DE3207089C2

DE3207089C2 -

Info

Publication number: DE3207089C2
Application number: DE19823207089
Authority: DE
Inventors: Peter Hancock Findlay Ohio Us Wilson
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1982-02-26
Filing date: 1982-02-26
Publication date: 1988-03-10
Also published as: DE3207089A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckwechseladsorptionsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Druckwechseladsorptionsverfahren (kurz auch PSA- Verfahren genannt) dieser Art (US-PS 37 97 201) erfolgt zunächst ein Steigern des Druckes in der Adsorptionskolonne von dem niedrigen auf den hohen Druck durch Einleiten des auf dem hohen Druck befindlichen Gasgemisches in die Adsorptionskolonne. Im Verlauf der anschließenden, bei dem hohen Druck ablaufenden Adsorptionsphase wird die leicht adsorbierbare Gaskomponente in dem Adsorptionsmittel adsorbiert. Durch das darauffolgende Spülen der Kolonne bei dem hohen Druck mit einem reinen Gas in Form der leicht adsorbierbaren Gaskomponente wird die weniger leicht adsorbierbare Komponente durch die reine, leicht adsorbierbare Komponente aus dem Adsorptionsbett verdrängt. Im Vergleich zu Verfahren ohne eine derartige Spülphase führt dies zu einer reineren adsorbierten Phase und zu gesteigerter Reinheit der leicht adsorbierbaren Komponente, die im Zuge der anschließenden Desorption durch Senken des Druckes auf den niedrigen Druck gewonnen wird. Dabei muß jedoch ein relativ großer Anteil der leicht adsorbierbaren Gaskomponente für die Spülphase zurückgeleitet und ausgehend von dem niedrigen Druck auf den hohen Druck wiederaufgedrückt werden, was mit hohen Betriebskosten verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckwechseladsorptionsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei relativ geringen Betriebskosten zu hoher Ausbeute und hohem Reinheitsgrad der leicht adsorbierbaren Komponente eines Einsatzgasgemisches führt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung, das sich auch als invertiertes Druckwechseladsorptionsverfahren bezeichnen läßt, wird also ein Zyklus durchlaufen, der folgende Phasen umfaßt: (1) Adsorption bei dem niedrigen Druck, (2) Aufdrücken auf den hohen Druck, (3) Spülen bei dem hohen Druck und Abführen von angereichertem Abgas, d. h. der unreinen, weniger leicht adsorbierbaren oder leichten Komponente, und (4) Druckminderung, wobei die leicht adsorbierbare oder schwere Komponente bei niedrigem Druck als das gewünschte Produkt mit gesteigerter Reinheit freigesetzt wird. Bei der Niederdruckadsorption der Phase (1) wird die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente des Gasgemisches adsorbiert, weil sie auf einem höheren Komponenten-(oder Partial-)Druck als dem Druck der Komponente in dem Bett liegt, der anfänglich und nach jeder Druckminderungsphase des Prozeßzyklus vorherrscht. Die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente des Gasgemischs verdrängt und verarmt auf diese Weise die leicht adsorbierbare Gaskomponente in der adsorbierten Phase auf dem Adsorptionsmittel. Infolgedessen läuft eine sich vorschiebende Gasphasenzone der leichter adsorbierbaren Gaskomponente vor einer Gasphasenzone her, die sowohl die leicht als auch die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente enthält. Die Erhöhung des Druckes in der Adsorptionszone im Verlauf der zweiten Verfahrensphase bewirkt die selektive Adsorption der leicht adsorbierbaren Gaskomponente. Dies führt zu einer Abreicherung der leicht adsorbierbaren Gaskomponente in der Gasphase und zu einer entsprechenden Anreicherung der Gasphase mit der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente. Durch das Spülen der Adsorptionszone mit der leicht adsorbierbaren Gaskomponente in der Phase (3) wird die mit der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente angereicherte Gasphase aus der Adsorptionszone herausgetrieben. Die Absenkung des Druckes der Adsorptionszone in der Phase (4) führt dann zur Freisetzung der leicht adsorbierbaren Gaskomponente durch das Adsorptionsmittel mit hohem Reinheitsgrad. Wird das Verfahren in Anlagen mit zwei oder mehr Adsorptionskolonnen durchgeführt, wird vorzugsweise mit Zwischenphasen gearbeitet, bei denen der Druck in einem Adsorberbett, das eine Druckminderung erfahren soll, mit dem Druck in einem oder mehreren Adsorberbetten ausgeglichen wird, die aufgedrückt und gespült werden sollen.

