DE3616981C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen eines mindestens zwei verschieden stark adsorbierbare Komponen­ ten enthaltenden Gasgemisches durch Druckwechseladsorption, wobei das Gasgemisch in einer Adsorptionsphase durch einen Adsorber geführt und dabei eine stärker adsorbierbare Komponente an ein Adsorptionsmittel gebunden wird, nach der Adsorptionsphase im Adsorber verbliebene schwächer adsorbierbare Komponenten ausgespült werden durch Einleiten eines Gases, das im wesentlichen aus der stärker adsor­ bierbaren Komponente besteht, anschließender Gewinnung der stärker adsorbierbaren Komponente durch Druckabsenkung im Adsorber auf unteratmosphärischem Druck und nach­ folgendem Wiederaufdrücken des Adsorbers auf Adsorptions­ druck.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 26 04 305 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren sollen sowohl eine adsorbierbare als auch eine nicht adsorbierbare Komponente in möglichst reiner Form gewonnen werden. Um dies zu erreichen, wird die Adsorptions in jeweils zwei hintereinander geschalteten Adsorbern durchgeführt, wobei im ersten Adsorber die oben angegebenen Verfahrens­ schritte durchgeführt werden und die adsorbierbare Komponente als reines Produktgas gewonnen wird, während im jeweils nach­ geschalteten zweiten Adsorber eine weitere Reinigung der nicht adsorbierbaren Komponente erfolgt.

Die Anwendung des bekannten Verfahrens ist günstig beim Zerle­ gen von Gasgemischen, aus denen eine adsorbierbare Komponente als Produktstrom gewonnen werden soll und die ferner einen re­ lativ großen Anteil einer nicht adsorbierbaren Komponente, die ebenfalls als Produktgas gewonnen werden soll, enthalten. Un­ günstig ist dabei jedoch, daß ein Teil der adsorbierbaren Kom­ ponente in den zweiten Adsorber eintritt, aus dem es nicht mehr als Produktstrom zurückgewonnen wird und somit zu einer Ausbeuteminderung führt. Mit steigender Konzentration der ad­ sorbierbaren Komponente im zu zerlegenden Gasgemisch tritt dieser ungünstige Effekt immer mehr in den Vordergrund.

Sofern beim bekannten Verfahren lediglich die adsorbierbare Komponente als Produktstrom gewonnen werden soll, liegt es auf der Hand, den nachgeschalteten Adsorber einfach wegzulassen. An der unbefriedigenden Ausbeute der adsorbierbaren Komponente ändert sich in diesem Fall jedoch nichts.

Aus der US-PS 45 12 780 ist ein Verfahren zum Zerlegen eines mindestens aus zwei verschieden stark adsorbierbare Komponen­ ten enthaltenden Gasgemisches durch Druckwechseladsorption be­ kannt. Dabei wird das Gasgemisch in einer Adsorptionsphase durch einen Adsorber geführt und die stärker adsorbierbare Komponente an das Adsorptionsmittel gebunden. Im Anschluß an die Adsorptionsphase wird die im Adsorber verbliebene schwä­ cher adsorbierbare Komponente durch Einleiten eines Gases, das aus der stärker adsorbierbaren Komponente besteht, ausgespült und die stärker absorbierbare Komponente anschließend durch Druckabsenkung gewonnen. Dieses Verfahren ist für die Zerle­ gung eines Gasgemisches mit einem Gehalt von mindestens 60% der stärker adsorbierbaren Komponente vorgesehen.

