DE60030016T2

DE60030016T2 - Druckwechseladsorptionsverfahren und -vorrichtung mit einem einzigem Bett

Info

Publication number: DE60030016T2
Application number: DE60030016T
Authority: DE
Inventors: Tarik Bath Naheiri
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2020-02-05
Also published as: EP1027915A2; KR20000076623A; EP1027915B1; KR100346488B1; ATE336292T1; ES2265322T3; CA2297590C; TW524710B; DE60030016D1; EP1027915A3; BR0000842A; CA2297590A1; US6156101A

Description

Die Druckwechseladsorption ist ein bekanntes Verfahren zur Zerlegung von Massen-Gasgemischen und zur Reinigung von Gasströmen, die geringe Konzentrationen unerwünschter Komponenten enthalten. Das Verfahren wurde für einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen, Produktreinheit und Produktgewinnung entwickelt und angepasst. Viele Druckwechseladsorptionssysteme nutzen zwei oder mehr Adsorberbetten, die in einer zyklischen Abfolge betrieben werden, um eine konstante Strömungsgeschwindigkeit des Produktes aufrechtzuerhalten, während die ausgewählten Betten verschiedenen Schritten unterzogen werden, die die Adsorption, die Druckverringerung, die Desorption, die Spülung, den Druckausgleich, das erneute Unterdrucksetzen und andere verwandte Schritte beinhalten. Es sind mehrere Adsorberbetten erforderlich, die zahlreiche Verfahrensschritte verwenden, um eine hohe Reinheit und/oder Gewinnung von wertvollen gasförmigen Produkten wie Wasserstoff, Kohlenstoffoxiden, Synthesegas und leichten Kohlenwasserstoffen zu erreichen. Die hohen Kosten zur Erzeugung der Speisegasgemische, die diese wertvollen Komponenten enthalten, und die hohen Reinheitsanforderungen für bestimmte Produkte rechtfertigen in der Regel die Komplexität und den Investitionsaufwand von Mehrbett-Druckwechseladsorptionssystemen.
Es wurden eine Reihe von Einbett-Druckwechseladsorptionsverfahren (pressure swing adsorption – PSA) entwickelt und sind im Stand der Technik bekannt. Viele dieser Verfahren arbeiten teilweise bei Drücken unter atmosphärischem Druck und werden als Unterdruckwechseladsorption (vacuum swing adsorption – VSA) oder Vakuum-Druckwechseladsorptionsverfahren (vacuum-pressure swing adsorption – VPSA) beschrieben. In der vorliegenden Patentbeschreibung wird Druckwechseladsorption (PSA) als ein allgemeiner Begriff verwendet, um alle Arten von zyklischen Adsorptionssystemen ungeachtet der Betriebsdruckpegel zu beschreiben.
Andere gasförmige Produkte, die für die Gewinnung durch PSA geeignet sind, erfordern nicht die hohe Reinheit und/oder Gewinnung der oben genannten Produkte. Bei der Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft durch PSA ist zum Beispiel ein Produkt mit niedrigerer Reinheit, das 90 bis 95 Vol.% Sauerstoff enthält, für viele Endanwendungen akzeptabel, wobei einfachere PSA-Systeme verwendet werden können, um ein solches Produkt zur Verfügung zu stellen. Diese einfacheren PSA-Systeme haben erheblich geringere Investitions- und Betriebskosten als die vorher beschriebenen Mehrbett-Systeme. Das einfachste dieser PSA-Systeme zur Luftzerlegung nutzt ein einzelnes Adsorberbett in Verbindung mit einem oder mehreren Gasspeicherbehältern, um eine konstante Produktströmung zu ermöglichen und um Gas zur Adsorberspülung und Unterdrucksetzung während des Regenerationsteils des PSA-Zyklus zur Verfügung zu stellen.