Durch Steigern des Druckes in der Adsorptionskolonne von dem niedrigen auf den hohen Druck und die dabei bewirkte Anreicherung der weniger leicht adsorbierbaren oder leichten Komponente in der Gasphase verbunden mit einer weiteren Abreicherung der leicht adsorbierbaren oder schweren Komponente in der Gasphase aufgrund von zusätzlicher selektiver Adsorption dieser Komponente durch das Adsorptionsmittel braucht nur eine relativ geringe Menge der leicht adsorbierbaren Gaskomponente als Spülgas für die Beseitigung des angereicherten Abgases, d. h. der unreinen, weniger leicht adsorbierbaren oder leichten Komponente, bei hohem Druck herangezogen zu werden. Dies stellt einen wesentlichen betriebstechnischen Vorteil gegenüber dem genannten bekannten Druckwechseladsorptionsverfahren dar, bei dem eine größere Menge der leicht adsorbierbaren Komponente benötigt wird, um die weniger stark angereicherte Gasphase aus der Adsorptionskolonne herauszutreiben.

Das Druckwechseladsorptionsverfahren nach der Erfindung erlaubt es, Stickstoff oder andere inerte Gase von brauchbarer Reinheit an Stellen oder bei Anwendungen zu erzeugen, wo konventionelle Inertgasgeneratoren oder Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen nicht einsetzbar sind. Beispielsweise eignet es sich für einen Einsatz an Bord von Lastwagen, Flugzeugen oder Schiffen oder für Anwendungen, bei denen Gas in kleinen Mengen und/oder intermittierend benötigt wird. Mit dem Druckwechseladsorptionsverfahren nach der Erfindung kann auch Methangas von hohem Heizwert aus niedrigen Heizwert aufweisenden Gemischen desselben mit Stickstoff in Erdgaslagern gewonnen werden, wobei das Verfahren mit verfügbaren Tieftemperaturverfahren konkurrieren kann.

Geeignete Adsorptionsmittel sind bekannt (US-PS 37 97 201) und stehen handelsüblich zur Verfügung. Beispiele dafür sind Silica-Gel, Aktivkohle, Zeolithe und natürlich vorkommender Tuff, der hauptsächlich aus SiO₂, Al₂O₃ und Wasser besteht und 1 bis 10 Gew.-% Alkali- und Erdalkalimetalloxide enthält. Das vorliegende Verfahren ist nicht auf die Trennung von Zweikomponentengemischen beschränkt. Vielmehr können die leicht adsorbierbare Komponente und/oder die weniger leicht adsorbierbare Komponente ihrerseits aus zwei oder mehr Komponenten bestehen. Eine wichtige Anwendung des Verfahrens besteht darin, Stickstoff als die leicht adsorbierbare Komponente mit verbesserter Reinheit aus Luft zu gewinnen. Eine andere wichtige Anwendung ist die Gewinnung von Methan und Äthan als leicht adsorbierbare Komponenten aus Gasgemischen, welche diese Komponenten zusammen mit Stickstoff als der weniger leicht adsorbierbaren Komponente enthalten, wie dies beispielsweise bei Erdgaslagern der Fall ist.

Die bei der Absenkung des Druckes in der Adsorptionskolonne freigesetzte leicht adsorbierbare Gaskomponente kann mindestens teilweise als Produktgas abgezogen werden. Beispielsweise kann ein Produktgas mit verbesserter Reinheit aus der Kolonne herausgespült werden. Die leicht adsorbierbare Gaskomponente kann auch als Spülgas eingesetzt werden, um die freigesetzte, leicht adsorbierbare Gaskomponente aus der Adsorptionskolonne als Produktgas zu beseitigen.

Entsprechend einer abgewandelten Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung wird mindestens ein Teil der leicht adsorbierten Gaskomponente, die nach Absenken des Druckes auf den niedrigen Druck aus der Kolonne durch Einleiten des Gasgemisches verdrängt wird, als Produktgas abgezogen. Vorzugsweise werden zum Aufdrücken der Kolonne auf den hohen Druck zusätzliche Mengen der leicht adsorbierbaren Gaskomponente in die Kolonne eingeführt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Gasgemisch mindestens zwei jeweils ein Adsorptionsmittelbett enthaltenden Adsorptionskolonnen zugeführt, und der Druckwechseladsorptionszyklus mit Adsorption bei niedrigem Druck, Spülen bei dem hohen Druck und Druckminderung zwecks Freisetzung der leicht adsorbierbaren Komponente wird der Reihe nach in jedem Bett durchgeführt.