Der während der Desorptionsphase erreichte unterste Betriebs­ druck beträgt bei diesem Verfahren 0,4 bar. Während die De­ sorptionsphase mehrere Schritte aufweist, erfolgt das Wieder­ aufdrücken eines zuvor gespülten Adsorbers auf den Adsorp­ tionsdruck in nur einem Schritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß beim Zerlegen eines Gasgemisches mit hohem Anteil an der adsorbierbaren Kom­ ponente die Ausbeuteverluste dieser Komponente verringert werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der Zerlegung eines Gasgemisches mit einem Gehalt von mindestens 60% der stärker adsorbierbaren Komponente nach der Evakuierung des Adsorbers auf einen Druck zwischen 0,03 und 0,3 bar eine erste Druckaufbauphase folgt, während der ein gegenüber der stärker adsorbierbaren Komponente relativ schwach adsorbierbares Fremdgas im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung in den Adsorber eingeleitet wird, bis ein Zwischendruck im Bereich von 0,3 bis 1 bar aufgebaut ist und daß danach der weitere Druckaufbau mit Entspannungs­ gas aus einem anderen Adsorber und/oder mit zu zerlegendem Gasgemisch und/oder mit nicht adsorbiertem Gas erfolgt.

Bei Druckwechseladsorptionsverfahren der eingangs genann­ ten Art wird nach der Vakuumdesorption das Aufdrücken eines Adsorbers auf Adsorptionsdruck in üblicher Weise durch Einleiten von nicht adsorbiertem Gas, von Ent­ spannungsgas aus einem anderen, gerade eine Entspannungs­ phase durchlaufenden Adsorber oder von zu zerlegendem Gasgemisch vorgenommen. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß sich bei diesen üblichen Verfahrensweisen im Fall einer hohen Konzen­ tration der adsorbierbaren Komponente im Gasgemisch die Massenübergangszone im Adsorber während des Auf­ drückens ungünstig ausbildet. Die Massenübergangszone, auch Adsorptionsfront genannt, trennt im Adsorber die Zone des bis zum Gleichgewicht mit adsorbierbarer Komponente beladenen Adsorptionsmittels von der unbe­ ladenen Zone. Je kürzer diese Massenübergangszone ist, desto stärker kann man einen Adsorber beladen, bevor die adsorbierbare Komponente aus dem Adsorberaustritts­ ende, gemeinsam mit nicht adsorbierbarer Komponente, austritt. Eine breite Adsorptionsfront führt dagegen dazu, daß entweder das Adsorptionsmittel nicht zu­ friedenstellend genutzt werden kann, oder daß während einer Adsorptionsphase schon relativ früh adsorbierbare Komponente in steigender Konzentration am Adsorberaustritt abgezogen wird, was direkt zu Ausbeuteverlusten führt.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die ungünstige Ausbildung der Massenübergangszone im Adsorber vermieden werden kann, wenn vor dem üblichen Aufdrücken durch nicht adsorbiertes Gas, Entspannungsgas oder zu zerlegendem Gasgemisch ein erster Druckaufbau mit Fremdgas auf einen Druck zwischen 0,3 und 1 bar, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1 bar, erfolgt. Als Fremdgas kommt dabei ein gegenüber der adsorbierbaren Komponente relativ schwach adsorbierbares Gas oder Gasgemisch in Frage. Soll beispielsweise Kohlenmonoxid aus einem Gasgemisch adsorbiert und als Produktstrom gewonnen werden, eignet sich als Fremdgas beispielsweise Stickstoff oder vorzugsweise, falls ver­ fügbar, ein noch schwächer adsorbierbares Gas wie Wasser­ stoff, Argon etc..

Durch die günstigere Ausbildung der Massenübergangszone im Adsorber beim erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich eine spürbare Ausbeuteverbesserung für die adsorbierbare Komponente. Bei der Gewinnung von Kohlenmonoxid aus Hüttenabgasen läßt sich die Ausbeute beispielsweise von etwa 75% auf über 90% steigern.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders bei der Gewinnung einer adsorbierbaren Komponente aus einem Gasgemisch, in dem diese Komponente zu mindestens 65%, vorzugsweise zu mindestens 70% enthalten ist. Bei der Vakuumdesorption des Adsorbers wird dabei vorzugsweise ein Druck zwischen 0,1 und 0,2 bar erreicht.