Die US-A-4 561 865 offenbart ein Einbett-PSA-System, das einen Adsorber- und Ausgleichstank umfasst und das mit einem Einspeisungskompressor in einem dreistufigen Zyklus betrieben wird. Als erstes wird komprimierte Speiseluft in den Adsorber eingeführt, die den Druck im Adsorber erhöht, wobei gleichzeitig der Adsorber-Abfluss in den Ausgleichstank entnommen wird. Ein Teil des Gases wird vom Ausgleichstank als ein mit Sauerstoff angereichertes Produkt entnommen. Die Adsorber-Einspeisung wird dann unterbrochen, wobei der Adsorber im Gegenstrom (d. h. durch das Adsorber-Einspeisungsende) in die Atmosphäre entlüftet wird. Während dieses Entlüftungsschritts kann Spülgas vom Ausgleichstank in das Produktende des Adsorbers eingeführt werden. Bei Beendigung des Entlüftungs-/Spülschrittes werden der Adsorber und der Ausgleichstank durch das Adsorber-Produktende (d. h. im Gegenstrom) einem Druckausgleich unterworfen. Die Schritte werden zyklisch wiederholt. Die US-A-4 511 377 beschreibt eine modulare Vorrichtung, die dieses PSA-Verfahren nutzt.
In der US-A-4 892 566 wird ein Einbett-PSA-System beschrieben, das einen Adsorber in Verbindung mit einem Ausgleichstank, einem Einspeisungskompressor und Umschaltventilen verwendet, um eine Reihe von Schritten auszuführen. Als erstes wird komprimierte Luft in den Adsorber eingeführt, die den Druck im Adsorber erhöht, während zur gleichen Zeit Adsorber-Abfluss in den Ausgleichstank entnommen wird. Ein Teil des Gases wird vom Ausgleichstank als mit Sauerstoff angereichertes Produkt entnommen. Die Adsorber-Einspeisung wird unterbrochen und der Adsorber-Auslass geschlossen, wobei der Adsorber im Gegenstrom (d. h. durch das Adsorber-Einspeisungsende) in die Atmosphäre entlüftet wird. Das Abschaltventil wird nach dem Lüften geöffnet, um eine Produktströmung vom Ausgleichstank ins Bett zu ermöglichen. Wenn die Produktströmung zum Adsorberbett begonnen hat, kann das Bett entlüftet werden, um einen konstanten Druck aufrechtzuerhalten, mit Speisegas versorgt oder weder entlüftet noch mit Speisegas versorgt werden. Die Strömung des Produktgases zwischen dem Adsorberbett und den Ausgleichstanks kann nach einem anfänglichen Druckausgleich unterbrochen werden, um ein separates, erneutes Unterdrucksetzen zu ermöglichen. Die Schritte werden dann zyklisch wiederholt.
Die US-A-5 032 150 offenbart ein Einbett-PSA-Verfahren, das mehrere Gasspeichertanks in einem PSA-Zyklus verwendet, um Luft zu zerlegen. Komprimierte Luft wird von einem Luft-Einspeisungstank in einen mit sauerstoffreichem Gas von einem früheren Zyklus vorgesättigten Adsorber eingespeist, wobei der Adsorber-Abfluss in ein Produkt-Sammeltank geleitet wird, von dem ein Teil des Gases als ein sauerstoffreiches Produkt entnommen wird. Der Adsorber-Auslass wird dann geschlossen und der Druck im Adsorber mit dem Luft-Einspeisungstank ausgeglichen. Als Nächstes wird der Adsorber mit stickstoffreichem Gas aus einem Stickstoff-Produkttank nachgespült, wobei das verdrängte Gas im Luft-Einspeisungstank gespeichert wird. Der Druck des mit Stickstoff gesättigten Adsorbers wird dann im Gegenstrom (d. h. durch das Adsorber-Speiseende) in den Stickstoff-Produkttank verringert. Wenn nötig, kann Stickstoff als Produkt entnommen werden. Schließlich wird der Adsorber im Gegenstrom mit sauerstoffreichem Gas aus dem Produkt-Sammeltank gespült, um den Stickstoff darin zu verdrängen, und dann im Gegenstrom mit sauerstoffreichem Gas auf Adsorptionsdruck unter Druck gesetzt. Diese Schritte werden zyklisch wiederholt.