Wird der Druckwechseladsorptionszyklus in einem Dreibettsystem durchgeführt, ist die Verfahrensführung vorzugsweise derart, daß das Gasgemisch jeweils nur in eines der Betten für die Niederdruck-Adsorptionsphase eingeleitet wird, während gleichzeitig in einem zweiten Bett eine Drucksteigerung und ein Spülen erfolgen und in einem dritten Bett der Druck abgesenkt wird, wobei der Druckwechseladsorptionsprozeß unter Vertauschung der Rollen der drei Betten derart fortgesetzt wird, daß das zuvor die Adsorptionsphase durchlaufende Bett auf die Drucksteigerungs- und Hochdruckspülphase geschaltet wird, in dem zuvor die Drucksteigerungs- und Spülphase durchlaufenden Bett der Druck abgesenkt wird und das zuvor die Druckminderungsphase durchlaufende Bett auf die Adsorptionsphase geschaltet wird. Dabei wird ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt, wenn während der Adsorption in einem Bett ein Druckausgleich in dem zweiten und dritten Bett vorgenommen wird, indem von dem Bett, dessen Druck gesenkt werden soll, in das aufzudrückende und zu spülende Bett geleitet wird, bevor ein weiteres Aufdrücken des zweiten Bettes auf den hohen Druck erfolgt und das dritte Bett eine weitere Druckabsenkung auf den niedrigen Druck erfährt.

Wird dagegen der Druckwechseladsorptionszyklus in einem Vierbettsystem durchgeführt, wird vorzugsweise das Gasgemisch jeweils nur in eines der Betten eingeleitet und in zyklischer Weise in jedes Bett das Gasgemisch für die Adsorption der weniger leicht adsorbierbaren Komponente bei dem niedrigen Druck eingespeist, das Bett auf den hohen Druck aufgedrückt, das Bett bei dem hohen Druck gespült und der Druck in dem Bett auf den niedrigen Druck abgesenkt, wobei die Betten ihre Rollen derart vertauschen, daß das zuvor die Adsorptionsphase durchlaufende Bett dann auf den hohen Druck aufgedrückt wird, das zuvor aufgedrückte Bett bei dem hohen Druck gespült wird, das zuvor gespülte Bett eine Druckminderung auf den niedrigen Druck erfährt und in dem zuvor die Druckminderungsphase durchlaufenden Bett die Niederdruckadsorption der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente von zusätzlichen Mengen des Gasgemischs erfolgt. Dabei ist vorteilhaft dafür gesorgt, daß während der Adsorption in einem Bett ein Druckausgleich zwischen dem Bett, das zuvor die Adsorptionsphase bei niedrigem Druck durchlaufen hat und einem Bett, dessen Druck abgesenkt wird, vorgenommen wird, indem Gas von dem Bett, dessen Druck gesenkt wird, in das aufzudrückende Bett geleitet wird, bevor eine weitere Druckminderung in dem auf den niedrigen Druck zu entspannenden Bett erfolgt, sowie daß in einer gesonderten späteren Phase ein Druckausgleich zwischen dem aufzudrückenden Bett und dem nächsten Bett durchgeführt wird, dessen Druck im Anschluß an die Hochdruckspülphase abgesenkt wird, indem Hochdruckgas von dem nächsten Bett, das eine Druckminderung erfährt, in das aufzudrückende Bett übergeleitet wird, bevor ein weiterer Druckausgleich und eine Druckminderung des zu entspannenden Bettes auf den niedrigen Druck sowie eine weitere Drucksteigerung in dem aufzudrückenden Bett auf den hohen Druck erfolgen, wobei jedes Bett seinerseits vor der endgültigen Druckminderung auf den niedrigen Druck zwei Druckausgleichsphasen durchläuft.

Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich einsetzen, um aus Luft ein Stickstoffproduktgas mit einer Reinheit von mindestens etwa 95% zu gewinnen. Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt es ferner, aus Erdgasgemischen von Methan, Äthan und Stickstoff, die einen Heizwert in der Größenordnung von etwa 28 000 kJ/Nm³ haben, ein Methan und Äthan enthaltendes Produktgas mit einem Heizwert in der Größenordnung von 41 000 kJ/Nm³ zu gewinnen. Dabei eignen sich die bevorzugten Drücke gemäß den Ansprüchen 10 und 11 für die Stickstoffgewinnung aus Luft bzw. die Gewinnung von Methan und Äthan aus Gemischen mit Stickstoff. Im übrigen lassen sich der für die Adsorption vorgesehene niedrige Druck, der hohe Druck für das Spülen und die Ausgleichsdrücke bei Mehrbettsystemen in Abhängigkeit von den Erfordernissen des jeweiligen Anwendungsfalles variieren, wobei für den gewünschten Ausgleich zwischen den notwendigen Reinheitsgraden und den Betriebskosten zu sorgen ist und alle anderen Faktoren in Betracht zu ziehen sind, die für einen bestimmten Anwendungsfall maßgebend sein können.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer drei Adsorptionskolonnen aufweisenden Anlage zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer für das Verfahren nach der Erfindung geeigneten Anlage mit vier Adsorptionskolonnen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind drei Adsorberbetten 1, 2 und 3 vorgesehen, um im wesentlichen aus Sauerstoff und Stickstoff bestehende Einsatzluft unter Gewinnung von Stickstoff mit einer Reinheit von mehr als etwa 95% zu zerlegen. In der ersten Phase strömt Einsatzluft über einer Leitung 4′ und ein Ventil 11 in das Bett 1 ein. Stickstoffreiches Produktgas wird aus dem Bett 1 über ein Ventil 21 abgezogen. Das Produktgas verläßt die Anlage über eine Leitung 5′. Zusätzlich wird über Ventile 33 und 32 Druck von dem Bett 3 in das Bett 2 abgelassen, wodurch stickstoffreiches Gas übertritt. Am Ende dieser Phase hat sich ein Druckausgleich zwischen den Betten 2 und 3 eingestellt. In der zweiten Phase strömt Einsatzluft über das Ventil 11 weiter in das Bett 1 ein. Die Ventile 21, 33 und 10 sind geschlossen, während Ventile 61, 9 und 8 sowie das Ventil 32 offen sind. Stickstoffreiches Gas wird aus dem Bett 1 über die Ventile 61 und 9 abgezogen und mittels eines Produktgasverdichters 50 komprimiert, wodurch das Bett 2 über die Ventile 8 und 32 auf einen hohen Druck wiederaufgedrückt wird. Gleichzeitig wird in der Phase 2 stickstoffreiches Produktgas aus dem Bett 3 über ein Ventil 23 abgeleitet, während der in dem Bett 3 herrschende Druck von dem ersten Ausgleichsdruck auf einen niedrigeren Ausgleichsdruck absinkt. In der dritten Phase ist ein Ventil 42 offen. Einsatzluft strömt weiter in das Bett 1 ein, während stickstoffreiches Gas von dem Produktende des Bettes 1 abgezogen, mittels des Verdichters 50 komprimiert und über das Ventil 32 in das Bett 2 eingespeist wird. Das Bett 2 wird bei hohem Druck gespült, während mit Sauerstoff angereichertes Abgas über das Ventil 42 und eine Leitung 6′ abgezogen wird. Das Bett 3 liefert über das Ventil 23 weiter Produktstickstoff an; sein Druck sinkt auf den niedrigen, für die anschließende Adsorption verwendeten Druck. Die Phase 4 stellt eine Wiederholung der Phase 1 für das Bett 3 dar, dem jetzt Einsatzgas zugeht, während das Bett 2 in das Bett 1 entspannt wird. Der invertierte PSA-Zyklus schreitet fort, während die drei Adsorberbetten ihre Rollen vertauschen, bis nach Abschluß der Arbeitsabfolge die Phase 10 erreicht ist, die identisch mit der Phase 1 ist.

Dabei laufen in zyklischer Weise in jedem Bett die Niederdruckadsorption, das Aufdrücken, das Hochdruckspülen und die Druckminderung ab, wobei Zwischendruckausgleichsstufen vorgesehen sind. Das Ventil 10 wird geöffnet, so daß der Verdichter 50 während der Phasen 1, 4 und 7 unbelastet arbeiten kann, wenn der Verdichter kein Prozeßgas ansaugt. Ventile 22, 31, 62, 63,12, 13, 41 und 43 erlauben die Durchführung des invertierten PSA-Verfahrens bei den Phasen der Gesamtfolge, die an die vorstehend im einzelnen erläuterte Niederdruckadsorption im Bett 1 anschließen. Ein Gaspufferspeicher ist bei 7′ veranschaulicht. Die Gesamttaktfolge des oben erläuterten invertierten Dreibett-PSA-Systems ist in der Tabelle 1 schematisch zusammengestellt.

