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Adsorptionsverfahren
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen von mindestens zwei
Rohgasströmen unterschiedlicher Zusammensetzung in einer einzigen Adsorptionsanlage
mit mehreren, im Druckwechsel betriebenen, zyklisch umschaltbaren Adsorbern, die
jeweils eine Adsorptionsphase und eine Stufen der Entspannung, der Spülung und des
Druckaufbaus umfassende Regenerierphase durchlaufen. Als Rohgasstrom wird dabei
jeder Gasstrom angesehen, der der Adsorptionsanlage zugeführt und in ihr zerlegt
wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Adsorptionsanlage zur Durchführung des
Verfahrens.
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Ein Verfahren der genannten Art ist bereits aus der DE-OS 28 54 060
bekannt. Dort wird aus einem ersten Rohgasstrom ein Einsatzgas für eine chemische
Reaktion in einer Druckwechsel-Adsorptionanlage abgetrennt. Dieses Einsatzgas gelangt
dann in eine Reaktionszone, in der nur eine relativ geringe Umsetzung erfolgt, so
daß das aus dieser Zone austretende Reaktionsprodukt noch einen hohen Gehalt an
nicht umgesetztem Einsatzgas aufweist. Das Reaktionsprodukt wird deshalb (als zweiter
Rohgasstrom) erneut in die Adsorptionsanlage geführt, um eine Rückführung der nicht
umgesetzen An-
teile des Einsatzgases in die Reaktionszone zu bewirken.
Bei diesem bekannten Verfahren werden die beiden Rohgasströme während unterschiedlicher
Betriebsphasen jedem Adsorber aufgegeben. Insbesondere sind hierfür entweder zwei
aufeinander folgende Adsorptionsphasen oder eine Druckaufbauphase und eine Adsorptionsphase
vorgesehen. Das Verfahren ist insbesondere auf die Zerlegung von Luft und die Abtrennung
von Ozon aus einem Sauerstoff-Ozon-Gemisch ausgerichtet.
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Die Beladung der Adsorber mit verschiedenen Komponenten aus verschiedenen
Rohgasströmen hat zur Folge, daß unter Berücksichtigung des insgesamt einem Adsorber
zugeführten Rohgases eine Verdünnung der zu adsorbierenden Komponente des einen
Rohgases durch das jeweils andere Rohgas stattfindet.
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Durch eine solche Verdünnung wird eine niedrigere Beladung am Adsorptionsmittel
erreicht, so daß für die Zerlegung des Rohgases mehr Adsorptionsmittel benötigt
wird als bei der getrennten Zerlegung der Rohgasströme in zwei Adsorptionsanlagen.
Ein weiterer Nachteil ist, daß im Restgas auel1 alle adsorbierten Komponenten enthalten
sind. In vielen Anwendungsfällen weisen die aus den Teil strömen abgetrennten Komponenten
nämlich stark voneinander abweichende Eigenschaften auf, die eine getrennte Verwendung
dieser Restgasströme als zweckmäßig erscheinen lassen.
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Diese Nachteile ließen sich bisher nur durch den Einsatz je einer
Druckwechsel-Adsorptionsanlage für jeden Rohgasstrom vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß bei möglichst geringem Aufwand die nicht adsorbierten
Komponenten des Rohgases in hoher Ausbeute gewonnen werden können.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jedem Rohgasstrom
eine
Gruppe von Adsorbernzugeordnet wird, durch die der jeweilige Rohgasstrom in zyklisch
umschaltbarer Weise geführt und dabei zerlegt wird, daß jeder Adsorber nur einer
Gruppe zugehört und daß mindestens während einer Stufe der Entspannung anfallendes
Entspannungsgas in einen in einer Regenerierphase befindlichen Adsorber einer anderen
Gruppe geleitot wird. Mit einem derartigen Entspannungsgas kann ein Druckausgleich
mit einem im Druckaufbau befindlichen Adsorber einer anderen Gruppe erfolgen, oder
ein solches Entspannungsgas kann zur Spülung eines Adsorbers einer anderen Gruppe
herangezogen werden.
