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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines Gasge-
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misches durch Druckgechseladsorption gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1-.
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Bei der Trennung von Gasgemischen durch Adsorption nach dem Druckwechselprinzip
ist es das Ziel, zwischen Adsorption und Desorption (Regeneration) ein möglichst
großes Druckverhältnis zu errei-chen. Bei einem bekannten Verfahren wird das Rohgas
komprimiert und somit die Adsorption bei erhöhtem Druck von z.B. 10 Bar durchgeführt,
während die Desorption durch Entspannen des zu regenerierenden Adsorbers auf Atmosphärendruck
erfolgt. Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen die Adsorption unter atmosphärischem
Druck stattfindet und die Desorption unter Vakuum durchgeführt wird. Schließlich
kann das gewünschte Druckverhältnis auch dadurch erreicht werden, daß die Adsorption
unter erhöhtem Druck durchgeführt und zur Desorption ein Vakuum erzeugt wird. Falls
die Desorption unter Vakuum durchgeführt wird, wird bei einem bekannten Verfa-h--ren
eine durch Fremdenergie angetriebene Vakuumpumpe eingesetzt, wodurch die Wirtschaftlichkeit
dieser Verfahren ~verringert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, das sich durch einen höheren Wirkungsgrad
auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch qe,löst, daß der Druck
der in der ersten oder der zweiten Stufe aus dem Adsorber austretenden Gase zur
Erzeugung eines Unterdrucks benutzt wird, der zum A-bsaugen von Adsorbat aus dem
Adsorber verwendet wird.
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Die hohe Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
dadurch erreicht, daß für die Regenerierung des Adsorbers keine zusätzliche Energie
aufgewendet werden muß.
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Zur Erzeugung des Unterdrucks zwecks Regenerierung des Adsorbers kann
sowohl der Druck des Restgases als auch der Druck des während der DruckabsenkL ng
aus dem Adsorber austretenden Rohgases verwendet werden, das durch einen Injektor
geführt oder zum Antrieb einer Expansionsmaschine verwendet wird, die ihrerseits
eine mechanische Vakuumpumpe antreibt. Letzteres is-t besonders dann von Vorteil,
wenn als Treibgas das Restgas -verwendet wird, da dann keine Vermischung von Restgas
und Adsorbat stattfindet.
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Bei einer Anlage mit nur einem Adsorber ist ein kontinuierlicher Betrieb
naturgemäß nlcht-möglich, da'Adsorption und Desorption in aufeinanderfolgenden Stufen
stattfindet. Wird der zur Desorption (Regenerierung)|benötigte Unterdruck durch
den Druck des Roh- oder Restgases. erzeugt, so wird dieser Unterdruck zunächst in
einem Pufferbehäler gespeichert. Wird dann der Adsorber auf Reg-enerierung umgeschaltet,
so wird er zunächst auf Atmosphärendruck entspannt ufd dann an den-Pufferbehälter
angeschlossen, so daß das restliche Adsorbat aus dem Adsorberbett entfernt wird.
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Wird der Unterdruck durch den Druck des während der Druckabsenkung
aus dem Adsorber1 austretenden Rohgases erzeugt, so wird auch dieser Unterdruck
zunächst in einem Pufferbehälter gespeichert, der dann nach Entspannen des Adsorbers
auf Atmosphärendruck an den Adsorber angeschlosse#n wird, um Restadsorbat abzusaugen.
Selbstverständlich können auch beide Maßnahmen miteinander kombiniert werden, so
daß sowohl- der Druck des Restgases als auch der Druck des Rohg-ases zur Unterdruckerzeugung
herangezogen wird.
