DE3743008C2

DE3743008C2 -

Info

Publication number: DE3743008C2
Application number: DE19873743008
Authority: DE
Inventors: Klaus-Burkhard Dr. 5620 Velbert De Harder
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1992-03-26
Also published as: DE3743008A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Reinst stickstoff mit einem Restsauerstoffgehalt von 0,05 Vol.-% O₂ und weniger aus Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Gas gemischen mittels Druckwechseltechnik in einer mit Kohlenstoff- Molekularsieb gefüllten Ein-Adsorberanlage, wobei das Ausgangs gasgemisch unter Druck einem Adsorptionsbehälter aufgegeben wird, in dem Sauerstoff adsorbiert wird, und der Stickstoff gegen Ende der Adsorptionsphase über eine mit einem Ventil versehene Leitung in ein Speichergefäß überführt wird.

Eine solche Anlage ist aus der GB-PS 21 52 834 bekannt gewor den. Bei dieser Anlage hat es sich als nachteilig erwiesen, daß nicht das volle Speichervermögen des eingesetzten Spei chergefäßes genutzt werden kann, sondern dieses Speichergefäß nur begrenzte Mengen Reinststickstoff zur Verfügung stellen kann, weil ein bestimmter Gegendruck im Speichergefäß verfah rensbedingt aufrechterhalten bleiben muß. Falls der Druck im Speichergefäß zu weit absinkt, strömt bereits bei einem niedrigen Druck Stickstoff aus dem Adsorptionsbehälter über das Rück schlagventil in das Speichergefäß über. Der bei diesem niedrigen Druck produzierte Stickstoff ist dann jedoch nicht mehr hoch rein, sondern er enthält je nach Druckhöhe im Speichergefäß eine Sauerstoffverunreinigung zwischen 0,1 und 1 Vol.-% und verunreinigt in einem solchen Fall den gespeicherten Reinst stickstoff. Dies bedingt, daß diese Ein-Adsorberanlage jeweils 8 bis 24 h Zeit benötigt, bis sich wieder ein stationäres Gleich gewicht im Speichergefäß eingestellt hat und erneut Reinst stickstoff aus dem Adsorptionsbehälter an das Speichergefäß abgegeben wird. Bei einem niedrigen Druck im Speichergefäß wird nämlich zunächst stärker verunreinigter Stickstoff aus dem Adsorptionsgefäß abgegeben, der dann erst allmählich wieder durch zunehmend weniger verunreinigten Stickstoff aus dem Spei chergefäß herausgespült wird. Diese Ein-Adsorberanlage kann somit nicht, wie beispielsweise bei einer Anwendung für Gas chromatographen üblich, im Arbeitsrhythmus "Tag/ein"-, "Nacht/ aus"-Betrieb betrieben werden. Hinzu kommt der weitere Nachteil, daß diese Ein-Adsorberanlage bei Stromausfall oder bei plötz licher Speicherentleerung erst nach 8 bis 24 h wieder betriebs bereit ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein-Adsorberanlage der eingangs genannten Gattung dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie ständig betriebsbereit ist, unabhängig vom Produktgas speicherdruck betrieben werden kann und der erzeugte Stickstoff beim Austreten aus dem Adsorptionsbehälter stets die gleiche hohe Reinheit hat.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen nieder gelegt.

Bei der erfindungsgemäßen Ein-Adsorberanlage dient das Spei chergefäß lediglich als Ausgleichsgefäß für die diskontinu ierliche Produktgaserzeugung, es ist nicht unabdingbarer Be standteil der Verfahrensführung. Bei gleichbleibender Ausgangs gaszusammensetzung kann die Produktgasreinheit über das fe derbetätigte Überströmventil von Beginn der Inbetriebnahme bis zum Abschalten der Anlage konstant gehalten werden. Es ist keine Vorlaufzeit erforderlich.

Soweit das Speichergefäß nicht bereits einem Verbraucher zugeord net ist, empfiehlt es sich, diesem eine Druck-Mengen-Regelung nachzuschalten, um einen konstanten Mengenfluß zu gewährleisten, soweit ein solcher notwendig ist.

Sofern das Ausgangsgasgemisch nicht bereits mit dem für den Betrieb der Ein-Adsorberanlage erforderlichen Druck aus einem bestehenden Drucksystem bereitgestellt werden kann, empfiehlt es sich, dem Adsorptionsbehälter einen Kompressor vorzuschalten, dem ein Dieselaggregat zugeordnet ist bzw. alternativ ein auf Batteriebetrieb umschaltbarer Elektromotor, da entsprechende Ein-Adsorberanlagen vielfach in Entwicklungsländern zum Einsatz gelangen, in denen mit planmäßigen sowie unplanmäßigen Strom abschaltungen gerechnet werden muß.

Aus dem gleichen Grunde kann es sich auch empfehlen, dem Kom pressor ein Speichergefäß mit Druck-Mengen-Regelung für das Ausgangsgasgemisch zuzuordnen.

