DE3933441A1

DE3933441A1 - Kohlenstoff-molekularsieb zur zerlegung von luft in stickstoff und sauerstoff durch druckwechseltechnik

Info

Publication number: DE3933441A1
Application number: DE19893933441
Authority: DE
Inventors: Hans Juergen Schroeter; Alfons Schulte; Michael Hein; Klaus-Dirk Henning
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1989-10-06
Publication date: 1991-04-18
Also published as: WO1991004788A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kohlenstoff-Molekularsieb zur Zerlegung von Luft in Stickstoff und Sauerstoff durch Druck wechseltechnik.

Kohlenstoff-Molekularsiebe werden bei der Druckwechseltech nik zur Trennung von Gasgemischen verwendet. Sie unter scheiden sich von anderen in der Druckwechseltechnik ver wendeten Adsorptionsmitteln, wie z. B. Zeolithen und Aktiv kohlen, dadurch, daß die Trennung der Gase durch unter schiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten in den engen Mikro poren der Kohlenstoff-Molekularsiebe stattfindet. So dif fundiert beispielsweise das kleinere Sauerstoffmolekül (gas kinetischer Durchmesser 2,8 AE) erheblich schneller in die Mikroporen als das größere Stickstoffmolekül (gaskinetischer Durchmesser 3,0 AE). Bei Kohlenstoff-Molekularsieben wird im Gegensatz zu Zeolithen der Sauerstoff in den Poren adsor biert, während der Stickstoff nur in äußerst geringem Maße in die Poren eindringt und daher in angereicherter Form während der Adsorptionsphase gewonnen werden kann. Während der Desorption, z. B. durch Druckentspannung und/oder Evaku ierung wird dann ein Sauerstoffreichgas gewonnen. Während mit Zeolithen wirtschaftlich im wesentlichen Sauerstoff aus Luft gewonnen wird, eignen sich die Kohlenstoff-Molekular siebe aufgrund des geschilderten unterschiedlichen Trennef fektes vornehmlich zur wirtschaftlichen Gewinnung von Stickstoff.

Bei den auf der Basis des Diffusionseffektes für Kohlen stoff-Molekularsiebe entwickelten Druckwechseltechnik, wer den 2 Adsorber verwendet. Während der eine Adsorber von Luft oder luftähnlichen Gasgemischen durchströmt und Sauerstoff adsorbiet wird, wird im anderen Adsorber durch Entspannung und/oder Vakuumanwendung Sauerstoff desorbiert.

Eine spezielle Ausführungsform der Druckwechseltechnik zur Lufttrennung mit Kohlenstoff-Molekularsieben ist in der noch nicht zum allgemeinen Stand der Technik zählenden deutschen Patentanmeldung P 38 20 506.2 vom 06.09.1988 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die Desorption nach etwa 20 bis 80% der Gesamtzeit der Desorptionsphase abgebrochen. Der Ad sorber wird am Eingang und Ausgang verschlossen und ver bleibt über die restliche Zeit im geschlossenen Zustand. Durch diese "Cutting-Technik" können die spezifische Stick stofferzeugungsrate und die für den Energieverbrauch we sentliche Größe des spezifischen Luftbedarfs von einigen Kohlenstoff-Molekularsieben deutlich reduziert werden. Bei anderen Kohlenstoff-Molekularsieben ist dies dagegen nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kohlenstoff-Mole kularsiebe bereitzustellen, die besonders gut für die "Cut ting-Technik" geeignet sind und somit eine hohe spezifische Stickstofferzeugungsrate sowie einen niedrigen spezifischen Luftbedarf ermöglichen.