Tabelle 1

Dabei bedeutet ADS Niederdruckadsorption, AUSGL Druckausgleich, WADR Wiederaufdrücken, SPLN Hochdruckspülen mit der leicht adsorbierbaren Komponente und DMG Druckminderung.

Beispiel 1

Bei einem Ausführungsbeispiel wurde unter Anwendung der in Fig. 1 veranschaulichten Druckwechseladsorptionsanlage Luft unter Verwendung von Adsorberbetten mit einem Gewicht von 20 Gewichtseinheiten zerlegt. Die Einsatzluftdurchflußmenge betrug 100 Volumeneinheiten, die Produktstickstoffdurchflußmenge 25 Volumeneinheiten. Bei Abschluß der Phase 1 lagen beide Betten 2 und 3 auf einem Druck von 2,0 bar, während sich die Betten 1 und 2 anfänglich auf Atmosphärendruck befanden und der Druck im Bett 3 bei 3,4 bar lag. In der zweiten Phase wird das Bett 2 auf 3,4 bar wiederaufgedrückt, während der Druck im Bett 3 von 2,0 bar auf 1,5 bar abgesenkt wird. In der dritten Phase wird das Bett 2 bei einem konstanten Druck von 3,4 bar gespült; der Druck im Bett 3 sinkt auf Atmosphärendruck. Bei einer solchen Betriebsweise wird Stickstoff als die leicht adsorbierbare Komponente mit einer Stickstoffausbeute von 31,5% gewonnen. Die Reinheit des Stickstoffprodukts ist auf einen Wert von 96% gesteigert.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer invertierten PSA-Anlage mit vier Adsorberbetten. Die vier Adsorberbetten 1, 2, 3 und 4 dienen der Abtrennung der leicht adsorbierbaren Komponenten Methan und Äthan von dem weniger leicht adsorbierbaren Stickstoff in einem Einsatzgasgemisch dieser Komponenten. Die Anlage ist mit zwei Verdichtern 50 und 20 sowie einem Produktpufferspeicher 5 ausgerüstet. In den Phasen 1, 4 und 7 der in der unten stehenden Tabelle 2 zusammengestellten Taktfolge ist das Ventil 9 offen, während Ventile 6, 7 und das Ventil 10 geschlossen sind, so daß der Verdichter 50 unbelastet arbeiten kann. Anfänglich befinden sich die Betten 1, 2, 3 und 4 auf niedrigem Druck, einem höheren Zwischendruck, niedrigem Druck bzw. dem höheren Zwischendruck. Zu Beginn der Phase 1 strömt Einsatzgas in das Bett 1 von einer Leitung 70 aus mit niedrigem Druck über das Ventil 11 ein; kohlenwasserstoffreiches Gas verläßt das Bett 1 über das Ventil 21. Dieses Gas wird im Verdichter 20 komprimiert und füllt den Produktpufferspeicher 5. Ein Teil des Gases wird über eine Leitung 100 als Produktgas abgezogen, während ein anderer Teil dieses Gases über Ventile 8 und 52 strömt und das Bett 2 auf den hohen Spüldruck wiederaufdrückt. Das Bett 4 entspannt sich über ein Ventil 34 und das Ventil 33 in das Bett 3, bis die Drücke auf einem nierigeren Zwischendruck ausgeglichen sind. In der Phase 2 tritt weiterhin Einsatzgas über das Ventil 11 in das Bett 1 ein. Das oben aus dem Bett 1 über das Ventil 21 abströmende Gas wird im Verdichter 20 komprimiert. Es gelangt in den Pufferspeicher 5 und wird über die Leitung 100 teilweise als kohlenwasserstoffreiches Produktgas abgezogen. Der Druck im Bett 4 wird über ein Ventil 54 und das Ventil 6 auf einen niedrigen Druck abgesenkt. Dieses Gas wird im Verdichter 50 komprimiert; es gelangt über das Ventil 7 in den Pufferspeicher 5, wobei die Ventile 8 und 9 geschlossen sind. Fas verläßt den Pufferspeicher 5 über die Ventile 10 und 32. Es gelangt zum oberen Ende des Bettes 2. Das Ventil 42 ist offen, so daß das Bett 2 bei hohem Druck gespült werden kann. Das Bett 3 ist während dieser Zeitdauer vollständig abgetrennt. In der Phase 3 durchläuft das Bett 1 ebenso wie in der Phase 2 die Niederdruckadsorptionsphase, wobei Gas durch die Ventile 11 und 21 und den Verdichter 20 hindurch in den Pufferspeicher 5 gelangt. Die Betten 2 und 3 erfahren einen Druckausgleich über die Ventile 32 und 33; das Ventil 10 ist geschlossen. Der sich aus diesem Druckausgleich ergebende Enddruck der Betten 2 und 3 ist der höhere Zwischendruck. Der Druck des Bettes 4 wird über das Ventil 54 auf den niedrigen Druckwert abgesenkt, wobei das Gas über das Ventil 6, den Verdichter 50 und das Ventil 7 in den Pufferspeicher 5 gelangt. Die Phase 4 stellt eine Wiederholung der Phase 1 dar, wobei das Bett 1 im Druckausgleich mit dem Bett 2 steht, das Bett 3 wiederaufgedrückt wird und im Bett 4 die Niederdruckadsorption erfolgt. Der invertierte PSA-Zyklus setzt sich fort, wobei die vier Betten ihre Rollen vertauschen, bis nach Abschluß der Arbeitsabfolge die Phase 13 erreicht ist, die mit der Phase 1 identisch ist. Dabei erfolgen in jedem der vier Betten in zyklischer Weise Niederdruckadsorption, Aufdrücken, Hochdruckspülen und Druckminderung mit Zwischendruckausgleichsstufen bei zwei unterschiedlichen Druckwerten. Es versteht sich, daß die in Fig. 2 veranschaulichten, aber vorstehend in Verbindung mit den Phasen 1 bis 3 nicht erläuterten Anlagenteile, insbesondere Ventile 14, 24, 44, 51, 52 und 53 bei anschließenden Phasen des Gesamtverfahrens genutzt werden, wenn die vier Betten und die zugehörigen Verbindungsleitungen und Ventile ihre Rollen vertauschen, so daß jedes Bett die genannte Schrittfolge des vorliegenden invertierten PSA-Verfahrens durchläuft. Die Gesamttaktfolge der oben geschilderten Vierbett-Ausführungsform ist in der Tabelle 2 schematisch zusammengestellt.