In der US-A-S 071 449 wird ein schnelles PSA-System mit Einzelbehälter beschrieben, in dem der Behälter doppelte Adsorptions-Schichten enthält und in wechselnder Weise mit einem kontinuierlichen Speisegas und zwei kontinuierlichen Produktströmen arbeitet. Ein Produkt-Ausgleichstank wird nicht verwendet. Ein weiteres schnelles PSA-System, das ein einzelnes Adsorptionsmittelbett verwendet und das in einem Zyklus von 30 Sekunden oder weniger arbeitet, wird in der US-A- 4 194 892 beschrieben. Der Adsorber-Abfluss fließt optional durch einen Produkt-Ausgleichstank, um Strömungsschwankungen während des Adsorber-Zyklus zu dämpfen.
Ein Einbett-PSA-System mit einem Produkt-Ausgleichstank und einem Kompensationstank wird in der US-A-5 370 728 offenbart. Bei der Funktionsweise dieses Systems wird eine komprimierte Lufteinspeisung in das Adsorptionsmittelbett eingeführt und setzt das Bett von einem Zwischendruck auf einen maximalen Adsorptionsdruck unter Druck, wobei das ausströmende Produkt vom Bett in den Produkt-Ausgleichstank entnommen wird. Das Adsorptionsmittelbett wird dann isoliert und der Druck im Gegenstrom (d. h. durch das Produktende) in einen Kompensationstank mit dem Zwischendruck verringert. Als Nächstes wird der Druck im Bett weiterhin im Gegenstrom (d. h. durch das Speiseende) auf einen niedrigeren Desorptionsdruck verringert, wobei das Bett im Gegenstrom mit Gas aus dem Produkt-Ausgleichstank gespült wird. Das Bett wird dann im Gegenstrom mit Gas aus dem Kompensationstank auf den Zwischendruck unter Druck gesetzt. Schließlich wird das Bett mit Speiseluft unter Druck gesetzt, wobei die Schritte zyklisch wiederholt werden.
Die EP-A-0 884 087 (entspricht der US-A-5 882 380) offenbart ein Einbett-PSA-System, in dem das Adsorberbett unter Druck gesetzt wird, indem Produktgas aus einem Ausgleichstank sowohl in das Speise- als auch Produktende des Adsorberbehälters eingespeist wird. Wenn ein vollständiges Unterdrucksetzen des Adsorptionsmittel-Behälters während des gewünschten Zeitraums zum Unterdrucksetzen nicht erreicht wird, kann mittels Speisegas ein zusätzliches Unterdrucksetzen zur Verfügung gestellt werden. Solche Hinzufügung wird in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen nicht vorgenommen, und es werden keine Einzelheiten von solchem zusätzlichen Unterdrucksetzen zur Verfügung gestellt. Die Produktgasströmung zwischen dem Bett und dem Ausgleichstank wird durch ein Abschaltventil in der Leitung zwischen dem Produktende des Bettes und dem Ausgleichstank und durch ein oder zwei Abschaltventile zwischen dem Ausgleichstank und dem Speiseende des Bettes gesteuert. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel gibt es während der Evakuierung keine Strömung zwischen dem Ausgleichstank und dem Bett, wobei aber angemerkt wird, dass das gespeicherte Produktgas in das Produktende des Adsorbers während wenigstens eines Teils der Evakuierung eingeführt werden kann, um das Leerraumgas und den desorbierten Stickstoff zu verdrängen. Von der Option der Produktgasspülung des Bettes werden keine weiteren Einzelheiten zur Verfügung gestellt.
Die US-A-5 486 226 offenbart ein PSA-System, das eine Produktgas-Hinterfüllung nur beim Anlaufen oder wenn es einen vorübergehenden Verlust der Produktreinheit gibt, verwendet. Die Produktgasströmung vom Adsorberbehälter zu einem Ausgleichstank wird durch ein Rückschlagventil in Reihe mit einem Strömungs-Steuerventil gesteuert, wobei die umgekehrte Richtung durch ein Strömungs-Steuerventil in Reihe mit einem Abschaltventil und dem Rückschlagventil gesteuert wird. Während des normalen Betriebs gibt es keinen Rückfluss vom Ausgleichstank zum Bett. Die Strömungs-Steuerventile werden manuell betätigt, wobei das Abschaltventil 52 als Reaktion auf einen Produktreinheits-Monitor betätigt wird.