Bei der Anwendung der "Cutting-Technik" wurde nämlich über raschend gefunden, daß dafür solche Kohlenstoff-Molekular siebe besonders gut geeignet sind, die die in Anspruch 1 ge nannten Eigenschaften aufweisen. zur Auswahl der geeigneten Kohlenstoff-Molekularsiebe wird von einer Testmethode Ge brauch gemacht, die den Besonderheiten des Trenneffektes - nämlich dem Unterschied in den Diffusionsgeschwindigkeiten von Stickstoff und Sauerstoff - Rechnung trägt. Der Druck wechselprozeß wird in einer Testvorrichtung, wie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt, simuliert. Ein mit dem zu testen den Kohlenstoff-Molekularsieb gefüllter Adsorber 1 (200 ml Inhalt) wird 2 Minuten lang von Luft durchströmt, die von einer Luftpumpe 2 über eine Leitung 8 unter einem Druck von 760 Torr zugeführt wird. In dieser zeit nimmt das im Adsor ber 1 enthaltene Kohlenstoff-Molekularsieb aufgrund seines Porengefüges Gas auf, wobei der Sauerstoff aufgrund der hö heren-Diffusionsgeschwindigkeit bevorzugt vor dem Stickstoff adsorbiert wird. Der Stickstoff passiert größtenteils die Trennporen und tritt am Ende des Adsorbers 1 über eine Leitung 9 wieder aus. Nach 2 Minuten wird dieser Vorgang beendet und der Adsorber 1 wird im Gegenstrom über eine Leitung 10 mittels einer Vakuumpumpe 3 auf 40 mbar evaku iert. Hierbei wird ein an Sauerstoff angereichertes Gas gewonnen, das über eine Leitung 11 in einen Gasometer 5 eingebracht wird. Die maximale und die mittlere Sauer stoffkonzentration dieses Desorptionsgases, das über eine Leitung 12 einem Sauerstoff-Analysator 6 zugeführt wird, wird gemessen. Beide Werte sind gegenüber der Sauerstoffkon zentration in Luft (21 Vol.-%) erhöht. Der gleiche Vorgang wird dann mit einer Adsorptionszeit und einer Desorptions zeit von je 1 Minute wiederholt.

Kohlenstoff-Molekularsiebe sind für den Einsatz in Druck wechselanlagen zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft unter Verwendung der "Cutting-Technik" dann besonders gut geeig net, wenn das Relativvolumen im 1-Minuten-Test niedriger und die mittlere und maximale Sauerstoffkonzentration im Desorptionsgas im 1-Minuten-Test höher sind als im 2-Mi nuten-Test.

Im Gegensatz dazu sind Kohlenstoff-Molekularsiebe für die Anwendung der "Cutting-Technik" ungeeignet, bei denen das Relativvolumen im 1-Minuten-Test zwar ebenfalls niedriger als im 2-Minuten-Test ist, bei dem aber die mittlere und die maximale Sauerstoffkonzentration im 1-Minuten-Test niedriger als im 2-Minuten-Test liegen.

Ausführungsbeispiele

Zwei verschiedene Kohlenstoff-Molekularsiebe wurden anhand der geschilderten 1-Minuten- und 2-Minuten-Tests untersucht und charakterisiert und anschließend in einer kleinen Druck wechselanlage mit und ohne Anwendung der "Cutting-Technik" überprüft. Tabelle 1 zeigt ihre charakteristischen Daten, von denen das eine die Anforderungen des Anspruchs 1 erfüllt (A), das andere Molekularsieb jedoch nicht (B).

Tabelle 1

Eigenschaften der untersuchten Kohlenstoff-Molekularsiebe nach dem 2-Minuten- und 1-Minuten-Test

Die für die Prüfzwecke verwendete Druckwechselanlage bestand aus 2×4 l-Adsorbern. Sie wurde bei 8 bar Adsorptionsdruck und 1 bar Desorptionsdruck betrieben. zwischen Adsorptions- und Desorptionsschritt wurde ein Druckausgleich durch Kopf/Kopf- und Boden/Boden-Verbindung hergestellt, an schließend wurde der zu desorbierende Adsorber bis auf einen Enddruck von 1 bar entspannt. Die halben Zykluszeiten (Ent spannungszeiten) wurden zwischen 60 und 240 Sekunden vari iert.