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Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäße Verfahrens ist die austrittsseitige
Kopplung zweier oder mehrerer eintrittsseitig getrennter Adsorptionsanlagen, durch
die eine besonders hohe Ausbeute der nicht adsorbierten Komponenten der Rohgase
ermöglicht wird. Begründet wird die hohe Ausbeute dadurch, daß eine erfindungsgemäße
integrierte Anlage eine stärkere Unterteilung der Regenerierphase in einzelne Stufen
erlaubt als einzelne Anlagen mit insgesamt der gleichen Anzahl an Adsorbern. Die
Erhöhung der Adsorberzahl durch die Integration zweier eintrittsseitig getrennter
Adsorptionsanlagen erlaubt, mehr Druckausgleichstakte während der Regenerierung
durchzuführen und damit die Verluste der nicht adsobierten Komponenten zu verringern.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Ausbeuten erreichen, die bei getrennten
Anlagen mit jeweils der gleichen Adsorberzahl wie die erfindungsgemäß integrierte
Anlage erreichbar wären, wozu jedoch erheblich höhere Investitionen erforderlich
wären.
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In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Restgase, die bei der Desorption der Adsorber anfallen, zumindest zum
Teil gruppenweise getrennt voneinander abgezogen. Bei unterschiedlichen Zusammensetzungen
der verschiedenen Restgase können diese dadurch einer je-
weils
günstigen Verwendung zugeführt werden.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung der Erfindung werden die
während einer Adsorptionsphase aus den einzelnen Adsorbergruppen austretenden Produktgase
über eine gemeinsame Produktleitung abgezogen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet füir die Zerlegung
von zwei oder mehr Rohgasströmen unterschiedlicher Zusammensetzung, die eine gemeinsame,
nicht oder nur gering adsorbierbare Fraktion und daneben verschiedene adsorbierbare
Komponenten enthalten. In einem solchen Fall kann von den Austrittsenden der einzelnen
Adsorbergruppen Produktgas abgezogen und über eine gemeinsame Produktleitung abgeführt
werden, und darüber hinaus sind aus jeder Adsorbergruppe getrennte Restgasfraktionen
zu gewinnen. Im Vergleich zu mehreren getrennten Anlagen für jeweils ein Rohgas
kann damit bei gleichen rnvcstitionskoutcn cillc wesentlich höhere Ausbeute an der
nicht oder nur gering adsorbierten Komponente erzielt werden. Bei Auslegung der
getrennten Anlagen auf die gleiche Ausbeute ergäben sich dagegen wesentlich höhere
Investitionskosten.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren bestehen die einzelnen Adsorbergruppen
aus jeweils mindestens zwei Adsorbern, wobei die Anzahl der Adsorber innerhalb der
einzelnen Gruppen verschieden sein kann. In einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung enthalten die Gruppen jedoch mindestens vier Adsorber, um eine kontinuierliche
Produktgasabgabe aus den einzelnen Gruppen zu gewährleisten.
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Die von den einzelnen Adsorbern im Betriebsfall zu durchlaufenden
Zyklen von Adsorptions- und Regenerierphase sind für die Adsorber einer Gruppe jeweils
gleich, jedoch in ihrem zeitlichen Ablauf gegeneinander vesetzt. Die Zyklen un-
terschiedlicher
Gruppen können dagegen verschieden sein, sofern nur gewährleistet wird, daß die
Zyklen hinsichtlich der gemeinsamen Regenerierstufen aufeinander abgestimmt sind.
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Sofern alle Gruppen gleichviele Adsorber enthalten, ist es besonders
zweckmäßig, daß alle Adsorber gleichartige, zeitlich gegeneinander versetzte Zyklen
durchlaufen.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird das während der
Regenerierung aus einer Adsorbergruppe abgezogene Restgas als Rohgas für eine andere
Adsorbergruppe verwendet. Dieses Verfahren führt zu besonders hohen Ausbeuten der
nicht adsorbierten Komponenten, wenn das Restgas durch Spülung der Adsorber mit
an Produktgas reichem Entspannungsgas oder direkt mit Produktgas durchgeführt wird.
Von besonderem Vorteil ist dieses Verfahren bei der Zerlegung eines Rohgases, das
die nicht adsorbierbare Komponente bereits in hoher Konzentration enthält. In solchen
Fällen ergibt sich nämlich häufig ein Restgas, das die nicht adsorbierbare Komponente
noch in relativ hoher Konzentration enthält.
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Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Adsorptionsanlage
besteht aus mehreren Gruppen von Adsorbern, deren Zahl sich nach der Anzahl der
Rohgasströme richtet. Die Adsorber jeder Gruppe sind dabei an ihrer Eintrittsseite
mit je einer Rohgasleitung und einer Restgasleitung verbunden und austrittsseitig
mit einer Produktgasleitung und mit einem allell Adsorbern gemeinsamen System von
Druckausgleichsleitungen und Spülgasleitungen verbunden. Die Leitungen sind dabei
in üblicherWeise mit Schaltventilen, die den Ablauf der Zyklen der Adsorber regeln,
versehen.
