DE3789018T2

DE3789018T2 - Vorrichtung zur trennung von gasgemischen durch druckwechseladsorption.

Info

Publication number: DE3789018T2
Application number: DE87907986T
Authority: DE
Inventors: Jun Nagasaki Tech Inst Izumi; K Mitsubishi Jukogyo Ka Oshima; Seiichi Mitsubishi Juko Tanabe
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-12-08
Filing date: 1987-12-07
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2007-12-08
Also published as: EP0292569B1; WO1988004195A1; DE3789018D1; EP0292569A4; KR900006423B1; JPS63143921A; EP0292569A1; KR890700044A; US4948401A; CA1309361C; JPH0687936B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemischs gemäß dem ersten Teil des Patentanspruchs.
Die typischen Beispiele des Standes der Technik bzgl. Gasgemischtrennern, welche Druckmodulation (im weiteren Verlauf auf PSA bezogen) verwenden, sind in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 20082/19970, der japanischen provisorischen Patentveröffentlichung Nr. 14070/19972 und der japanischen provisorischen Patentveröffentlichung Nr. 16874/1973 offenbart. In jeder der oben genannten Druckschriften werden Gase von einem Gemisch getrennt durch: unter Druck Setzen eines Zugabegasgemischs mit geeigneten Mitteln, im allgemeinen mit einem Gaskompressor, auf einen bestimmten Druck; dann Führen des Gemischs in Adsorptionstürme, welche über Ventile ein Adsorbens enthalten.
Als weiterer Stand der Technik ist die DE-A-14 17 750 bekannt, welche eine Vorrichtung offenbart mit einem Zylinder, der zur Abstimmung des Gasdrucks in dem Zylinder einen beweglichen Kolben enthält und einem Adsorbens, das zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben positioniert ist, wobei der Zylinder einen Auslaß für die nicht adsorbierte Gaskomponente, der an dem Zylinderkopf über dem Adsorbens angeordnet ist, und einen Einlaß für das Gasgemisch, der unterhalb des Adsorbens angeordnet ist, aufweist.
Fig. 4 zeigt exemplarisch einen Lufttrenner, welcher ein
Adsorptionsverfahren verwendet, das mit dem vorgenannten japanischen Stand der Technik vergleichbar ist. Danach wird, nachdem der Staub durch einen Luftfilter 26 von der Luft entfernt worden ist, die Luft durch einen Luftkompressor 27 unter einen Druck von ungefähr 9 kg/cm² gesetzt, und die Kompressionswärme wird durch einen Wasserkühler 28 entfernt. Das Wasser wird dann durch einen Wassertrenner 29 entfernt, und die Luft wird in Adsorptionstürme 19a-19d geführt.
Die Adsorptionstürme 9a-19d enthalten ein Adsorbens 20a-20d, das aus einem Zeoliten oder dgl. hergestellt ist und eine Filterfunktion hat. Von der durch Ventile 24a-24d eingeführten Luft strömt nur die Produktgaskomponente durch das Adsorbens 20a-20d und wird über Ventile 24e-24h in einen Produktgashalter geführt.
Weil verglichen mit der Adsorbtivität des Adsorbens 20a-20d eine große Menge an Luft zugeführt wird ist es notwendig, durch Entspannung des Druck zu desorbieren, um die Adsorptivität zurückzugewinnen, gefolgt von der Abgabe der Abfallluft über Ventile 24i-24l.
Um das Produktgas kontinuierlich zuführen zu können ist es daher notwendig, die Adsorption unter hohem Druck und die Desorption unter geringem Druck periodisch durchzuführen, und dies erfordert mindestens zwei Adsorptionstürme. Hier ist ein Beispiel mit vier Türmen dargestellt. Ebenso zeigt Fig. 4 Duckausgleichsventile 24m-24q. Die Ventile 24a-24q werden durch einen Regler 22 reguliert, um eine sanfte Adsorption und Desorption zu gewährleisten.
Um den Lufttrenner gemäß Fig. 4 ökonomischer machen zu können, muß eine Kostenreduktion in der Ausrüstung und im Betrieb erzielt werden, und zwar über eine Größenreduktion und ein Anwachsen der Betriebseffizienz.
Zur Reduktion der Ausrüstungskoster wäre eine Reduktion der Zeit pro Zyklus effektiv, und zur Erzielung einer höheren Effizienz wäre eine Reduktion der erforderlichen Leistung während des unter Druck Setzens und des Entspannens wünschenswert.
Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung einen Gasgemischtrenner zu schaffen, weicher eine Druckmodulation verwendet, die ökonomischer ist als bei den bekannten Einrichtungen und die eine große Reduktion beim Leistungsverbrauch möglich macht.