Zur Untersuchung der Cutting-Technik wurde die Entspannung nach 20 bis 80% dieser Zeit abgebrochen. Der Druck hatte zu diesem Zeitpunkt im Adsorber bereits 1 bar erreicht. Nachdem der Adsorber über das Eingangs- und das Ausgangsventil ver schlossen wurde, stieg dieser Druck wieder auf Zwischen drucke um etwa 2-4 bar an. Danach erfolgte der Druckaus gleich und ein teilweises Rückführen des erzeugten Stick stoffs in den Adsorber. Anschließend wurde dann in der übli chen Weise wieder Luft eingeleitet, wobei am Ende des Ad sorbers Stickstoff produziert wurde. Dieser Vorgang wurde zyklisch mehrfach wiederholt. Es wurden die erzeugte Stick stoffmenge in m³ Stickstoff pro m³ CMS Volumen und pro Stun de gemessen sowie der zur Erzeugung von 1 m³ Stickstoff be nötigte Luftbedarf bzw. das Verhältnis Luft/Stickstoff er mittelt.

Die Ergebnisse der verschiedenen Versuche sind in den Figu ren 2 und 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt die erzeugte Stick stoffrate für verschiedene Restsauerstoffkonzentrationen im Stickstoffproduktgas. Untersucht wurden das Kohlenstoff-Mo lekularsieb (A), das die Bedingungen des Anspruchs 1 er füllt, und das Kohlenstoff-Molekularsieb (B), das diese Be dingungen nicht erfüllt. Im ersteren Fall ist durch die "Cutting-Technik" die Stickstofferzeugungsrate erhöht wor den, im zweiten Fall nicht.

In Fig. 3 ist für beide Kohlenstoff-Molekularsiebe (A) und (B) der spezifische Luftbedarf, der für die Erzeugung eines m³ Stickstoff notwendig ist, für verschiedene Sauerstoff restkonzentrationen im Produktgas aufgetragen worden. Hier aus wird noch sehr viel deutlicher, daß durch Anwendung der "Cutting-Technik" das für den Energieverbrauch (Energie zur Kompression der zur Trennung vorgesehenen Luft) wichtige Luft/Stickstoff-Verhältnis bei Verwendung des Kohlen stoff-Molekularsiebes (A), das den Bedingungen des Anspru ches 1 genügt, erheblich reduziert werden kann. Dies gelingt bei dem Kohlenstoff-Molekularsieb (B), das die Bedingungen des Anspruches 1 nicht erfüllt, praktisch nicht. Besonders günstig wirkt sich die "Cutting-Technik" bei der Herstellung von N₂ mit 99,9% und reiner aus.

Claims

Kohlenstoff-Molekularsieb (CMS) zur Zerlegung von Luft in Stickstoff und Sauerstoff durch Druckwechseltechnik (PSA), gekennzeichnet durch folgende Eigenschaften, die in einem Qualitätstest ermittelt werden, bei dem ein mit Kohlenstoff-Molekularsieb gefüllter 200 ml-Behälter zu nächst 2 Minuten bzw. 1 Minute bei 760 Torr von Luft durchströmt wird und anschließend 2 Minuten bzw. 1 Mi nute auf 40 mbar evakuiert wird und wobei das aufge nommene Gasvolumen (1 Gas/l CMS-Volumen = Relativvolumen RV) sowie die mittlere und maximale Sauerstoffkonzentra tion im Evakuierungsgas gemessen werden:.
- a) Erzielung eines Relativvolumens (RV) von 2,6 bis 3,2 l Gas/l CMS im 2-Minuten-Test,
- b) Erzielung eines Relativvolumens (RV) von 2,0 bis 2,6 l Gas/l CMS im 1-Minuten-Test,
- c) Erzielung einer mittleren Sauerstoffkonzentration ober halb von 37 Vol.-% und einer max. Sauerstoffkonzentration oberhalb von 64 Vol.-% im Evakuierungsgas im 2-Minuten- Test,
- d) Erzielung einer mittleren Sauerstoffkonzentration und ei ner max. Sauerstoffkonzentration im Evakuierungsgas im 1-Minuten-Test, die oberhalb der Werte für die mittleren und maximalen Sauerstoffkonzentrationen im 2-Minuten-Test liegen.