In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Adsorptionsverfahrens wird der Adsorber nach Beendigung einer Adsorptionsphase vor der Ausspülung von im Adsorber verbliebenen schwächer adsorbierbaren Komponenten auf einen Zwischendruck entspannt, der nicht unterhalb des Partialdrucks der stärker adsorbierbaren Komponente im zu zerlegenden Gasgemisch liegt. Der Zwischendruck soll vorzugsweise im Bereich des Partialdrucks der stärker adsorbierbaren Komponente liegen. Wird er jedoch unter­ schritten, so ist während dieser Entspannung mit einer vermehrten Desorption der stärker adsorbierbaren Komponente zu rechnen, was letztendlich wieder die erzielbare Ausbeute herabsetzt. Das während der Ent­ spannung aus dem Adsorber austretende Entspannungsgas, das im wesentlichen aus schwächer adsorbierbaren Komponenten besteht, kann in günstiger Weise für den Druckaufbau eines anderen, zuvor regenerierten Adsorbers verwendet werden.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß das Gas, das während der Spülung eines Adsorbers mit im wesentlichen aus stärker adsorbierbaren Komponenten bestehendem Gas aus dem Adsorber austritt, einem anderen, zuvor regenerier­ ten Adsorber zugeführt wird. Das während dieser Spül­ phase aus dem Adsorber austretende Gas enthält einen beträchtlichen Anteil der stärker adsorbierbaren Komponente, die durch die Rückführung in einen anderen Adsorber zurückgewonnen werden kann, wobei gleichzeitig eine Vorbeladung des dieses Gas aufnehmenden Adsorbers erfolgt.

Der beim erfindungsgemäßen Verfahren einzuhaltende Adsorptionsdruck kann in weiten Bereichen variieren und richtet sich im Einzelfall insbesondere nach der Art des zu zerlegenden Gasgemisches und des zum Einsatz kommenden Adsorptionsmittels. Der Druck wird dabei in üblicher Weise unter Zugrundelegung der bei der Adsorptions­ temperatur vorliegenden Adsorptionsisotherme ausgewählt. In vielen Fällen, beispielsweise bei der Gewinnung von Kohlenmonoxid aus Gemischen mit schwächer adsorbierbaren Komponenten wie beispielsweise Wasserstoff und/oder Stickstoff, ist es günstig, die Adsorption bei einem Druck zwischen 1 und 5 bar, vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 bar, durchzuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Zerlegung eines bestimmten Gasgemisches beschränkt. Es eignet sich jedoch insbesondere für die Zerlegung eines in Hüttenwerken anfallenden Konvertergases, das typischerweise zwischen 60 und 90% Kohlenmonoxid, bis zu 20% Stickstoff, bis zu 10% Wasserstoff und bis zu 20% Kohlendioxid enthält. Vor der Zerlegung eines solchen Gases sollte jedoch die am stärksten adsorbierbare Komponente Kohlendioxid zumindest weitgehend abgetrennt werden, was beispielsweise in einer vorgeschalteten Druckwechseladsorptionsanlage erfolgen kann.

Die untere Grenze von 60% bzw. vorzugsweise 70% der adsor­ bierbaren Komponente im Gasgemisch ist nur insofern als kritisch anzusehen, als Gase mit so hohen Anteilen adsorbier­ barer Komponenten nur mit relativ geringer Ausbeute zerlegt werden können, wenn der erste Druckaufbau nicht erfindungs­ gemäß, sondern in der üblichen Weise durch Einleiten von Ent­ spannungsgas oder von zu zerlegendem Gasgemisch erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert auch bei tieferen Konzen­ trationen noch hohe Ausbeuten, nur heben diese sich dann nicht mehr so deutlich von den nach den üblichen Verfahren erzielbaren Ausbeuten ab, daß die zusätzliche Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme unter wirtschaftlichen Er­ wägungen noch sinnvoll erscheint.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Adsorptionsanlage und

Fig. 2 ein Taktschema für den Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Adsorptionsanlage.