Weitere Einbett-PSA-Verfahren werden in den US-A-4 065 272, US-A-4 477 264, US-A-5 228 888, US-A-5 415 683, US-A-5 658 371, US-A-5 679 134 und US-A-5 772 737 und in JP-A-H9-77 502 und JP-A-H10-1 947 080 sowie in EP-A-0 771 583 beschrieben.
Verschiedene der oben zitierten Dokumente offenbaren mehrere Gasspeicher-Tanks, um Spülgas und Gas zum erneuten Unterdrucksetzen zur Verfügung zu stellen. Die US-A-5 370 728, US-A-5 658 371 und EP-A-0 771 583 A1 beschreiben die Verwendung von doppelten Gasspeichertanks in Einbett-Luftzerlegungssystemen zur Sauerstoff-Gewinnung. Ein Tank speichert Leerraumgas oder teilweise Gas zur Druckverringerung mit geringerer Sauerstoff-Reinheit, wobei der andere Tank ein Sauerstoff-Produktgas von höherer Reinheit speichert. Das gespeicherte Gas mit der niedrigeren Sauerstoff-Reinheit wird für ein teilweises erneutes Unterdrucksetzen des Adsorbers verwendet, während ein Teil des gespeicherten Produktgases von höherer Reinheit zum Spülen des Adsorbers verwendet wird. Die US-A-5 032 150 beschreibt die Gewinnung von Stickstoff aus Luft in einem PSA-System, das mehrere Gasspeichertanks verwendet, wobei ein Tank sauerstoffreiches Gas zum Spülen des Adsorbers und der andere Tank ein stickstoffreiches Produkt zum Verdrängen von Sauerstoff aus dem Adsorber speichert, nachdem das Spülen beendet ist.
Die oben beschriebenen PSA-Verfahren und -Systeme sorgen für eine effiziente Produktion eines angereicherten, gasförmigen Produktes aus einem Speisegasgemisch. Diese Einbett-Verfahren erfordern mehrere Ventile und geeignete Steuersysteme, um die Gas-Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung während der zyklischen Schritte zur Adsorption, Druckverringerung, Evakuierung und zum erneuten Unterdrucksetzen zu steuern. Zukünftige Verbesserungen werden zur breiteren Nutzung dieser Einbett-Verfahren und -Systeme ermutigen. Solche Verbesserungen sollten die Vereinfachung der Ausrüstung, insbesondere der Gebläse, Ventile und zugehörigen Gasströmungs-Steuersysteme beinhalten, die bei diesen PSA-Verfahren erforderlich sind. Die unten beschriebene und in den beigefügten Ansprüchen definierte Erfindung bietet ein verbessertes PSA-Verfahren und -System, bei dem im Vergleich mit der bekannten PSA-Verfahrenstechnologie die Anzahl der Ventile minimiert und die Gasströmungssteuerung außerordentlich vereinfacht ist.
Nach einer ersten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Druckwechseladsorptionsverfahren für die Zerlegung eines unter Druck stehenden Speisegases zur Verfügung, das wenigstens eine stärker adsorbierbare Komponente und wenigstens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthält, mit den Schritten:

(a) Einführen des unter Druck stehenden Speisegases bei einem Speisedruck in ein Einspeisungsende eines Adsorberbehälters, der ein festes Adsorptionsmittel enthält, das bevorzugt die stärker adsorbierbare Komponente adsorbiert, Abziehen eines ausströmenden Adsorbergases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, von einem Produktende des Adsorberbehälters, und Einführen mindestens eines Teils des ausströmenden Adsorbergases in einen Gasspeichertank;
(b) Beendigung der Einführung des unter Druck stehenden Speisegases in den Adsorberbehälter und Druckverringerung des Adsorberbehälters durch evakuierendes Gas von dem Speiseende des Adsorberbehälters, ohne Einführung von gespeichertem ausströmenden Adsorbergas in den Adsorberbehälter;
(c) Fortsetzen das Evakuierens des Gases von dem Speiseende des Adsorberbehälters, während gleichzeitig gespeichertes ausfließendes Adsorbergas vom Gasspeichertank in das Produktende des Adsorberbehälters eingeführt wird, bis der Druck im Adsorberbehälter einen minimalen Adsorberdruck erreicht;
(d) Beendigung des Evakuierens des Gases von dem Speiseende des Adsorberbehälters und erneutes Unterdrucksetzen des Adsorberbehälters von dem minimalen Adsorberdruck zu einem Zwischendruck durch Einführen von unter Druck gesetztem Speisegas in das Speiseende des Adsorberbehälters, während das Einführen von gespeichertem ausfließenden Adsorbergas von dem Gasspeichertank in das Produktende fortgesetzt wird;
(e) weiteres, erneutes Unterdrucksetzen des Adsorberbehälters auf den Einspeisungsdruck durch fortgesetztes Einführen von unter Druck gesetztem Speisegas in das Einspeisungsende des Adsorberbehälters ohne Einführung von gespeichertem ausströmenden Adsorbergas in den Adsorberbehälter; und
(f) zyklisches Wiederholen der Schritte (a) bis (e),

Der minimale Adsorberdruck befindet sich typischerweise unter atmosphärischem Druck.