Zur Erreichung dieses Ziel ist die Erfindung ausgehend von dem Prinzip, welches in der DE-A- 1417750 offenbart ist, gekennzeichnet durch diejenigen Merkmale, welche im zweiten Teil des Patentanspruchs offenbart sind.
Gemäß der obigen Konstruktion werden die Energie zum unter Druck Setzen, welche früher bei Beginn des Adsorptionsverfahrens erforderlich war und die Entspannungsenergie, welche früher während des Desorptionsverfahrens verschwendet wurde, mechanisch recycelt. Seitdem ist der Leistungsverbrauch drastisch reduziert, und die Kosten der Ausrüstung sind ebenfalls reduziert.
Fig. 1 und 2 zeigen Schaubilder eines Ausführungsbeispiels von einem Gasgemischtrenner, welcher die Druckmodulation der vorliegenden Erfindung verwendet.
Fig. 3 ist ein Zeitplan, welcher den Betrieb des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 erklärt.
Fig. 4 zeigt ein Schaubild einer Einrichtung aus dem Stand der Technik.
Die Fig .1 und 2 zeigen Schaubilder eines Gasgemischtrenners, welcher die erfindungsgemäße Druckmodulation verwendet. In Fig. 1 ist das Adsorbens 1 zwischen dem oberen Ende eines Zylinders 2 (z. B. der Kopf eines Zylinders 2) und einem Kolben 3 angeordnet, und die Druckmodulation wird durch das Vor- und Zurückbewegen des Kolbens 3 erzielt. Gaseinlässe und -auslässe 4-8 sind in dem Zylinder 2 plaziert und spielen die folgenden Rollen: 4 ist ein Auslaß für die nicht adsorbierte Gaskomponente, 5 ist ein Einlaß für das Zugabegas, 6 ist ein Auslaß für die adsorbierte Gaskomponente, 7 ist ein Einlaß für die adsorbierte Gaskomponente und 8 ist ein Auslaß für die adsorbierte Gaskamponente. In dieser Konstruktion können der Luftkompressor 27 und die Druckregulierungsventile 24a-24l und die Einlässe und Auslässe der Adsorptionstürme 19a-19d, welche in dem Stand der Technik erscheinen, entfernt werden.
Fig. 2 zeigt eine parallele Anordnung von vier Adsorptionstürmen eines Gasgemischtrenners, welcher die Druckmodulation nach Fig. 1 verwendet und diese sind gestaffelt um ein Viertel der Periode eines Zyklus im Betriebszeitraum. In Fig. 2 bezeichnet 11 Adsorptionstürme vom Kolbentypus, 12 einen elektrischen Motor oder dgl. für den Antrieb der Kolben 13 eine Kurbelwelle, 14 Ventile, welche in dem Abgassystem für das nicht adsorbierte Gas angeordnet sind, 15 Ventile, welche in dein Eingabesystem für das Zugabegas angeordnet sind, 16 Ventile, welche in dem Abgassystem für das adsorbierte Gas angeordnet sind und 17 Ventile, welche in dem Übertragungssystem für das adsorbierte Gas vorgesehen sind, und a, b, c und d bezeichnen jeden der vier Türme, welche gestaffelt sind um ein Viertel der Zykluszeit in seinem Betriebszyklus.
Weiterhin zeigt das Zeitdiagramm nach Fig. 3 den Betrieb des Gasgemischtrenners, welcher die so konstruierte Druckmodulation verwendet. Zu demjenigen Zeitpunkt gemäß Fig. 3, wenn die obere Kammer unter Druck gesetzt ist und die untere Kammer wieder entspannt ist, herrscht dies Betriebssituation, wie sie durch den linkesten Gasgemischtrennungsturm in Fig. 2, welcher mit a bezeichnet ist, dargestellt ist. In diesem Fall befindet sich der Kolben 3 In seiner zentralen Position, während die Ventile 14a, 15a und 16a geschlossen und die Ventile 17a, 17b geöffnet sind. Aus dieser Situation wird der Kolben 3a über den Motor 12 zum Antrieb der Kolben in Richtung seines oberen Tatpunkts bewegt. Der zweite Turm von links, bezeichnet mit b, zeigt die Situation, in welcher der Kolben 3b den oberen Totpunkt erreicht hat, nachdem er das Produktgas ausgefahren hat. Hier sind nur die Ventile 15b und 16b geschlossen, die anderen Ventile 14b, 17b, 17c sind geöffnet. Auf ähnliche Weise korrespondiert die Situation der Entspannung und Desorption in Fig. 3 mit dem dritten Turm von links, welcher in Fig. 2 mit c bezeichnet ist, und die Abgabesituation in Fig. 3 korrespondiert mit dem rechtesten Turm, welcher in Fig. 2 mit d bezeichnet ist.
Basierend auf der obigen Beschreibung und den Fig. 1 bis 3 wird der Betrieb des Ausführungsbeispiels wie folgt zusammengefaßt.