Die Ein-Adsorberanlage ist für alle Anwendungszwecke geeignet, bei denen Reinststickstoff benötigt wird, z. B. zum Entwickeln von Filmen. Dabei wird die Entwicklerlösung mit Reinststick stoff behandelt.

Eine bevorzugte Verwendung der Ein-Adsorberanlage ist in der Gaschromatographie gegeben. Die Ein-Adsorberanlage kann dann dem in dem Gaschromatographen integrierten Speichergefäß zu geordnet werden. Dieses sollte zweckmäßig über eine entspre chende Druck-Mengen-Regelung und Mengenkontrolle verfügen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher be schrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Ein-Adsorberanlage zur Gewinnung von Reinststickstoff;

Fig. 2 einen Ventilschaltplan für die einzelnen Verfahrens schritte, und

Fig. 3 ein Druck-Zeit-Diagramm.

In der Fig. 1 ist eine Ein-Adsorberanlage gemäß der Erfindung dargestellt, die aus einem Adsorptionsbehälter 1 besteht, der mit einem Adsorptionsmittel, im Beispiel einem Kohlenstoff molekularsieb der Anmelderin vom Typ CMS N₂, gefüllt ist. Das Adsorptionsmittelbett wird zur besseren Fixierung durch ein filterartiges Sieb 2, beispielsweise eine gepreßte Kokosnußmatte, abgedeckt. Eingangsseitig ist dem Adsorptionsbehälter 1 ein Drei-Wege-Ventil 3 vorgeschaltet, das über ein Relais 4 gesteuert wird und in der Stellung a den Adsorptionsbehälter 1 mit einer Leitung 6 und in der Stellung b mit einer Leitung 8 verbindet. Ausgangsseitig ist dem Adsorptionsbehälter 1 ein federbetätigtes Überströmventil 5 nachgeschaltet. Das im wesentlichen Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Ausgangsgasgemisch wird über die Leitung 6 in den Adsorptionsbehälter 1 eingeführt und während der Produktgasgewinnung der Reinststickstoff als Produktgas über eine Leitung 7 abgeführt. Der im Adsorptionsbehälter 1 adsorbierte Sauerstoff und etwaige weitere Gasbestandteile werden als Abgas über die Leitung 8 abgeführt.

Sofern das Ausgangsgasgemisch nicht aus einem bereits vorgegebe nen Drucksystem entnehmbar ist, wird die Leitung 6 über einen Kompressor 9 mit aufgedrücktem Ausgangsgasgemisch versorgt.

Dem Kompressor 9 kann ein Speichergefäß 10 nachgeschaltet sein, dem eine Druck-Mengen-Regelung zugeordnet ist, die im Beispiel aus einem Druckregler 11 und einem Drosselventil 12 besteht.

Das Produktgas 7 wird einem Speichergefäß 13 zugeführt, aus dem es bei Bedarf über Leitung 14 an einen Verbraucher abgegeben wird. Es empfiehlt sich, die Abgabe über eine Druck-Mengen- Regelung vorzunehmen. Im Beispiel geschieht dies über einen Druckregler 15 und ein Drosselventil 16.

In Fig. 2 ist ein Ventilschaltplan für den Betrieb der Ein-Ad sorberanlage dargestellt. Jeder Zyklus besteht aus einer Ad sorptionsstufe und einer Desorptionsstufe. Während der Adsorp tionsstufe wird der Sauerstoffanteil aus dem Stickstoff-Sauer stoff-Gasgemisch vom Kohlenstoff-Molekularsieb adsorbiert und während der anschließenden Desorptionsstufe wieder desorbiert, und zwar durch Druckentlastung. Die Adsorptionsstufe umfaßt zwei Teilschritte, nämlich den Druckaufbauschritt und den Pro duktionsschritt. Während des eine längere Zeitspanne umfassen den Druckaufbauschrittes wird der aus dem Ausgangsgasgemisch abgetrennte Stickstoff im Zwischenkornvolumen der Molekular siebschüttung gespeichert. Gegen Ende der Adsorptionsstufe erfolgt der nur eine kurze Zeitspanne andauernde Produktions schritt, bei dem Reinststickstoff aus dem Adsorptionsbehälter abgezogen, in einem Speichergefäß gespeichert und bei Bedarf an einen Verbraucher abgegeben wird.

Bei der Anlage gemäß Ventilschaltplan ist dem Kompressor 9 das Speichergefäß 10 zugeordnet. Während des Adsorptionsschrittes sind mithin die Ventile 11 und 12 geöffnet und das Ventil 3 so geschaltet, daß aus der Leitung 6 Ausgangsgasgemisch in das Adsorptionsgefäß 1 strömen kann. Das federbetätigte Über strömventil 5 ist während des Druckaufbauschrittes so lange geschlossen, bis ein eingestellter Druck erreicht ist. Das ist gegen Ende der Adsorptionsstufe der Fall. Bis zum Ende des Produktionsschrittes bleibt das federbetätigte Überströmven til 5 geöffnet. Es schließt nach einer vorgegebenen Zeitspanne. Die Ventile 15 und 16 sind unabhängig von dem Adsorptionszyklus. Sie können geöffnet sein, wie im Schaltplan dargestellt, falls über einen Verbraucher gerade Stickstoff abgenommen wird. Sie können aber auch geschlossen sein, wenn dies nicht der Fall ist.

