DE3045978A1

DE3045978A1 - Verfahren zum trennen eines gasgemisches

Info

Publication number: DE3045978A1
Application number: DE19803045978
Authority: DE
Inventors: Takehisa Tokyo Inoue; Kishio Kamakura Kanagawa Miwa
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1979-12-07
Filing date: 1980-12-05
Publication date: 1981-06-11
Also published as: ES497488A0; JPS5742367B2; IT8026442A0; FR2471205A1; FR2471205B1; GB2065496B; ES8200821A1; GB2065496A; IT1141113B; US4515605A; JPS5681119A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein neues Druckpendel-Adsorptionsverfahren (pressure-swing-Adsorptionsverfahren) zur Abtrennung mindestens einer Komponente aus einem Gasgemisch. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein verbessertes Trennverfahren für ein Gasgemisch, beispielsweise zur Gewinnung oder Isolierung von Stickstoff aus Luft, wobei Stickstoff eine in Luft enthaltene selektiv adsorbierbare Komponente ist, unter Verwendung eines Adsorptionsmittels, wie eines Zeoliths.

Als Trennverfahren für Gasgemische war bereits ein sogenannten Druckpendel-Adsorptionsverfahren bekannt, bei dem nacheinander in der angegebenen Reihenfolge nachstehende Grundstufen wiederholt durchgeführt werden: eine Adsorptionsstufe, in der eine im Gasgemisch enthaltene selektiv adsorbierbare Komponente durch einen Anstieg des Druckes selektiv an einem Adsorptionsmittel adsorbiert wird, eine Spülstufe, in der ein an der selektiv adsorbierbaren Komponente angereichertes Spülgas in das Adsorptionsmittel eingeleitet wird, um die selektiv adsorbierbare Komponente zu konzentrieren, und eine Desorptionsstufe, in der das an der selektiv adsorbierbaren Komponente angereicherte Gas unter Druckverminderung von dem Adsorptionsmittel desorbiert wird (beispielsweise US-Patentschriften 3 797 und 4 070 164).

In diesen Druckänderungs- bzw. Druckpendel-Adsorptionsverfahren ist es dann, wenn ein Teil des an der selektiv adsorbierbaren Komponente angereicherten Gases, das in der Desorptionsstufe desorbiert wird, gewonnen wird und

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der verbleibende Anteil als Spülgas in der Spülstufe eingesetzt wird, erforderlich, daß das als Spülgas anzuwendende desorbierte Gas auf erhöhten Druck gebracht wird, der mindestens dem Druck der Spülstufe entspricht. Wenn dieses Spülgas einmal in eine Adsorptionskolonne eingeleitet worden ist, um die Spülstufe durchzuführen, wird eine weniger stark selektiv adsprbierbare Komponente aus der Kolonne ausgetrieben und ein Gas, das an der weniger selektiv adsorbierbaren Komponente angereichert ist, aus der Adsorptionskolonne abgezogen. Obwohl dieses abströmende Gas praktisch den gleichen Druck wie das Spülgas hat, wird dieser Druck keinesfalls ausgenutzt, was den tatsächlichen Verhältnissen auf diesem Gebiet entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Druckpendel-Adsorptionsverfahren zur Abtrennung eines an mindestens einer selektiv adsorbierbaren gasförmigen Komponente angereicherten Gases aus einem Gasgemisch zur Verfügung zu stellen. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein wirksameres Trennverfahren für ein Gasgemisch zu schaffen, bei dem der Druck des gasförmigen Abstroms ausgenutzt wird.

Andere Aufgaben, Gegenstände und Vorteile der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Trennen eines Gasgemisches unter Verwendung von mindestens drei Adsorptionskolonnen, die., jeweils mit einem Adsorptionsmittel gefüllt sind, das Adsorptionsfähigkeit für eine in dem Gasgemisch vorhandene selektiv adsorbierbare Komponente aufweist, bei dem als Grundverfahrensstufen eine Adsorptionsstufe für das Gasgemisch unter ansteigendem Druck, eine