Produktgas kann man während des Schrittes (a) erhalten, indem ein Teil des ausströmenden Adsorbergases entnommen wird, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, oder alternativ indem ein Teil des gespeicherten ausströmenden Adsorbergases vom Gasspeichertank entnommen wird. Ein Teil des gespeicherten ausströmenden Adsorbergases vom Gasspeichertank kann während der Schritte (b), (c), (d) und (e) als Produktgas entnommen werden.
Das Speisegas kann Luft sein, wobei die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff und die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist. Das feste Adsorptionsmittel kann aus monovalenten oder bivalenten Kationenaustausch-Zeoliten mit Typ A, Typ X oder Mordenit-Struktur ausgewählt werden.
Nach einer zweiten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Druckwechseladsorptionssystem für die Zerlegung eines Speisegases, das wenigstens eine stark adsorbierbare Komponente und wenigstens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthält, durch ein Verfahren nach der ersten Ausführungsform zur Verfügung, wobei das System aufweist:

(a) einen Adsorberbehälter, der ein festes Adsorptionsmittel enthält, das bevorzugt die stärker adsorbierbare Komponente adsorbiert, wobei der Behälter ein Einspeisungsende und ein Produktende hat;
(b) eine Gebläse-, Ventil- und Rohranordnung für (1) die Einführung des Speisegases in das Einspeisungsende des Adsorberbehälters und (2) die Entnahme eines Evakuierungsgases von dem Einspeisungsende des Adsorberbehälters;
(c) eine Rohranordnung für die Entnahme eines ausströmenden Adsorbergases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, von dem Produktende des Adsorberbehälters;
(d) einen Gasspeichertank für die Aufnahme eines Teils des ausströmenden Adsorbergases, das von dem Produktende des Adsorberbehälters entnommen wird;
(e) eine Rohranordnung für die Einführung des Teils des ausströmenden Adsorbergases in den Gasspeichertank und für die Überführung des ausströmenden Adsorbergases von dem Gasspeichertank in den Adsorberbehälter;
(f) ein erstes Rückschlagventil, das ermöglicht, das ausströmendes Adsorbergas jedes Mal dann in den Gasspeichertank strömt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Adsorberbehälter und dem Gasspeichertank gleich oder größer als eine vorher bestimmte Öffnungsdruckdifferenz des ersten Rückschlagventils ist;
(g) ein zweites Rückschlagventil, das ermöglicht, das Gas von dem Gasspeichertank jedes Mal dann in den Adsorberbehälter strömt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank und dem Adsorberbehälter gleich oder größer als eine vorher bestimmte Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Rückschlagventils ist; und
(h) eine Rohranordnung für die Entnahme wenigstens eines Teils des ausströmenden Adsorbergases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, als Produktgas.

Die Ventilanordnung von (b) umfasst vorzugsweise ein Zweiweg-Ventil mit vier Öffnungen, das

(1) in einer ersten Ventilstellung ermöglicht, das Gas in der Reihenfolge durch eine Einspeisungseinlass/Auslassleitung, durch das Ventil, durch eine Gebläse-Saugleitung, durch das Gebläse, durch eine Gebläseauslassleitung, durch das Ventil, durch eine Leitung, die mit dem Einspeisungsende des Adsorberbehälters verbunden ist, und in den Adsorberbehälter strömt, und
(2) in einer zweiten Ventilstellung ermöglicht, das Gas in der Reihenfolge von dem Adsorberbehälter durch die Leitung, die mit dem Einspeisungsende des Adsorberbehälters verbunden ist, durch das Ventil, durch die Gebläse-Saugleitung, durch das Gebläse, durch die Gebläseauslassleitung, durch das Ventil und durch die Einspeisungseinlass/Auslassleitung strömt.