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Für ein kontinu.ierlich arbeitendes Verfahren werden in bekannter
Weise mindestens zwei Adsorber vorgesehen, die wechselweise bzw. hintereinander
derart betrieben werden, daß in mindestens einem Adsorber ein Adsortionsvorgang
stattfindet, während mindestens ein anderer Adsorber entspannt bzw. regeneriert
wird, wobei der zum Regenerieren erforderliche Unterdruck durch den Druck des Restgases
o',der durch den Druck des aus einem regene-
rierenden Adsorbers
austretenden Rohgases erzeugt wird. Auch in diesem Fall ist eine Speicherung des
Vakuums vorteilhaft, da bei der Expansion wegen des hohen anstehenden Druckes zunächst
relativ viel Energie frei wird und das damit erzeugte Vakuum nicht in gleicher Weise
in Regenerationswirkung umgesetzt werden kann.
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Daher wird zunächst mit der hohen Expansionsenergie im Pufferbehälter
ein# Vakuum erzeugt. Bei nachlasseder Treibwirkung des Expansionsgases wird der
Pufferbehälter isoliert und die noch vorhandene Expansionsenergie zum Absaugen von
Adsorbat aus dem zu regenerierenden Adsorber verwendet. Nach Abbau der Wirkung des
Treibgases wird die restliche Desorption des zu regenerierenden Adsorbers durch
das im Pufferbehälter gespeicherte Vakuum durchgeführt.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die.Zeichnungen
näher erläutert, in denen einige Anlagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens beispielshalber dargestellt sind.
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Fig. 1 zeigt eine Anlage mit einem Adsorber, wobei der Unterdruck
zum Regenerieren des Adsorbers durch den Druck des Restgases erzeugt wird, Fig.
13 und 1b zeigen verschiedene Stellungen eines in der Adsorbatleitung angeordneten
Dreiwegeventils, Fig. 2 zeigt eine Anlage ähnlich Fig. 1, wobei zur Erzeugung des
Unterdrucks für die vollständige Regenerierung des Adsorbers der Druck des während
der Druckabsenkun-g'aus dem Adsorber austretenden Rohgases verwendet wird, Fig.
2a und 2b zeigen verschiedene Stellungen eines in der Adsorbatleitung angeordneten
Dreiwegeventils, Fig. 3 zeigt eine kontinuierlich betreibbare Anlage mit zwei Adsorbern
und Erzeugung des Unterdrucks für den zu regenerierenden Adsorber durch den Druck
des aus dem anderen Adsorber austretenden Restgases,
Fig. 4 zeigt
eine Anlage mit drei Adsorbern, wobei der Unterdruck zum Desorbieren des zu regenerierenden
Adsorbers durch den Druck des aus einem anderen zu regenerierenden Adsorbers austretenden
Rohgases erzeugt wird, und Fig. 5 zeigt eine Anlage ähnlich Fig. 4 mit einem Pufferbehälter
zur zeitweiligen 5peicherung des erzeugten Vakuums.
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In Fig. 1 ist ein Adsorber 1 dargestellt, der z.B. ein Molekularsieb
oder Alu-Gel enthält. Das zu trennende Gasgemisch (Rohgas) wird dem Adsorber 1 mittels
eines Verdichters 2 unter Druck über eine Leitung 3 zugeführt, in der ein Absperrventil
4 angeordnet ist. Das nicht adsorbierte Restgas verläßt.den Adsorber 1 über eine
Auslaßleitung 5, die ein Absperrventil 6 enthält. Die Leitung 5 führt zu einer-
Expansionsmaschine 7, die mit einer Vakuumpumpe 8 gekoppelt ist.
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Vom Adsorber 1 geht ferner eine Auslaßleitung 9 für das Adsorbat aus,
die ein Dreiwegeventil 10 enthält, an das eine Leitung 11, die in die Atmosphäre
mündet oder zu einem Sammelgefäß für.
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das Adsorbat führt, sowie eine Leitung 12 angeschlossen ist., die
mit einem Pufferbehälter 13 in Verbindung steht, der seinerseits über ein Ventil
14 mit der-Vakuumpumpe- 8 verbunden ist.