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Spülstufe unter Anwendung eines an der selektiv adsorbierbaren Komponente angereicherten Spülgases und eine durch Druckverminderung bewirkte Desorptionsstufe nacheinander wiederholt werden. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in der Adsorptionsstufe das Ausgangsgemisch bei einem Druck zuführt, der niedriger als des des Spülgases ist und nach Beendigung der Adsorptionsstufe mindestens einen Teil des 'Gas-AbStroms einer Adsorptionskolonne zur Durchführung der Spülstufe in die Adsorptionskolonne, in der die Adsorptionsstufe gerade beendet ist, und die für die Spülstufe bereit ist, einleitet und diese Adsorptionskolonne dadurch unter Druck setzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus mindestens einer Adsorptionsstufe, einer Spülstufe und einer Desorptionsstufe. Diese Stufen werden gleichzeitig in gesonderten Adsorptionskolonnen durchgeführt, wobei im Wechsel die Kolonnen nach jedem festgelegten Zeitabschnitt ihre Funktion ändern. Auf diese Weise wird kontinuierlich ein Gas gewonnen, das an mindestens einer selektiv adsorbierbaren Gaskomponente angereichert ist. Es sind daher für die Zwecke der Erfindung mindestens 3 Adsorptionskolonnen erforder-lieh. Die Maximalzahl der Kolonnen ist nicht begrenzt, da erforderlichenfalls mit diesen Verfahrensstufen eine zusätzliche Verfahrensstufe kombiniert werden kann. Darüber hinaus kann die gleiche Verfahrensstufe gleichzeitig in verschiedenen Kolonnen durchgeführt werden.

Zu einer genaueren Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hier auf die am stärksten bevorzugte Anwendungsmöglichkeit dieses Verfahrens Bezug genommen, d. h. auf den Fall, in welchem Stickstoff als selektiv adsorbierbare Komponente aus Luft unter Verwendung eines Zeolith-

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Adsorptionsmittels abgetrennt und gewonnen wird. Zu diesem Zweck können bekannte Zeolith-Adsorptionsmittel verwendet wirde, beispielsweise Zeolith A, Zeolith X, Zeolith Y, Mordenit und Clinoptilolith. Es sind sowohl synthetische, als auch natürliche Zeolithe anwendbar und je nach Lage des Falls können zwei oder mehr dieser Zeolith-Adsorptionsmittel kombiniert angewendet werden.

In einer Adsorptionskolonne, in der die Adsorptionsstufe vorüber ist und die Spülstufe gerade begonnen werden soll, beginnt die Durchführung der Spülstufe, nachdem die Kolonne auf etwa den gleichen Druckwert gebracht wurde, wie der Druck des Spülgases. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt diese Druckerhöhung durch Einleiten des gasförmigen Abstroms aus einer Adsorptionskolonne unter Durchführung der Spülstufe in die Adsorptionskolonne, in der die Adsorptionsstufe beendet ist. In diesem Fall kann dieser gasförmige Abstrom von einer beliebigen Seite her.in die zuletzt genannte Adsorptionskolonne eingeleitet werden; wenn jedoch die Sauerstoffkonzentration des gasförmigen Abstroms zu hoch ist, wird bevorzugt, daß dieser gasförmige Abstrom von der Seite eingeleitet wird, die der Einleitung der Ausgangsluft gegenüber liegt, und wenn die Sauerstoffkonzentration des gasförmigen Abstroms niedrig ist, wird bevorzugt, den gasförmigen Abstrom von der Seite der Zuführung der Ausgangsluft her einzuleiten. Vorzugsweise wird das Gas, das im letzten Teil der Spülstufe abströmt, in die Adsorptionskolonne eingeleitet. Die Menge des einzuleitenden gasförmigen Abstroms, die in Abhängigkeit von dem Druck des Gasgemisches oder der Einleitungszeit variiert, beträgt vorzugsweise 5 bis 50 % und insbesondere 10 bis 40 %

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des abströmenden Gases. Die Adsorptionskolonne, die auf die vorstehend beschriebene Weise im wesentlichen auf den gleichen Druck wie das Spülgas gebracht wurde, beginnt nun mit der Durchführung der Spülstufe. Andererseits wird in der Adsorptionskolonne, in der die Spülstufe vorüber ist, die Durchführung der Desorptionsstufe begonnen, in der an dem Adsorptionsmittel adsorbiertes, an Stickstoff angereichertes Gas desorbiert wird, indem der Druck innerhalb der Kolonne erniedrigt wird.

Wenn auch der Verfahrensdruck für die Abtrennung und Gewinnung von Stickstoff aus Luft nicht begrenzt ist, wird im Hinblick auf den Druck bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, daß der Druck des Spülgases im Bereich von 1,5 bis 7 bar Überdruck, insbesondere von 2 bis 4 bar überdruck liegt, und daß der Ausgangs-Luftdruck im Bereich von etwa Atmosphärendruck bis 5 bar Überdruck, insbesondere von 0,5 bis 3,5 bar überdruck liegt.