Die Öffnungsdruckdifferenz des ersten Rückschlagventils liegt vorzugsweise zwischen 0,05 psid (0,35 kPa) und 1,0 psid (7 kPa), wobei die Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Rückschlagventils vorzugsweise zwischen 2 psid (15 kPa) und 10 psid (70 kPa) liegt.
Vorzugsweise umfasst das System des Weiteren ein Strömungssteuerventil, das mit der Rohranordnung zur Entnahme wenigstens eines Teils des ausströmenden Adsorbergases als ein Produktgas verbunden ist, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist. Das Speisegas kann Luft sein, wobei in dem Fall die Einspeisungseinlass/Auslassleitung mit der Atmosphäre in Strömungsverbindung steht.
Die vorliegende Erfindung ist ein PSA-Verfahren, das eine einzigartige Kombination aus den Schritten der zyklischen Einspeisung, Evakuierung, Spülung und des erneuten Unterdrucksetzens nutzt, um ein Gasprodukt zur Verfügung zu stellen, das mit einer der Einspeisungskomponenten angereichert ist. Das Verfahren wird bevorzugt in einem einfachen System ausgeführt, das ein einzelnes Zweiweg-Ventil mit vier Öffnungen nutzt, um die Gasströmung zwischen dem Adsorberbehälter und einem Gebläse zu steuern, wobei das Gebläse zur Einführung von Speisegas in den Adsorber und zur Evakuierung des Gases von dem Adsorber verwendet wird. Die Steuerung der Gasströmung in jede Richtung zwischen dem Adsorberbehälter und einem Produktgas-Speichertank wird durch zwei Rückschlagventile durchgeführt, die parallel zwischen dem Behälter und dem Tank eingebaut sind. Damit funktioniert das System mit nur zwei mechanischen Antriebselementen – eines zum Betätigen des Zweiweg-Ventils mit vier Öffnungen und eines zum Betätigen des Gebläses. Die Rückschlagventile zwischen dem Adsorber und dem Gasspeichertank werden direkt und automatisch durch die Gasdruckdifferenz zwischen dem Adsorber und dem Speichertank aktiviert.
In den hier angegebenen Beschreibungen der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind die folgenden Bedeutungen mit verwendeten spezifischen Begriffen verbunden.
Ein Einspeisungsschritt erfolgt während der Zeit, in der unter Druck stehendes Gas in den Adsorberbehälter eingeführt wird. Druckverringerung wird als die Entnahme von Gas von dem Adsorberbehälter definiert, die von der Abnahme des Adsorberdrucks begleitet wird. Die Druckverringerung kann durch Entlüften des Gases von einem überatmosphärischen Druck direkt in die Atmosphäre oder alternativ in einen weiteren Verfahrenbehälter oder ein umschlossenes Volumen erreicht werden, das einen niedrigeren Druck hat. Die Druckverringerung kann auch durch Evakuierung erreicht werden, die als Entnahme des Gases von dem Adsorber durch eine mechanische Anordnung wie einer Vakuumpumpe oder einem Gebläse definiert wird. Die Evakuierung kann über einen beliebigen Bereich von Adsorberdrücken ausgeführt werden, wird aber typischerweise bei unteratmosphärischem Drücken, d. h. bei Unterdruck ausgeführt. Erneutes Unterdrucksetzen wird als die Einführung von Gas in den Adsorberbehälter definiert, die vom Anstieg des Adsorberdrucks begleitet wird.