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Häufig ist es zweckmäßig, alle Adsorber mit einer gemeinsamen Produktgasleitung
zu verbinden und von dieser Leitung
Abzweigungen zu den Austrittsenden
der Adsorber vorzusehen, über die ein Druckaufbau der Adsorber, zweckmäßigerweise
die letzte Druckaufbaustufe, durchgeführt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Adsorptionsanlage
kann beispielsweise bei der Gewinnung von Wasserstoff aus verschiedenen Rohgasströmen,
beispielsweise einem Raffineriegas, das neben Wasscrstoff noch leiciit&' Kohlenwasserstoffe
enthält und aus einem durch Dampfreformierung gewonnenen Rohwasserstoff, der im
wesentlichen mit Methan und Kohlenoxiden verunreinigt ist, eingesetzt werden, aber
auch bei anderen Gastrennung wie beispielsweise der Abtrennung von Stickstoff aus
Luft und anderen Gasströmen, der Abtrennung von Methan aus leichte Kohlenwasserstoffe
enthaltenden Strömen oder der Abtrennung von Kohlendioxid aus Synthesegasen oder
anderen Strömen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines
in den Zeichnungen in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Adsorptionsanlage mit zehn
Adsorbern, die in zwei Gruppen aufgeteilt sind, und Figur 2 ein Zeitablaufschema
für den Betrieb der Anlage gemäß Figur 1.
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In der dargestellten Anlage sind die zehn Adsorber 1, 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8, 9, 10 in zwei Gruppen von je fünf Adsorbern aufgeteilt. Eine, die Adsorber
1, 3, 5, 7 und 9 umfassende Gruppe ist eintrittsseitig an eine Rohgasleitung 111,
die andere, die Adsorber 2, 4, 6, 8 und 10 umfassen die Gruppe an eine zweite Rohgasleitung
112 angeschlossen. Das Aus-
trittsende aller Adsorber ist mit einer
gemeinsamen Produktgasleitung 113 verbunden.
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Dem Adsorber 1 sind auf der Eintrittsseite Schaltventile 11 und 12
und auf der Austrittsseite Schaltventile 13, 14, 15 und 16 zugeordnet, durch deren
Betätigung die einzelnen Phasen eines Zyklus umgeschaltet werden. In entsprechender
Weise sind die übrigen Adsorber 2 bis 10 mit Schaltventilen 21 - 26 bis 101 - 106
ausgestattet.
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Die durch die Endziffer 2 charakterisierten Schaltventile auf der
Eintrittsseite der Adsorber stehen für beide Gruppen getrennt mit zwei Restgasleitungen
114 und 115 in Verbindung. Die Restgasleitungen führen in Pufferbehälter 116 und
117, aus denen über die Leitungen 118 bzw. 119 die Restgase abgezogen werden.
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Die in den einzelnen Adsorbern nacheinander ablaufenden Vorgänge seien
am Beispiel des Adsorbers 1 erläutert.Die in Klammern hinzugefügten Angaben AA,
AB, El bis ES, S, BO bis B3 beziehen sich auf die einzelnen Stufen des Zyklus, wie
sie im Zeitablaufschema der Figur 2 dargestellt sind.
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Unter dem Adsorptionsdruck stehendes Rohgas aus Leitung 111 gelangt
durch das geöffnete Ventil 11 in den Adsorber 1. Hier werden die leichter adsorbierbaren
Komponenten festgehalten, während die schlechter adsorbierbaren Bestandteile die
Anlage über das geöffnete Ventil 13 und die Produktgasleitung 113 verlassen. Die
Adsorption (AB) kann unter Verwendung sämtlicher bekannter Adsorptionsmittel, z.B.
Aktivkohle, Silikagel, Aluminiumoxidgel und Molekularsiebe, durchgeführt werden.