Tabelle 2

Dabei stellt A die Niederdruckadsorption dar. Eq bedeutet Druckausgleich, wobei die Ziffer 2 auf den niedrigeren Zwischendruck und die Ziffer 1 auf den höheren Ausgleichsdruck verweist. Ein nach oben gerichteter Pfeil zeigt an, daß der Druck erhöht wird. Ein nach unten weisender Pfeil läßt erkennen, daß der Druck während des Druckausgleichs gesenkt wird. R stellt das Wiederaufdrücken auf den hohen Druck dar. P bedeutet Spülen mit der leicht adsorbierbaren Komponente. D bedeutet Druckminderung auf den niedrigen Druck für anschließende Adsorption.

Beispiel 2

Die invertierte PSA-Anlage gemäß Fig. 2 wurde beispielsweise benutzt, um Methan und Äthan als leicht adsorbierbare Komponenten von Stickstoff in einem Einsatzgasgemisch dieser Komponenten zu trennen. Als Adsorptionsmittel wurden JXC-Aktivkohleperlen bei einem Bettgewicht von 20 Gewichtseinheiten je Bett benutzt. Die Zusammensetzung des Einsatzgasgemischs war 36% Stickstoff, 57% Methan und 7% Äthan. Das Einsatzgemisch hatte einen Heizwert von 27 500 kJ/Nm³. Die Einsatzgasmenge betrug 115 Volumeneinheiten, die Produktgasmenge 15 Volumeneinheiten. Anfänglich lagen die Betten 1, 2, 3 und 4 auf Drücken von 1,0, 3,0, 1,0 bzw. 3,0 bar. Während der Phase 1 wurde das Bett 2 auf einen hohen Druck von 4,4 bar wiederaufgedrückt, während das Bett 1 bei Atmosphärendruck als dem niedrigen Druck für die Adsorption betrieben wurde. Das Bett 4 entspannte sich in das Bett 3, bis die Drücke bei 1,9 bar, dem niedrigeren Zwischendruck, ausgeglichen waren. Bei diesem Beispiel beträgt der obere Zwischendruck 3,0 bar. In der Phase 2 wurde das Bett 4 auf einen niedrigen Druck von 1,1 bar entspannt. Das Bett 2 wurde bei dem Druck von 4,4 bar gespült. In der Phase 3 betrug der sich nach dem Druckausgleich einstellende Enddruck der Betten 2 und 3 3,0 bar. Das Bett 4 wurde auf Atmosphärendruck entspannt. Das bei diesem Ausführungsbeispiel des invertierten PSA-Verfahrens anfallende Produktgas enthielt 69,4% Methan, 21,6 Äthan und nur 9% Stickstoff. Die Kohlenwasserstoffausbeute betrug 64,3%, wobei der Produktheizwert auf 40 200 kJ/Nm³ gesteigert wurde.