Die in Fig. 1 dargestellte Adsorptionsanlage enthält vier Adsorber 10, 20, 30, 40. Die Zahl der zum Einsatz kommenden Adsorber hängt im wesentlichen von der zu verarbeitenden Gasmenge ab, wobei mindestens zwei Adsorber eingesetzt werden, bei sehr großen Gasmengen aber auch mehr als vier Adsorber, beispielsweise acht oder noch mehr Adsorber. Die Adsorber sind an ihrer Eintrittsseite jeweils über Ventile 11, 21, 31 bzw. 41 mit einer Zufüh­ rungsleitung 1 für zu zerlegendes Gasgemisch verbunden. Die Adsorberaustrittsseite ist in entsprechender Weise über Ventile 12, 22, 32, bzw. 42 mit einer Austrittslei­ tung 2 für nicht adsorbiertes Gas verbunden. Weiterhin sind die Adsorbereintrittsenden über Ventile 13, 23, 33 bzw. 43 mit einer Produktgasleitung 3 für desorbierte Komponenten verbunden. Die Leitung 3 führt über Ventil 6 und eine Vakuumpumpe 4 bzw. im Bypaß dazu über eine Leitung 5 mit einem Rückschlagventil 56 zu einem Produkt­ speicherbehälter 7, aus dem ein Teil des Produkts über das Gebläse 57 und Leitung 8 zu den Adsorbereintritts­ enden über die Ventile 14, 24, 34 bzw. 44 zurückgeführt werden kann. Die Adsorberaustrittsenden sind ferner über Ventile 15, 25, 35 bzw. 45 mit einer Leitung 9 verbunden, die zum Abzug nicht adsorbierbarer Komponenten während einer Vorbeladungsphase verwendet wird. Schließlich sind die Adsorberaustrittsenden noch über Ventile 16, 26, 36 bzw. 46 mit einer Fremdgasleitung 50 verbunden. Schließlich sind die Austrittsenden der Adsorber 10 bzw. 20 über Kreuz mit den Eintrittsenden der Adsorber 20 bzw. 10 über Leitun­ gen 51 bzw. 52 mit den Ventilen 17 bzw. 27 verbunden. In entsprechender Weise sind die Austrittsenden der Adsor­ ber 30 bzw. 40 über die Leitungen 53 bzw. 54 mit den Ventilen 37 bzw. 47 mit den Eintrittsenden der Adsorber 40 bzw. 30 über Kreuz verbunden.

Der Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Adsorptionsanlage sei unter Verwendung des in der Fig. 2 dargestellten Taktschemas näher erläutert.