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Im Adsorptionsbetrieb des Adsorbers 1 sind die Ventile 4, 6 und 14
geöffnet und das Dreiwegeventil 10 in der dargestellten Sperrstellung. Das Gasgemisch
durchströmt den Adsorber 1 und das nicht adsorbierte Gas (Restgas) strömt unter
relativ hohem Druck durch die Leitung 5 in die Expansionsmaschine 7, wodurch die
Vakuumpumpe 8 angetrieben und in dem Pufferbehälter 13 ein Vakuum erzeugt wird.
Wenn das Adsorberbett regeneriert werden muß, werden die Ventile 4, 6 und 14 geschlossen
und das Dreiwegeventil 10 in die in Fig. la gezeigte Stellung gebracht.
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Der Adsorber 1 entspannt nunmehr auf Atmosphärendruck. Wenn dies geschehen
ist, wird das Dreiwegeventil in die aus Fig.Ib
ersichtliche Stellung
gebracht und der Vakuumbehälter 13 an den Adsorber 1 angeschlossen, wodurch Restadsorbat
aus dem Adsorbatbett abgesaugt wird.
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Seim-Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, in der für gleiche oder gleichartige
Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1, jedoch mit dem Index a verwendet
sind, wird anstelle des Druckes des Restgases der Druck des während der Druckabsenkung
aus dem Adsorber 1a austretenden Rohgases zur Vakuumerzeugung herangezogen. Dabei
ist in der Leitung 12a ein Injektor 15 angeordnet, dessen Saugleitung 18 über ein
Absperrventil 14a mit einem Speicherbehälter 13a in Verbindung# steht, welcher seinerseits
an die Leitung 11a ange--schlossen ist. Im Adsorberbetrieb sind die Ventile 4a und
6a geöffnet und das Ventil 10a in der gezeigten Stellung.
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Das zu zerlegende Gasgemisch wird durch den- Verdichter 2a dem Adsorber
1a unter Druck zugeführt. Das nicht adsorbierte Restgas verläßt den Adsorber 1a
durch die Leitung 5a.
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Zum Regenerieren des Adsorberbettes werden die Ventile 4a und 6a geschlossen
und das Dreiwegeventil 10a in die in Fig. 2a gezeigte Stellung gebracht, wodurch
Rohgas unter relativ hohem Druck durch die L#eitung 12a und den Injektor 15 strömt.
Bei geöffnetem Ventil 14a wird im Pufferbehälter 13a ein Unterdruck erzeugt. Wenn
-der Druck des den Injektor 14 durchströmenden Rohgases nachläßt, wird das Ventil
14a geschlossen, bis der Adsorber nahezu vollständig entspannt ist. Dann wird das
Dreiwegeventil 10a in die aus Fig. 2b ersichtliche Stellung gebracht. Damit kommt
der Pufferbehälter 13a in Verbindung mit dem Adsorber 1a und es wird Restadsorbat
durch das in dem Pufferbehälter 13a befindliche Vakuum abgesaugt. Wenn der Adsorber
1a regeneriert ist, wird das Dreiwegeventil 10a wieder in die aus Fig. 2 ersichtliche
Stellung gebracht, die Ventile 4a und 6a werden wieder geöffnet und der Verdichter
2a eingeschaltet.
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Fig. 3 zeigt eine Anlage für ei-nen kontinuierlichen Betrieb.
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Hierbei sind z-Iwei Adsorber 16 und 18 vorgesehen, die jeweils über
eine Leitung 20 bzw. 22'mit ,Absperrventil 24 bzw. 26 mit einem. Verdichter 28 in
Verbindung stehen. Die AuslaB-leitungen 30 und 32 sind über Ventile 34 und 36 mit
einer Leitung 38 verbunden, die zu einer Expansionsmaschine 40 führt. Die Expansionsmaschine
40 treibt eine Vakuumpumpe 42 an, die in der beiden Adsorbern 16 und 18 gemeinsamen
Auslaßleitung 44 für das Adsorbat angeordnet ist. Der Adsorber 16 ist bber ein Ventil
46 und der Adsorber 18 ist über Ventil 48 mit der Leitung 44 verbunden. Ferner ist
zwischen den Auslaßleitungen 30 und 32 eine Verbindungsleitung 50 mit einem Absperrventil
52- angeordnet.