Die verwendeten Drücke, das benutzte Adsorptionsmittel und dessen Menge, die Anzahl der verwendeten Betten und dergleichen Parameter hängen im Einzelfall von der Einsatzgaszusammensetzung, der gewünschten Reinheit der leicht adsorbierbaren Komponente, den Reinheitsanforderungen, die gegebenenfalls bezüglich der weniger leicht adsorbierbaren Komponenten vorliegen, und dem Kompromiß zwischen der Reinheitsverbesserung und den Betriebskosten ab.

Das geschilderte Verfahren erlaubt es, die Reinheit der leicht adsorbierbaren Komponente eines Gasgemischs zu verbessern und damit unter anderem Stickstoff oder ähnliche inerte Gase im Wege der Druckwechseladsorption problemlos mit Reinheitsgraden zu erzeugen, die sich für Anwendungen an Bord von Lastwagen, Flugzeugen oder Schiffen eignen, wo konventionelle Invertgasgeneratoren oder Tieftemperaturluftzerlegungsanlagen nicht eingesetzt werden können. Das vorliegende Verfahren ist auch besonders geeignet für Kleinanlagen und/oder intermittierenden Bedarf, wo andere Lösungen ausscheiden. Bei der Herstellung von Methan oder Methan/Äthan-Gemischen mit hohem Heizwert aus Erdgasvorkommen wird auf relativ einfache Weise eine Umwandlung in energiereichere Brennstoffe erzielt.