Während einer Adsorptionsphase A, die beispielsweise im Adsorber 10 erfolgt, wird das zu zerlegende Gasgemisch über Leitung 1 und das geöffnete Ventil 11 in den Adsor­ ber 10 geführt und dort zerlegt. Die nicht adsorbierten Komponenten verlassen den Adsorber über das geöffnete Ventil 12 und werden über Leitung 2 im wesentlichen beim konstanten Adsorptionsdruck, der mit Ausnahme der Druckver­ luste dem Druck des zu zerlegenden Gasgemisches entspricht, abgezogen. Während der Adsorptionsphase A sind die dem Adsorber 10 zugeordneten Ventile 13, 14, 15, 16 und 17 geschlossen. Nach Beendigung einer Adsorptionsphase A werden die Ventile 11 und 12 geschlossen und der Adsorber zur Vorbereitung auf die Desorption zunächst auf einen Zwischendruck, der etwa dem Partialdruck der zu adsorbieren­ den Komponente im Gasgemisch entspricht, entspannt. Hierzu wird das Ventil 17 geöffnet und Entspannungsgas, das im wesentlichen aus nicht adsorbierbarer Komponente be­ steht, über Leitung 51 dem Eintrittsende des Adsorbers 20 zugeführt, der gerade eine zweite Druckaufbauphase R1 durchläuft. Die Entspannungsphase E des Adsorbers 10 wird spätestens bei Erreichen des Partialdruckes der adsor­ bierbaren Komponente beendet, um Verluste durch Desorption der adsorbierbaren Komponente zu vermeiden. Nach Beendigung dieser Phase werden noch im Adsorber 10 enthaltene "nicht adsorbierbare" Komponenten durch Produktgas, das über Leitung 8 aus dem Produktspeicherbehälter 7 abgezogen wird, ausgespült. Während dieser Spülphase P tritt Produktgas über das geöffnete Ventil 14 in das Eintrittsende des Adsorbers 10 ein und verdrängt noch im Adsorber 10 ent­ haltene nicht adsorbierbare Komponenten, die über Leitung 51 und das weiterhin geöffnete Ventil 17 dem Adsorber 20 zu­ geführt werden. Die Rückführung des aus dem Adsorber 10 während dieser Spülphase P austretenden Gases in den Adsorber 20 erfolgt, um in diesem Gas enthaltene adsor­ bierbare Komponenten zurückzugewinnen, was durch Vorbe­ ladung PR des Adsorbers 20 erfolgt. Während dieser Phase PR öffnet das Ventil 25 am Austrittsende des Adsorbers 20 nach Erreichen des Spüldruckes, so daß nicht adsorbierbare Komponenten über Leitung 9 und das geöffnete Ventil 55 aus der Anlage abgezogen werden können. Nachdem der Adsorber 10 mit adsorbierbaren Komponenten aufgesättigt ist, werden die Ventile 14, 17, 25 und 55 geschlossen. Aus dem Adsorber 10 kann nunmehr die adsorbierbare Kompo­ nente in reiner Form gewonnen werden. Hierzu wird zu­ nächst der Druck im Adsorber auf annähernd Atmosphären­ druck abgebaut. Während dieser Phase D tritt Produktgas über das geöffnete Ventil 13 über Leitung 3 und über Leitung 5 bei geschlossenem Ventil 6 in den Produkt­ speicherbehälter 7 ein. Nachdem der Druck im Adsorber 10 auf etwa Atmosphärendruck abgesunken ist, wird Ventil 6 geöffnet und der Adsorber 10 über die Vakuumpumpe 4 evakuiert. Diese Phase V wird solange fortgesetzt, bis der Adsorber 10 ausreichend regeneriert ist. Dies ist im allgemeinen bei einem Druck zwischen 0,03 und 0,3 bar, insbesondere bei einem Druck zwischen 0,1 und 0,2 bar der Fall. Nach Beendigung der Vakuumdesorption V wird Ventil 13 geschlossen und der nunmehr regenerierte Adsorber 10 kann vor Durchführung einer erneuten Adsorptionsphase A wieder auf Adsorptionsdruck aufgedrückt werden. Hierzu wird zu­ nächst über Leitung 50 und das mit dem Austrittsende des Adsorbers 10 verbundene, geöffnete Ventil 16 ein nicht adsorbierbares Fremdgas zugeführt, bis ein Zwischendruck zwischen 0,3 und 1 bar erreicht ist. Nach Beendigung dieser Phase RF wird Ventil 16 geschlossen und ein weiterer Druckaufbau über das geöffnete Ventil 27 und Leitung 52 mit Entspannungsgas aus dem Adsorber 20, der zuvor eine Adsorptionsphase beendet hat, durchgeführt. Diese Druck­ aufbauphase R1 wird beendet, wenn der das für den Druck­ aufbau benutzte Entspannungsgas liefernde Adsorber 20 etwa auf den Partialdruck der adsorbierbaren Komponente im Gasgemisch abgesunken ist. Dann wird der Adsorber 10 mit Gas, das während einer Spülphase P aus dem Adsorber 20 austritt, vorbeladen. Dies erfolgt weiterhin über Lei­ tung 52 und das geöffnete Ventil 27. Das während der Vorbeladungsphase PR aus dem Adsorber 10 austretende Gas wird über das geöffnete Ventil 15, Leitung 9 und das in dieser Phase ebenfalls geöffnete Ventil 55 abgezogen. Die Vorbeladungsphase PR wird beendet, nachdem aus dem Adsorber 20, der gerade seine Spülphase P durchläuft, die nicht adsorbierbaren Komponenten ausgespült sind. Dann werden die Ventile 27 und 15 geschlossen und der Adsorber 10 wird vom Zwischendruck, bei dem die Vorbe­ ladung PR erfolgte, während einer Druckaufbauphase RO auf den Adsorptionsdruck aufgedrückt. Die Druckaufbau­ phase RO erfolgt durch Einleiten von zu zerlegendem Gasgemisch über das geöffnete Ventil 11. Bei Erreichen des Adsorptionsdrucks wird das Austrittsventil 12 ge­ öffnet und eine neue Adsorptionsphase A eingeleitet, womit ein neuer Zyklus beginnt.