1) In der oberen Kammer des ersten Turms:
[Schritt 1] Das eingeführte Gas (Zugabegas) wird unter Druck gesetzt.
[Schritt 2] Sauerstoff, welcher nicht leicht adsorbiert werden kann, wird von dem System über den Gasauslaß 4 und das Ventil 14a als Produktgas abgegeben.
[Schritt 3] Der Kolben 3a erreicht den oberen Totpunkt.
[Schritt 4] Wenn der Kalben niedergeht, nimmt der Druck in der oberen Kammer ab und das auf dem Adsorbens adsorbierte Gas desorbiert, um die obere Kammer zu füllen.
[Schritt 5] Das Ventil 17a, welches mit der unteren Kammer unterhalb den Kolben 3d in dem benachbarten Zylinder d verbindet, öffnet sich und ein Teil des desorbierten Gases bewegt sich in die untere Kammer von dem benachbarten Zylinder.
[Schritt 6] Nachdem die Übertragung des desorbierten Gases zwischen den Zylindern abgeschlossen ist, werden der Einlaß L) und das Verbindungsventil 15a geöffnet, so daß das Zugabegas automatisch in das System eingeführt wird, wenn der Kolben 3a niedergeht.
[Schritt 7] Der Kolben 3a erreicht den unteren Totpunkt und es findet über das Ventil 16a die Abgabe der Mischung aus Zugabegas und den desorbierten Gasen statt.
[Schritt 8] Wenn sich der Kolben 3a hochbewegt, wird das Zugabegas unter Druck gesetzt, und der Zyklus komplettiert sich zu dem obigen Schritt 1.
2) In der unteren Kammer des ersten Turms:
[Schritt 1] Während eine kleine Menge an desorbiertem Gas verbleibt nimmt der Druck ab, wenn sich der Kolben hochbewegt.
[Schritt 2] Durch Verbindung des Kolbens in dem benachbarten Zylinder b mit der obigen unteren Kammer strömt das desorbierte Gas in die untere Kammer von dem Zylinder 2, in welcher der Druck geringer ist.
[Schritt 3] Der Kolben 3a erreicht den oberen Totpunkt.
[Schritt 4] Das in der unteren Kammer gespeicherte desorbierte Gas wird unter Druck gesetzt und über die untere Öffnung 6 und das Ventil 16a aus dem System abgegeben, wenn der Druck einen bestimmten Wert übersteigt.
[Schritt 5] Der Kolben 3a erreicht den unteren Totpunkt, und die Abgabe des Gases, welches reich an desorbiertem Gas ist, wird beendet.
[Schritt 6] Der innere Druck nimmt ab, wenn der Kolben 3a nach oben geht. Der Betrieb geht weiter zum obigen Schritt 1 und beendet einen Zyklus.
3) Der zweite bis vierte Turm operiert in der gleichen Weise wie oben mit einer Zeitverzögerung von einem Viertel eines Zyklus zwischen den benachbarten Türmen. Dies ist am beten aus Fig. 2 ersichtlich.
Gemäß der oben erklärten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die folgenden Effekte erzielt:
1) Die Energie zum unter Drucksetzten, welche früher zu Beginn des Adsorptionsverfahrens erforderlich war und die Entspannungsenergie, welche früher während des Desorptionsverfahrens verschwendet worden ist, wird mechanisch recycelt. Seitdem ist der Leistungsverbrauch drastisch reduziert worden (ungefähr 5-30%), und die Ausrüstungskasten sind ebenfalls reduziert worden.
2) Die Periode eines Zyklus kann stark abgekürzt werden, bspw. von früher 60 Sekunden auf 0.6 Sekunden, und-somit wird die erforderliche Menge an Adsorbens um ungefähr 1/50 reduziert, was das System kompakt macht und die Kosten der Ausrüstung reduziert. Im Stand der Technik kontrollieren die Ventile selbst den Druck, und es ist schwierig gewesen, die Periode eines Zyklus abzukürzen, um den Betrieb zu beschleunigen, wegen der ökonomischen Probleme und der Lebensdauer der Ventile. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es, weil der Druck durch den Zylinder 2 und den Kolben 3 reguliert wird, nun möglich, die Periode eines Zyklus in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel abzukürzen.
Ebenso können, obwohl dies in dem obigen Ausführungsbeispiel nicht beschrieben ist, die Ventile 17 in Fig. 2 durch ein System ersetzt werden, in welchem der Kolben selbst als ein Ventil agiert.
Die oben beschriebene Erfindung bietet einen Gasgemischtrenner, welcher eine Druckmodulation verwendet, die eine große Reduktion in der Leistung, welche für den Betrieb erforderlich ist, sowie in den Kosten der Ausrüstung möglich macht.