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Es sei angenommen, daß der Adsorber 16 im Adsorptionsbetrieb ist,
während der Adsorber 18 regeneriert wird. Dabei sind die Ventile 24 und 34 geöffnet
und -die Ventile 26, 36 und 46 geschlossen, so daß das zu trennende Gasgemisch ledig-#
lich zum Adsorber 16 gelangen. kann. Das nicht adsorbierte Gas strömt aus1 dem Adsorber
16 durch die',Leitung 38 zur Exoansionsmaschine 40 und treibt die Vakuumpumpe 42
an.
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Durch das geöffnete Ventil 48 kann Adsorbat aus dem Adsorber 18 ausströmen
und wird von der Vakuumpumpe 42 abgesaugt.
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Durch die Leitung 50 kann bei geöffnetem Ventil 52 in bekannter Weise
Restgas in den Adsorber 18 überströmen, um den Partialdruck des Adsorbats in diesem
-Adso;ber 18 zu verringern undidie Regenerierung zu beschleunigen. Wenn der Adsorber
18 regeneriert ist, wird er auf Adsorptions#-betrieb geschaltet, während der Adsorber
16 regeneriert wird. Dies geschieht dadurch, daß die Ventile 24, 34 und 48 geschlossenlund
die Ventile 26, 36 und 46 geöffnet werden. Damit ist der Adsorber 16 vom Verdichter
28abgeschaltet und an die Vakuumpumpe 42 angeschaltet und er wird in der vorher
tn Verbindung mit dem Adsorber 18-beschriebenen Weise regeneriert.
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Bei der Anlage gemäß Fig. 4 sind drei Adsorber 46, 48 und 50 über
Ventile 52, 54 und 56 mit einer Zuleitung 58 in Verbindung, der das zu trennende
Gasgemisch durch einen Verdichter 60 zugeführt wird. Eine Leitung 62 für nicht adsorbiertes
Gas steht mit jedem der drei Adsorber 46, 48 und 50 über jeweils ein Absperrventil
64, 66 und 68 in Verbindung. Die Adsorber sind untereinander durch Bypassleitungen
mit Ventilen 70, 72, 74 verbunden. Ferner steht jeder Adsorber 46, 48 und 50 über
jeweils ein Ventil 76, 78 und BO mit einer gemeinsamen Leitung 82 in Verbindung,
in der ein Injektor 84 angeordnet ist. Die Saugleitung 86 des Injektors ist über
~Ventile 88, 90 und 92 mit den Adsorbern 46, 48 und 50 verbunden. Diese Anlage arbeitet
ebenfalls kontinuierlich, wobei in einem Adsorber adsorbiert wird, während die beiden
anderen Adsorber mit einer bestimmten Phasenversetzung regeneriert werden. Es sei
angenommen, daß der Adsorber 46 im Adsorptionsbetrieb arbeitet, also die Ventile
52 und 64 geöffnet sind, während die Ventile 70, 76 und 88 geschlossen sind. Der
Adsorber 48 ist über das Ventil 78 entspannt, die Ventile 54, 66, 72 und 90 sind
geschlossen. Nun wird das Ventil 90 geöffnet. Gleichzeitig wird das Ventil 80 des
Adsorbers 50 geöffnet, während alle anderen Ventile 56, 68, 74 und 92 geschlossen
sind. Dur-ch Öffnen des Ventils 72 kann während der Desorption dem Adsorber 48 ein
Teilstrom des Restgases aus dem Adsorber 46 zwecks Absenkung des Partialdruckes
zugeführt werden. - Rohgas unter hohem Druck strömt aus dem Adsorber 50 durch die
Leitung 82 und den Injektor 84, so daß in der Saugleitung 86 ein relativ hoher Unterdruck
entsteht und Restadsorbat aus dem ~Adsorber 48 abgesaugt wird. Nun wird der Adsorber
48 auf Adsorptionsbetrieb geschaltet, indem die Ventile 54 und 66 geöffnet und die
Ventile 78 und 90 geschlossen werden.