Die übrigen Adsorber werden in entsprechender Weise betrie­ ben, wobei die gegenseitige Versetzung der Schaltzyklen anhand des in Fig. 2 dargestellten Taktschemas ersichtlich ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Zerlegen eines mindestens zwei verschieden stark adsorbierbare Komponenten enthaltenden Gasge­ misches durch Druckwechseladsorption, wobei das Gas­ gemisch in einer Adsorptionsphase durch einen Adsorber geführt und dabei eine stärker adsorbierbare Komponente an ein Adsorptionsmittel gebunden wird, nach der Adsorptionsphase im Adsorber verbliebene schwächer adsorbierbare Komponenten ausgespült werden durch Ein­ leiten eines Gases, das im wesentlichen aus der stärker adsorbierbaren Komponente besteht, anschließender Gewinnung der stärker adsorbierbaren Komponente durch Druckabsenkung im Adsorber auf unteratmosphärischen Druck und nachfolgendem Wiederaufdrücken des Adsorbers auf Adsorptionsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zerlegung eines Gasgemisches mit einem Gehalt von mindestens 60% der stärker adsorbierbaren Komponente nach der Evakuierung des Adsorbers auf einen Druck zwischen 0,03 und 0,3 bar eine erste Druckaufbauphase erfolgt, während der ein gegenüber der stärker adsor­ bierbaren Komponente relativ schwach adsorbierbares Fremdgas im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung in den Adsorber eingeleitet wird, bis ein Zwischendruck im Bereich von 0,3 bis 1 bar aufgebaut ist und daß danach der weitere Druckaufbau mit Entspannungsgas aus einem anderen Adsorber und/oder mit zu zerlegendem Gasgemisch und/oder mit nicht adsorbiertem Gas erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch mindestens 65%, vorzugsweise mindestens 70% der stärker adsorbierbaren Komponente enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischendruck im Bereich von 0,5 bis 1 bar liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber nach Beendigung einer Adsorptionsphase auf einen Druck, der nicht unterhalb des Partialdrucks der stärker adsorbierbaren Komponente im zu zerlegenden Gasgemisch liegt, entspannt wird, und daß dabei aus dem Adsorber austretendes Entspannungs­ gas für den Druckaufbau eines anderen, zuvor regenerierten Adsorbers verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Spülung eines Adsorbers mit einem aus stärker adsorbierbaren Komponenten bestehendem Gas das aus dem Adsorber austretende Gas einem anderen, zuvor regenerierten Adsorber zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsphase bei einem Druck von 1 bis 5 bar, vorzugsweise von 1,5 bis 3 bar, durchgeführt wird.