Claims

Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemischs mit einem Zylinder (2), der zur Abstimmung des Gasdrucks in dem Zylinder (2) einen beweglichen Kolben (3) enthält und einem Adsorbens (81), das zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben (3) positioniert ist, wobei der Zylinder (2) einen Auslaß (4) für die nicht adsorbierte Gaskomponente, der an dem Zylinderkopf über dem Adsorbens angeordnet ist, und einen Einlaß (5) für das Gasgemisch, der unterhalb des Adsorbens angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung vier Zylinder (2) umfaßt, welche im wesentlichen die gleiche Konstruktion aufweisen, daß der Einlaß (5) für das Gasgemisch zwischen dem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung und dem Adsorbens (1) angeordnet ist,

daß jeder Zylinder (2) weiterhin einen ersten Auslaß (8) hat, um desorbiertes Gas zu einem anderen Zylinder (2) zu führen und welcher zwischen dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung und dem Adsorbens angeordnet ist,

daß jeder Zylinder (2) weiterhin einen zweiten Auslaß (6) für desorbiertes Gas hat, welcher an dem Zylinderende gegenüber dem Kopf des Zylinders angeordnet ist,

daß jeder Zylinder (2) weiterhin einen Einlaß (7) für desorbiertes Gas hat, welches von einem dritten Zylinder (2) über den ersten Auslaß (8) für desorbiertes Gas von diesem kommt, und welcher zwischen dem ersten Auslaß (8) für desorbiertes Gas und dem zweiten Auslaß (6) für desorbiertes Gas angeordnet ist und

daß die Kolbenbewegung von allen Zylindern (2) der Vorrichtung über eine Kurbelwelle (13) derart mechanisch gekoppelt ist, daß die Operationszyklen der Zylinder (2), welche die gleiche Periode haben, in Perioden von einem Viertel des gesamten Operationszyklus gestaffelt sind.