Wenn der Druck des Ausgangsgasgemisches zu niedrig ist, tritt die Notwendigkeit auf, den erforderlichen Anteil des gasförmigen Abstroms, der erforderlich ist, um die Adsorptionskolonne, in der die Adsorptionsstufe beendet ist, unter Druck zu setzen, zu erhöhen, da die Gefahr besteht, daß die Reinheit des gewonnenen Stickstoffes erniedrigt wird, wenn auch der Vorteil erzielt wird, daß die zum Komprimieren dieses Gases erforderliche Energie vermindert werden kann. Der Wert des Druckes der Ausgangsluft wird daher unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens festgelegt. Eine bevorzugte Differenz zwischen dem Druck des Spülgases und dem Druck des Ausgangsgasgemisches beträgt 0,5 bis 3,& bar. Der bevorzugte End-Desorptionsdruck gemäß der Erfindung beträgt 0,09 bis 1,01 bar

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(70 bis 760 Torr).

Nachstehend werden typische Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; das erfindungsgemäße Verfahren soll jedoch nicht auf diese beschränkt sein.

In den Zeichnungen stellt Figur 1 ein schematasches Fließdiagramm dar, das ein Beispiel einer Vorrichtung zur Abtrennung von Stickstoff aus Luft zeigt. Figur 2 ist ein Teil-Fließschema, welches eine Modifikation der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zeigt.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind drei Adsorptionskolonnen (1 bis 3) vorgesehen, die jeweils mit einem Adsorptionsmittel gefüllt sind. Luft, die auf einen höheren Druck als Atmosphärendruck komprimiert wurde, wird durch ein Einleitungsrohr 17 für das Gasgemisch und ein Ventil 8 in eine Adsorptionskolonne 1 geleitet, in welcher die Desorptionsstufe beendet ist (der Kompressor zum komprimieren der Luft ist hier nicht dargestellt). In diesem Augenblick werden die Ventile 5, 11 und 14 geschlossen und die Adsorptionskolonne 1 führt unter der Einwirkung des erhöhten Druckes die Adsorptionsstufe durch. In den Zeichnungen bedeuten die schwarz gezeichneten Ventile geschlossene und die weiß gezeichneten Ventile offene Ventile.

In eine Adsorptionskolonne 2, in der die Adsorptionsstufe bereits vollständig durchgeführt wurde, wird durch ein Spülgas-Einleitungsrohr 19 und ein Ventil 15 Spülgas eingeleitet. Das Sauerstoff enthaltende abströmende Gas, welches durch das Spülgas herausgewaschen wurde, wird durch ein

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Ventil 6 in ein Abgas-Ableitungsrohr 21 geführt. Der Innendruck der Adsorptionskolonne 2 wird mit Hilfe eines Druckregelventils 22 bei einem vorbestimmten Wert gehalten. In diesem Augenblick sind die Ventile 9 und 12 geschlossen und die Adsorptionskolonne befindet sich in der Spülstufe.

Stickstoffgas, dessen Reinheit durch die Spülstufe erhöht wurde, strömt aus der Adsorptionskolonne 3, in der die Spülstufe beendet wurde, und wird unter der Saugwirkung eines Kompressors 24 durch Ventil 13 und ein Ableitungsrohr für desorbiertes Gas 18 desorbiert. Zu diesem Zeitpunkt sind die Ventile 7, 10 und 16 geschlossen und die Adsorptionskolonne 3 befindet sich in der Desorptionsstufe. Das desorbierte Gas wird mit Hilfe des Kompressors 24 auf den Druck der Spülstufe komprimiert und wird zu einem Zwischenbehälter 4 geleitet, aus dem ein Teil des desorbierten Gases als Produktgas durch ein Produktgas-Ableitungsrohr 20 abgezogen wird, während das verbleibende Gas durch ein Reduzierventil 23 strömt und zu dem Spülgas-Einleitungsrohr 19 geleitet wird, um dort als Spülgas verwendet zu werden.

Durch weiteres Fortschreiten in der Ventilöffnungs-Sehließ-Sequenz zu der folgenden Stufe werden die Adsorptionskolonnen 1,2 und 3 in die Spülstuf e">" Desorptionsstufe bzw. Adsorptionsstufe übergeführt. Wenn diese Sequenz vorher eingestellt wird, so daß die Weiterschaltung in gewissen Zeitabständen erfolgt, ist es möglich, Stickstoff aus Luft kontinuierlich abzutrennen und zu gewinnen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter den in Fig. 1 gezeigten Bedingungen wird die Adsorptionsstufe in Kolonne 1 zuende gebracht, bevor die Spülstufe (in Adsorptionskolonne 2) beendet wird, danach werden