Während der Desorptionsstufe ist das Ventil 3 auf die Stellung b geschaltet, d. h. aus dem Adsorptionsbehälter 1 wird durch Druckentspannung aus dem Kohlenstoff-Molekularsieb der adsor bierte Sauerstoff desorbiert und über Leitung 8 als Abgas ab geführt.

Das federbetätigte Überströmventil 5 ist während dieser Zeit geschlossen, während die Ventile 15 und 16, wie bereits erwähnt, in Abhängigkeit vom Verbraucher geöffnet oder geschlossen sein können. Die Ventile 11 und 12 sind geöffnet, da während der Desorptionsphase vom Kompressor 9 Ausgangsgasgemisch in das Speichergefäß 10 gedrückt wird.

Aus dem Druck-Zeit-Diagramm in Fig. 3 geht hervor, daß die Adsorptionsstufe eine größere Zeitspanne umfaßt. Im nachfol gend aufgeführten Beispiel dauerte die Adsorptionsstufe 120 s. Davon entfiel der überwiegende Anteil, nämlich zwischen 100 und 110 s, auf den Druckaufbauschritt, um den O₂-Molekülen genügend Gelegenheit zu geben, sich in den Mikroporen des Koh lenstoff-Molekularsiebes anzulagern. Der Druck stieg dabei bis kurz unterhalb des Enddruckes an, im Beispiel bis auf 7,5 bzw. 7 bzw. 6 bar bei einem Enddruck von 8 bar. Dieser Enddruck von 8 bar wurde im Beispiel während des vergleichsweise kurzen Produktionsschrittes von 10 bzw. 15 bzw. 20 s Dauer erreicht.

Die Desorptionszeit betrug im Beispiel ebenfalls 120 s, bis der Ausgangsdruck von 1 bar wieder erreicht war.

Beispiel

Ein Adsorptionsbehälter 1 mit 10 Litern Inhalt, gefüllt mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb CMS N₂ der Anmelderin wurde mit einer Menge von 1,8 Kubikmetern Luft pro Stunde bei einem Druck von 8 bar beaufschlagt. Die Adsorptionszeit betrug 120 s, die Desorptionszeit ebenfalls 120 s.

In einem ersten Versuch war das federbetätigte Überströmventil 5 so eingestellt, daß es bei einem Druck größer 7,5 bar öff nete (obere Kurve in Fig. 3). Dabei strömten 80 l/h Stickstoff mit einem Anteil von 3 bis 5 ppm Sauerstoff in das Speicherge fäß 13 über.

In einem zweiten Versuch war das federbetätigte Überströmven til 5 so eingestellt, daß es bei einem Druck größer 7,0 bar öffnete (mittlere Kurve in Fig. 3). Dabei strömten 130 l/h Stickstoff mit einem Anteil von 13 ppm Sauerstoff in das Spei chergefäß 13 über.

In einem dritten Versuch war das federbetätigte Überströmven til 5 so eingestellt, daß es bei einem Druck größer 6,0 bar öffnete (untere Kurve in Fig. 3). Dabei strömten 270 l/h Stick stoff mit einem Anteil von 200 ppm Sauerstoff in das Speicher gefäß über.

Claims

1. Anlage zur Gewinnung von Reinststickstoff mit einem Rest sauerstoffgehalt von 0,05 Vol.-% O₂ und weniger aus Stick stoff und Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen mittels Druck wechseltechnik in einer mit Kohlenstoff-Molekularsieb ge füllten Ein-Adsorberanlage, wobei das Ausgangsgasgemisch unter Druck einem Adsorptionsbehälter aufgegeben wird, in dem Sauerstoff adsorbiert wird, und der Stickstoff gegen Ende der Adsorptionsphase über eine mit einem Ventil versehene Leitung in ein Speichergefäß überführt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß ein federbetätigtes Überströmventil (5) in der Leitung (7) zwischen dem Ausgang des Adsorptionsbehälters (1) und dem Eingang des Speichergefäßes (13) vorgesehen ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Speichergefäßes (13) eine Druck-Mengen-Regelung (15, 16) nachgeschaltet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Adsorptionsbehälter (1) ein Kompressor (9) vorgeschaltet ist, dem ein Dieselaggregat als Antrieb zugeordnet ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kompressor (9) alternativ ein auf Batteriebetrieb umschalt barer Elektromotor als Antrieb zugeordnet ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kompressor (9) ein Speichergefäß (10) für das Ausgangsgas gemisch mit Druck-Mengen-Regelung (11, 12) zugeordnet ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Speichergefäß (13) über eine Druck-Mengen- Regelung (11, 12) verfügt und einem Gaschromatographen zu geordnet ist.