Claims

1. Druckwechseladsorptionsverfahren, bei dem in sich zyklisch wiederholender Abfolge ein Gasgemisch, das eine leicht adsorbierbare Gaskomponente und eine weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente aufweist, in eine Adsorptionskolonne eingeleitet wird, die ein ein selektives Adsorbieren der leicht adsorbierbaren Gaskomponente erlaubendes Adsorptionsmittel enthält, nach bei hohem Druck erfolgter selektiver Adsorption der leicht adsorbierbaren Gaskomponente die Kolonne mit der leicht adsorbierbaren Gaskomponente bei dem hohen Druck gespült und dann ausgehend von diesem hohen Druck der Druck in der Kolonne unter Freisetzung der leicht adsorbierbaren Gaskomponente von dem Adsorptionsmittel auf einen niedrigen Druck gesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Einleiten des Gasgemisches in die Adsorptionskolonne bei einem niedrigen Druck erfolgt und bei diesem niedrigen Druck die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente des Gemisches unter Verdrängung und Verarmung der leichter adsorbierbaren Gaskomponente in der adsorbierten Phase sowie unter Ausbildung einer sich vorbewegenden Gasphasenzone der leicht adsorbierbaren Gaskomponente, die einer sowohl leicht als auch weniger leicht adsorbierbare Gaskomponenten enthaltenden Gasphasenzone vorausgeht, adsorbiert wird, daß danach der Druck in der Kolonne unter Verarmung der leicht adsorbierbaren Komponente in der Gasphase und Anreicherung der Gasphase mit der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente auf den hohen Druck gesteigert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Absenkung des Druckes in der Adsorptionskolonne freigesetzte leicht adsorbierbare Gaskomponente mindestens teilweise als Produktgas abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der leicht adsorbierbaren Gaskomponente, die nach Absenken des Druckes auf den niedrigen Druck aus der Kolonne durch Einleiten des Gasgemisches verdrängt wird, als Produktgas abgezogen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß zum Aufdrücken der Kolonne auf den hohen Druck zusätzliche Mengen der leicht adsorbierbaren Gaskomponente in die Kolonne eingeführt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch mindestens zwei jeweils ein Adsorptionsmittelbett enthaltenden Adsorptionskolonnen zugeführt wird und der Druckwechseladsorptionszyklus mit Adsorption bei niedrigem Druck, Spülen bei dem hohen Druck und Druckminderung zwecks Freisetzung der leicht adsorbierbaren Komponente der Reihe nach in jedem Bett durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Druckwechseladsorptionszyklus in einem Dreibettsystem durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch jeweils nur in eines der Betten für die Niederdruck-Adsorptionsphase eingeleitet wird, während gleichzeitig in einem zweiten Bett eine Drucksteigerung und ein Spülen erfolgen und in einem dritten Bett der Druck abgesenkt wird, wobei der Druckwechseladsorptionsprozeß unter Vertauschung der Rollen der drei Betten derart fortgesetzt wird, daß das zuvor die Adsorptionsphase durchlaufende Bett auf die Drucksteigerungs- und Hochdruckspülphase geschaltet wird, in dem zuvor die Drucksteigerungs- und Spülphase durchlaufenden Bett der Druck abgesenkt wird und das zuvor die Druckminderungsphase durchlaufende Bett auf die Adsorptionsphase geschaltet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Adsorption in einem Bett ein Druckausgleich in dem zweiten und dritten Bett vorgenommen wird, indem Gas von dem Bett, dessen Druck gesenkt werden soll, in das aufzudrückende und zu spülende Bett geleitet wird, bevor ein weiteres Aufdrücken des zweiten Bettes auf den hohen Druck erfolgt und das dritte Bett eine weitere Druckabsenkung auf den niedrigen Druck erfährt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Druckwechseladsorptionszyklus in einem Vierbettsystem durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch jeweils nur in eines der Betten eingeleitet wird und in zyklischer Weise in jedes Bett das Gasgemisch für die Adsorption der weniger leicht adsorbierbaren Komponente bei dem niedrigen Druck eingespeist, das Bett auf den hohen Druck aufgedrückt, das Bett bei dem hohen Druck gespült und der Druck in dem Bett auf den nierigen Druck abgesenkt wird, wobei die Betten ihre Rollen derart vertauschen, daß das zuvor die Adsorptionsphase durchlaufende Bett dann auf den hohen Druck aufgedrückt wird, das zuvor aufgedrückte Bett bei dem hohen Druck gespült wird, das zuvor gespülte Bett eine Druckminderung auf den niedrigen Druck erfährt und in dem zuvor die Druckminderungsphase durchlaufenden Bett die Niederdruckadsorption der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente von zusätzlichen Mengen des Gasgemischs erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Adsorption in einem Bett ein Druckausgleich zwischen dem Bett, das zuvor die Adsorptionsphase bei niedrigem Druck durchlaufen hat, und einem Bett, dessen Druck abgesenkt wird, vorgenommen wird, indem Gas von dem Bett, dessen Druck gesenkt wird, in das aufzudrückende Bett geleitet wird, bevor eine weitere Druckminderung in dem auf den niedrigen Druck zu entspannenden Bett erfolgt, sowie daß in einer gesonderten späteren Phase ein Druckausgleich zwischen dem aufzudrückenden Bett und dem nächsten Bett durchgeführt wird, dessen Druck im Anschluß an die Hochdruckspülphase abgesenkt wird, indem Hochdruckgas von dem nächsten Bett, das eine Druckminderung erfährt, in das aufzudrückende Bett übergeleitet wird, bevor ein weiterer Druckausgleich und eine Druckminderung des zu entspannenden Bettes auf den niedrigen Druck sowie eine weitere Drucksteigerung in dem aufzudrückenden Bett auf den hohen Druck erfolgen, wobei jedes Bett seinerseits vor der endgültigen Druckminderung auf den niedrigen Druck zwei Druckausgleichsphasen durchläuft.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als niedriger Druck im wesentlichen Atmosphärendruck verwendet wird, während der hohe Druck bei etwa 3,4 bar und der Ausgleichsdruck bei etwa 2,0 bar liegen.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als niedriger Druck im wesentlichen Atmosphärendruck verwendet wird, während der hohe Druck bei etwa 4,4 bar sowie die Ausgleichsdrücke bei etwa 3,0 bar und etwa 1,9 bar liegen.