Die Wahl des jeweiligen Adsorptionsmittels richtet sich dabei nach der Art des zu
zerlegenden Gasgemisches. Während der Adsorption bildet sich innerhalb des Adsorbers
eine Adsorptionsfront aus,
die mit zunehmender Beladung in Richtung
des Austrittsendes des Adsorbers fortschreitet. Die Adsorptionsphase (AA) wird beendet,
bevor die Adsorptionsfront das Austrittsende des Adsorbers 1 erreicht hat. Hierzu
werden die Ventile 11 und 13 geschlossen. Das im Adsorber 1 eingeschlossene Gas
wird anschließend in einer ersten Entspannungsstufe (El) im Gleichstrom über das
geöffnete Ventil 14 abgezogen und dem in einer dritten Druckaufbaustufe (51 ) befindlichen
Adsorber 6 über das geöffnete Ventil 64 zugeleitet. Nach erfolgtem Druckausgleich
wird das Ventil 14 geschlossen und Ventil 15 geöffnet. Dadurch weiterhin aus dem
Adsorber 1 abströmendes Entspannungsgas (E2) wird über das geöffnete Ventil 75 dem
in einer zweiten Druckaufbaustufe (B2) befindlichen Adsorber 7 zugeleitet. Nach
erfolgtem Druckausgleich wird das Ventil 75 geschlossen und durch Offenen des Ventils
85 ein dritter Druckausgleich mit dem Adsorber 8 eingeleitet. Der Adsorber 1 durchläuft
dabei eine dritte Entspannungsstufe (E3), während sich der Adsorber 8 in einer ersten
Druckaufbaustufe (B3) befindet.
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Nach den drei Druckausgleichsstufen schließt sich für den Adsorber
1 eine weitere Entspannung (E4) an, während der Entspannungsgas nach Schließung
des Ventils 15 über das nunmehr geöffnete Ventil 16 und das geöffnete Ventil 96
in den Adsorber 9 gelangt. Im Adsorber 9 wird dabei eine Spülung (S) durchgeführt,
und das dabei aus dem Eintrittsende des Adsorbers 9 austretende Gas wird über das
geöffnete Ventil 92 in die Restgasleitung 114 abgegeben. Die Spülung des Adsorbers
9 durch das Entspannungsgas aus dem Adsorber 1 wird dann durch Schließen des Ventils
96 beendet, und durch öffnen des Ventils 106 wird weiterhin eine Spülung vorgenommen,
nunmehr mit dem Adsorber 10, der einer anderen Gruppe angehört. Das am Eintrittsende
dieses Adsorbers 10 austretende Spülgas wird durch das geöffnete Ventil 102 in die
Restgasleitung 115 abgegeben.
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Die bisher beschriebenen vier Entspannungsstufen werden alle in Adsorptionsrichtung
vorgenommen, das Entspannungsgas wird also am Austrittsende des Adsorbers abgezogen.
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Der Druckaufbau bzw. die Spülung der Adsorber mit dem dabei anfallenden
Entspannungsgas erfolgt dagegen stets entgegen der Adsorptionsrichtung.
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Der nunmehr weitgehend entspannte Adsorber 1 wird anschließend in
einer fünften Entspannungsstufe (E5) bei nunmehr geschlossenem Ventil 16 durch öffnen
des Ventils 12 an die Restgasleitung 114 angeschlossen und auf den niedrigsten Verfahrensdruck,
denspü@druck, entspannt. Ansch@àeßend wird Spülgas über das wieder geöffnete Ventil
16 aus dem in einer vierten Entspannungsphase befindlichen Adsorber 2 über das ebenfalls
geöffnete Ventil 26 auf das Austrittsende des Adsorbers 1 gegeben, so daß durch
das weiterhin geöffnete Ventil 12 ein Restgas über Leitung 114 abgegeben wird. Nach
Beendigung der Hälfte des Spültaktes wird Ventil 26 geschlossen und weiteres Spülgas
durch das geöffnete Ventil 36 aus dem nunmehr in einer vierten Entspannungsstufe
befindlichen Adsorber 3 in den Adsorber 1 geleitet.
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Nach Beendigung der Spülphase werden die Ventile 12 und 16 geschlossen,
und der Adsorber 1 ist nunmehr von den in der Adsorptionsphase (AA) adsorbierten
Komponenten befreit. Bevor ihm wiederum Rohgas zugeführt wird, erfolgt nunmehr ein
vierstufiger Druckaufbau über das Austrittsende des Adsorbers. In einer ersten Druckaufbaustufe
(B3) wird über die geöffneten Ventile 15 und 45 Entspannungsgas aus dem in einer
dritten Entspannungsphase befindlichen Adsorber 4 eingeleitet. Nach erfolgten Druckausgleich
wird das Ventil 45 geschlossen und durch öffnen des Ventils 55 gelangt weiteres
Entspannungsgas aus dem in einer zweiten Entspannungsphase befindlichen Adsorber
5 in den Adsorber 1.Nach erfolgtem Druckausgleich wird das Ventil 15 geschlossen.