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die Ventile 22 und 8 geschlossen und das Ventil 5 wird geöffnet, um das Innere der Adsorptionskolonne 1 auf im wesentlichen den Druck der Spülstufe in der Adsorptionskolonne 2 zu komprimieren. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann dieses Komprimieren dadurch erfolgen, daß eine Verbindung zwischen dem Abgas-Ableitungsrohr und dem Einleitungsrohr 17 für das Gasgemisch mit Hilfe eines zusätzlichen Ventils 25 hergestellt wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Fall sind die Ventile 5 und 26 geschlossen, während die Ventile 8 und 25 offen sind, und das Innere der Adsorptionskolonne komprimiert wird. In Fig. 2 ist das Ventil 25 geschlossen und das Ventil 26 geöffnet, ausgenommen dann, wenn die Adsorptionskolonne, in der die Adsorptionsstufe beendet worden ist, mit Hilfe des abströmenden Gases unter Druck gesetzt wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Druck des in der Spülstufe entnommenen gasförmigen Abstroms ausgenutzt, so daß der Druck des Ausgangsgasgemisches auf einen niederen Wert eingestellt werden kann· Die zum Komprimieren dieses Gases erforderliche Energie kann daher vermindert werden und darüber hinaus nimmt die Menge des in die Adsorptionskolonnen eingeleiteten Gasgemisches ab und die Gewinnung eines selektiv adsorbierbaren Gaskomponente wird verbessert.

Bei der Abtrennung und Gewinnung einer in einem Gasgemisch enthaltenen selektiv adsorbierbaren Komponente wird somit ein gasförmiger Abstrom, in dem eine weniger selektiv adsorbierbare Komponente als Verunreinigung angereichert ist, in eine Adsorptionskolonne eingeleitet, was zu einer verminderten Konzentration der selektiv adsorbierbaren Komponente in dieser Kolonne führt; wie aus dem. erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, das nachstehend beschrieben ist, jedoch

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ersichtlich ist, tritt dadurch kaum eine oder höchstens eine geringfügige Verminderung der Reinheit des gewonnen Stickstoffes auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Beispiel

In der Vorrichtung und dem Fließschema, die in Fig. 1 dargestellt sind, wurden die Adsorptionskolonnen 1, 2 und 3 jeweils mit etwa 15 kg eines mit Ca ausgetauschten synthetischen Zeoliths A (Korngröße entsprechend 10 bis 16 Maschen, Korndurchmesser 2,0 bis 1,19 mm), der bei 500 ⁰C kalziniert worden war, gefüllt. Durch das Einleitungsrohr 17 für das Gasgemisch wurde Luft eingeleitet, aus der vorher Feuchtigkeit und Kohlendioxid entfernt worden waren. Andererseits wurde durch das Spülgas-Einleitungsrohr 19 ein Spülgas eingeleitet, welches einen Teil eines unter einem Druck von 3 bar überdruck desorbierten Gases darstellte. Das Einleiten des Spülgases erfolgte in einer Fließrate von 4,3 Nm /h. In der Desorptionsstufe wurde der Druck innerhalb der Adsorptionskolonne, in der die Desorptionsstufe durchgeführt wurde, mit Hilfe des Kompressors 24 in etwa 3 min. von 3 bar Überdruck auf 0,31 bar t230 Torr) vermindert und das desorbierte Gas wurde gewonnen. Das Volumen des durch das Produktgas-Ableitungsrohr 20 gewonnenen desorbierten Gases betrug etwa 1,7 Nm /h.

Unter den vorstehend beschriebenen Verfahrensbedingungen wurde die Adsorptionsstufe mit variierenden Drücken der Ausgangsluft durchgeführt, danach wurde die Adsorptionskolonne, in der die Adsorptionsstufe beendet war, mit Hilfe

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des gasförmigen Abstroms aus der Kolonne, in der die Spülstufe gerade durchgeführt wurde, auf einen Druck komprimiert, der fast gleich dem Druck dieses gasförmigen Abstroms war. In dieser Verfahrensstufe wurde das öffnen oder Schließen des Ventils so eingestellt, daß das im letzten Teil der Spülstufe abströmende Abgas die Adsorptionskolonne unter Druck setzte, in der die Adsorptionsstufe vorüber war. Das heißt, daß in jeder Adsorptionskolonne die Spülstufe und die Desorptionsstufe jeweils während einer Dauer von 3 min. durchgeführt wurden, während die Adsorptionsstufe innerhalb von 3 min. beendet wurde und das verbliebene Zeitintervall bis zu 3 min. angewendet wurde, um das Komprimieren mit Hilfe des gasförmigen Abstroms durchzuführen.