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Vor dem Umschalten kann in bekannter Weise ein Druckausgleich zwischen
den Adsorbern 46 und 48 vorgenommen werden.
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Der Adsorber 50 ist inzwischen auf Atmosphärendruck entspannt. Nun
werden die Ventile 52, 64 und 70 des Adsorbers 46 geschlossen und das, Ventil 76
geöffnet. Gleich-' zeitig wird das Ventil 80 des Adsorbers 50 geschlossen und das
Ventil 92 geöffnet. Rohgas unter hohem D-ruck strömt durch die Leitung 82 und den
-Injektor 84 und der dadurch in der Saugleitung 86 erzeu-gte Unterdruck kann über
das geöffnete Ventil 92 im Adsorber 50 wirksam werden und Restadsorbat absaugen.
Darauf wird durch entsprechende Betätigung der Ventile der Adsorber 50 im Adsorptionsbetrieb
betrieben, während das Restadsorbat aus dem Adsorber 46 durch das dann mit hohem
Druck aus dem Adsorber 48 durch den Injektor 84 strömende Rohgas abgesaugt wird.
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D-ie- Antag-e,gemäß- Fig~-.-v-'unter4's'cheidet sich von. derjenig-en'
gemäß Fig. 4 im wesentlichen nur durch die Anordnung eines Pufferbehälters zum Speichern
von Vakuum. Dabei sind für gleiche und gleichartige Teile die gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 4, jedoch mit dem Index a verwendet.
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Wie ersichtlich, ist in der Saugleitung 86a des Injektors 843 ein
Pufferbehälter 94 zwischen zwei Absperrventilen 96 und 98 angeordnet. Ferner ist
die Saugleitung 86a vor dem Absperrventil 96 einerseits über ein Ventil 100 direkt
mit der Saugstelle des Injektors 84a und andererseits über eine Leitung 104 mit
Ventil 102 mit der Ausgangsleitung 106 des Injektors verbindbar.
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Es sei angenommen, daß der Adsorber 50a weitgehend entspannt ist und
nun der Adsorber 48a regeneriert wird, indem das Ventil 78a geöffnet wird. Die Ventile
96 und 100 sind geschlossen und das Ventil 98 ist offen, so daß das den Injektor
84a durchströmende Rohgas in dem Pufferbehälter 94 ein Vakuum erzeugt. Gleichzeitig
kann sich der Adsorber 50a
über das geöffnete Ventil 102 und die
Leitung 104 vollständig entspannen. Wenn die Treibwirkung des den Injektor 84a durchströmenden
Rohgases nachläßt, werden die Ventile 98 -und 102 geschlossen und das Ventil 100
wird gedffnet, so daß der Restdruck des den Injektor 84a durchströmenden Gases zum
Absaugen des Adsorbers 50a verwendet wird. Hört die Treibwirkung auf, so wird das
Ventil 100 geschlossen und das Ventil 96 geöffnet und das Restadsorbat durch das
Vakuum im Pufferbehälter 94 abgesaugt. Der Adsorber 50a kann nun wieder auf Adsorptionsbetrieb
geschaltet werden, während der Adsorber 46a regeneriert wird und der Druck der aus
diesem austretenden Rohgase in der vorstehend in Zusammenhang mit dem Adsorber 46a
beschriebenen Weise zum Absaugen von Restadsorbat aus dem Adsorber 48a verwendet
wird. Dieser Vorgang wiederholt sich nacheinander für jeden Adsorber.
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Anstelle eines Pufferbehälters können auch mehrere Pufferbehälter
mit unterschiedlichem Druckniveau vorgesehen werden, die entsprechend dem Druckabbau
in dem zu regeneriert renden Adsorber an diesen angeschlossen werden, um die Energie
der aus einem 4adsorber austretenden Rohgase in grbßtmäglichem Umfang zum Absaugen
von Restadsorbat aus einem anderen Adsorber auszunutzen.
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