Durch öffnen des Ventils 14 wird eine dritte Druckaufbauphase (B1)
eingeleitet,
wobei ein Druckausgleich mit dem in einer ersten Entspannungsphase (El) befindlichen
Adsorber 6 über das geöffnete Ventil 64 erfolgt. Anschließend folgt noch eine vierte
Druckaufbaustufe (BO), während der der Adsorber 1 durch über Leitung 120 abgezweigtes
Produktgas wieder auf den Adsorptionsdruck gebracht wird.
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In der Figur 2 ist ein Zeitablaufschema für die Adsorber 1 bis 10
der eben beschriebenen Anlage dargestellt. Die einzelnen Adsorber sind durch die
untereinander angeordneten waagerechten Balken charakterisiert. Die Abzisse ist
die Zeitachse, so daß zu gleichen Zeiten die Adsorber in den jeweils senkrecht übereinander
angeordneten Betriebszuständen sind.
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Das Schema stellt ein Prinzipschema dar. Aus diesem Grund ist auch
auf der Abzisse keine definierte Zeit für die Zyklusdauer bzw. für die einzelnen
Takte angegeben, da die Länge der einzelnen Verfahrensschritte innerhalb gewisser
Grenzen den Verfahrensgegebenheiten, der Rohgaszusammensetzung, der gewünschten
Produktgasreinheit etc., angepaßt und variiert werden kann.
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Die im Zeitablaufschema auftretenden Bezeichnungen haben die folgende
Bedeutung: AA kennzeichnet die Adsorbtionsphase für das über Leitung 111 herangeführte
Rohgas, AB kennzeichnet die Adsorbtionsphase für das über Leitung 112 herangeführte
zweite Rohgas, El kennzeichnet eine Entspannung in Adsorptionsrichtung zum Druckaufbau
Bl, E2 kennzeichnet eine Entspannung in Adsorptionsrichtung zum Druckaufbau B2,
E3 kennzeichnet eine Entspannung in Adsorpitonsrich-
tung zum Druckaufbau
B3, E4 kennzeichnet eine Entspannung in Adsorptionsrichtung zum Spülen, ES kennzeichnet
eine Entspannung entgegen der Adsorptionsrichtung ins Restgas, S kennzeichnet eine
Spülung mit Entspannungsgas aus einer Stufe E4, B1 kennzeichnet einen Druckaufbau
mit einem Entspannungsgas von El, B2 kennzeichnet einen Druckaufbau mit einem Entspannungsgas
von E2, B3 kennzeichnet einen Druckaufbau mit einem Entspannungsgas von E3 und BO
kennzeichnet einen Druckaufbau mit Produktgas.
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Mit Hilfe dieser Angabe läßt sich aus dem Zeitablaufschema ohne weiteres
ersehen, welche Adsorber jeweils in Druckausqie teh miteinander s Lehen. So ist
beispielsweise während des ersten Adsorptionstaktes ein Druckausgleich zwischen
den Adsorbern 7 und 2 (Stufen El und B1) sowie 6 und 3 (Stufen E3 und B3) festzustellen.
Die Adsorber 5 und 4 stehen während dieser Zeit ebenfalls in Verbindung, wobei Entspannungsgas
(E4) aus Adsorber 5 zur Spülung des Adsorbers 4 anfällt. Die Adsorber 1, 8, 9 und
10 durchlaufen während dieser Zeit eine Adsorptionsphase. In entsprechender Weise
läßt sich für jeden Takt die Adsorberschaltung ermitteln.
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Wie aus dem Zeitablaufschema ersichtlich, sind zu gleicher Zeit jeweils
vier Adsorber in einer Adsorptionsphase, und zwar SÜets zwei Adsorber jeder C#rup!>#
die Adsorptionsphasen der einzelnen Adsorber sind um etwa ein Viertel ihrer Zeitdauer
gegeneinander verschoben, so daß, wenn im Adsorber 1 die Adsorptionsphase beendet
ist und die Adsorptionsphasen in den Adsorbern 2, 3 und 4 noch laufen,der Adsorber
5 zugeschaltet wird. Die Adsorptionsphasen und die einzelnen
Stufen
der Regenerierphase sind für alle Adsorber gleich. Ein vollständiger Zyklus besteht
aus 20 Takten, von denen 8 die Adsorptionsphase ausmachen, je eine die Entspannungsstufen
El, E2, E3 und ES sowie die Druckaufbaustufen B3, B2, B1 und BO. Die Entspannungsstufe
E4 und die Spülung S umfassen schließlich jeweils zwei Takte.