Die vorstehend beschriebene Verfahrensweise wurde kontinuierlich durchgeführt und zyklisch wiederholt, wobei Stickstoff gewonnen wurde. In der nachstehenden Tabelle 1 wird der Zusammenhang zwischen dem gewonnenen Stickstoff und dem Druck der Ausgangsluft gezeigt.

Tabelle 1

Versuch Nr.	Druck der Ausgangsluft (bar Überdruck)	Reinheit des ge wonnenen Stick stoffes (mol%)
1	2	99,9
2	1/5	99,7
3	1,0	99,1

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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Adsorptionsstufe bei einem niedrigeren Druck der Ausgangsluft durchgeführt wird, als dem Spülgasdruck, wird somit nicht nur Stickstoff in hoher Reinheit erhalten, sondern auch die Kosten für elektrische Energie können vermindert werden, da der Druck der Ausgangsluft bei einem niederen Wert gehalten werden kann, wodurch die Verfahrenskosten vermindert werden. So kann beispielsweise im Fall von Versuch 1 im Vergleich mit einer Verfahrensführung, bei der der Druck der Ausgangsluft auf den gleichen Wert wie der Spülgasdruck (3 bar Überdruck) eingestellt wird, das Kompressionsverhältnis für die Ausgangsluft von 4 auf 3 vermindert werden, was einen außerordentlichen wirtschaftlichen Vorteil darstellt.

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Claims

PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜSEL-HOPF E^BlNGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 A 3, MÖNCHEN 9O _ _

POSTADRESSEiPOSTFACH 95 O1 6O₁ D-8OOO MÖNCHEN SB 3 O A O 9 / Q

ALSO PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

" KARL LUDWIO SCHIFF (1Θ64-197Β)

DIPL. CHEM. OR. ALEXANDER V. FÜNER

DIPL. INQ. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. INa. DIETER EBBINQHAUS

DR. ING. DIETER FINCK

TELEFON (ΟΒΒ)4β3Ο54 TELEX B-SS ΕβΕ AURO D

TELEORAMME auromarcpat München

TORAY INDUSTRIES, INCORPORATED

5. Dezember 1980 DEA-13 489

VERFAHREN ZUM TRENNEN EINES GASGEMISCHES

Patentansprüche

Verfahren 'zum Trennen eines Gasgemisches unter Verwendung von mindestens drei Adsorptionskolonnen, die jeweils mit einem Adsorptionsmittel gefüllt sind, das Adsorptionsfähigkeit für eine in dem Gasgemisch vorhandene selektiv adsorbierbare Komponente aufweist, bei dem als Grundverfahrensstufen eine Adsorptionsstufe für das Gasgemisch unter ansteigendem Druck, eine Spülstufe unter Anwendung eines mit der selektiv adsorbierbaren Komponente angereicherten Spülgases und eine durch Druckverminderung bewirkte Desorptionsstufe nacheinander wiederholt werden, dadurch
gekennzeichnet, daß man
in der Adsorptionsstufe das Ausgangsgasgemisch bei einem Druck

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zuführt, der niedriger als der des Spülgases ist und nach Beendigung der Adsorptionsstufe mindestens einen Teil des■gasförmigen Abstroms aus einer Adsorptionskolonne zur Durchführung der Spülstufe in die Adsorptionskolonne, in der die Adsorptionsstufe gerade beendet ist, und die für die Spülstufe bereit ist, einleitet und diese Adsorptionskolonne dadurch unter Druck setzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man als zu trennendes Gasgemisch Luft einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2_f dadurch gekennzeichnet , daß man als Adsorptionsmittel einen Zeolith verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man den Druck des Spülgases bei einem Wert im Bereich von 1,5 bis 7 bar Überdruck, den Druck des Ausgangsgasgemisches im Bereich von Atmosphärendruck bis 5 bar überdruck und die Differenz zwischen beiden Drücken im Bereich von 0,5 bis 3,0 bar hält.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß man den gasförmigen Abstrom auf der Seite der Einleitung des Ausgangsgasgemisches in die Adsorptionskolonne einleitet, in der die Adsorptionsstufe gerade beendet wurde.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5_f dadurch gekennzeichnet , daß man als gasförmigen Abstrom, der nach Beendigung der Adsorptionsstufe in die Adsorptionskolonne eingeführt wird, einen Gasstrom verwendet, der im letzten Teil der Spülstufe abströmt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge des gasförmigen Abstroms, der nach Beendigung der Adsorptionsstufe in die Adsorptionskolonne, die für die Spülstufe bereit ist, eingeleitet wird, im Bereich von 5 bis 50 Vol.-% des gesamten gasförmigen Abstroms beträgt.

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