aufbereitung von Luft durch Ausscheiden von H20 und CO (2) Die Adsorptionskolonnen
wurden ausschließlich mit dem aktivierten Aluminiumoxid beladen, und im übrigen
wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie im konkreten Beispiel
1 angewandt. Dabei wurden die Konzentrationen von H20 bzw. C02 im aufbereiteten
Gas auf 4 ppm bzw. 25 ppm gesenkt.
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Konkretes Beispiel 3: Aufbereitung von N2-Gas durch Ausscheidung von
H20 und C02 ein N2-reiches Gas mit einer Konzentration an H20 von 1600 ppm und an
C02 von 1200 ppm, das unter einem 2 Druck von 8 kg/cm G stand, wurde als Ausgangsgas
eingesetzt, und ein N2-Gas, dessen Konzentration an H20 10 ppm und an C02 0,1 ppm
betrug, wurde als Desorptionsgas eingesetzt. Im übrigen wurden die gleiche Einrichtung
und die gleichen Bedingungen wie im konkreten Beispiel 1 angewandt. Dabei wurden
die Konzentrationen an H20 bzw.
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C02 im aufbereiteten N2-reichen Gas auf 3 ppm bzw.
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5 ppm gesenkt.
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Konkretes Beispiel 4: Aufbereitung von N2-Gas durch Ausscheiden von
NH3 Die Adsorptionsschichten 15 und 17 wurden mit aktiviertem Aluminiumoxid mit
einem Teilchendurchmesser von 50 R und die Adsorptionsschichten 14 und 16 mit synthetischem
Zeolith mit einem Teilchendurchmesser von 10 a beschickt. Der Füllanteil des aktivierten
Aluminiumoxids betrug 50 %.
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Das Beispiel wurde durchgeführt mit einem Adsorptionsdruck von 6 kg/cm2
G, einem Desorptionsdruck, der Atmosphärendruck war, einem Durchsatz des Ausgangsgases
von 150 Nm3/h und einem Durchsatz eines für die Regeneration eingesetzten aufbereiteten
Gases von 30 Nm3/h. Das Ausgangsmaterial war ein N2-reiches Gas, das 1000 ppm NH3
enthielt. Die Zeit für den Wechsel der Adsorptionskolonnen betrug 15 min in einem
halben Kreislauf. Dabei wurde die NH3-KOnzentration im aufbereiteten Gas auf weniger
als 5 ppm gesenkt.
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Vergleichsbeispiel 3: Aufbereitung von N2-Gas durch Ausscheiden von
NH3 Die Adsorptionskolonnen wurden nur mit dem synthetischen Zeolith beschickt,
und im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie im
konkreten Beispiel 4 angewandt. Dabei wurde die NH3-Konzentration im aufbereiteten
Gas auf 45 ppm gesenkt.
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Konkretes Beispiel 5: Aufbereitung von N2-Gas durch Ausscheiden von
H20, C02 und NO Das Ausgangsmaterial war ein N2-reiches Gas mit 1600 ppm H20, 1200
ppm C02 und 300 ppm NO; im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen
Bedingungen wie im konkreten Beispiel 1 angewandt. Die H20- bzw. C02- bzw.
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NO-KOnzentrationen im aufbereiteten N2-reichen Gas wurden auf 3 ppm
bzw. 7 ppm bzw. 15 ppm gesenkt.
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Vergleichsbeispiel 4: Aufbereitung von N2-Gas durch Ausscheiden von
H20, CO und NO Die Adsorptionskolonnen wurden nur mit dem synthetischen Zeolith
beschicht; im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen
wie im konkreten Beispiel 5 angewandt. Dabei wurden die H20- bzw. CO2-bzw. NO-Konzentrationen
im aufbereiteten N2-reichen Gas auf 5 ppm bzw. 41 ppm bzw. 120 ppm gesenkt.
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L e e r s e i t e