Spülung wird als die Einführung eines Spülgases, typischerweise Produktgas, in ein Ende des Adsorbers definiert, während ein ausströmendes Gas vom anderen Ende des Behälters entnommen wird. Die Spülung kann bei einem beliebigen Druck ausgeführt werden, ist aber bei unteratmosphärischen Drücken am wirksamsten. Die Spülung kann während der Druckverringerung, der Evakuierung oder dem erneuten Unterdrucksetzen ausgeführt werden, wobei damit der Adsorberdruck während eines beliebigen Teils eines Spülschrittes ansteigen, abnehmen oder konstant bleiben kann. Vorzugsweise wird, wie unten beschrieben, die Spülung während des letzten Teils des Druckverringerungs- oder Evakuierungsschrittes ausgeführt.
Die Druckdifferenz (oder alternativ Differentialdruck) wird als die positive Differenz des Gasdrucks zwischen einem Behälter oder Tank mit einem höheren Druck und einem Behälter oder Tank mit einem niedrigeren Druck definiert. Die Druckdifferenz wird auch als die positive Differenz des Gasdrucks zwischen dem Einlass und dem Auslass eines Rückschlagventils definiert. Die Öffnungsdruckdifferenz eines Rückschlagventils ist die Differenz des Drucks zwischen dem Einlass und dem Auslass, die erforderlich ist, um das Ventil zu öffnen und die Gasströmung vom Einlass zum Auslass zuzulassen.
Leerraumgas wird als nicht adsorbiertes Gas definiert, das im Zwischenraum- oder Zwischenpartikel-Volumen im Adsorberbehälter enthalten ist, und umfasst Gas im toten Volumen der Rohrleitung und des Behälters, das nicht vom Adsorptionsmittel eingenommen wird.
Ein Teil des ausströmenden Adsorbergases aus dem Adsorberbehälter, das ebenfalls als Adsorber-Produktgas definiert werden kann, wird in einem Produktgas-Speichertank gespeichert. Gas, das für einen externen Verbrauch entnommen wird, wird als ein Produktgas (oder alternativ als ein Gasprodukt) definiert, wobei dieses Produktgas durch Entnahme von dem Produktgas-Speichertank oder als ein Teil des Adsorber-Produktgases zugeführt werden kann.
Das folgende ist eine Beschreibung, die nur beispielhaft ist und Bezug auf die begleitenden Zeichnungen der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nimmt. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Strömungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
2 eine grafische Darstellung von Adsorber- und Gasspeichertank-Drücken als eine Funktion der Zeit für ein Verfahrenszyklus der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt im Druckwechseladsorptionssystem ausgeführt, das schematisch in 1 gezeigt wird. Speisegas und Evakuierungs-Abgas (wird später definiert) strömen durch die Einlass-/Entlüftungsleitung 1, die mit einem Schalldämpfer 3 verbunden ist, der die Geräusche des einströmenden und ausströmenden Gases verringert. Die Leitung 5, durch die Gas in jede Richtung strömt, ist mit einem Zweiweg-Ventil 7 mit vier Öffnungen an der Einlass-/Auslassöffnung 7a verbunden. Die Leitung 9, durch die Gas in jede Richtung strömt, verbindet die Einlass-/Auslassöffnung 7b des Zweiweg-Ventils 7 mit vier Öffnungen mit dem Gebläse 11. Die Leitung 13, durch die Gas in jede Richtung strömt, verbindet die Einlass-/Auslassöffnung 7c des Zweiweg-Ventils 7 mit vier Öffnungen mit dem Gebläse 11. Die Leitung 15, durch die Gas in jede Richtung strömt, verbindet die Einlass-/Auslassöffnung 7d des Zweiweg-Ventils 7 mit vier Öffnungen mit dem Einspeisungsende des Adsorberbehälters 17.
Das Zweiweg-Ventil 7 mit vier Öffnungen kann eine beliebige Art von gewerblich erhältlichen Zweiweg-Ventilen mit vier Öffnungen sein, das in zwei Stellungen betätigt werden kann, um Gas in zwei Strömungsrichtungen zu leiten. Dieses Ventil ist typischerweise ein Kugelventil mit vier Öffnungen mit einer Doppelwinkel- oder Doppel-L-Kugel, die mit einem elektrischen Umkehrmotor-Betätigungselement mit Bremse betätigt wird. Ventile und Betätigungselemente, die für eine solche Bedienung geeignet sind, sind gewerblich erhältlich und können zum Beispiel von Pittsburgh Brass Manufacturing Co. und von AMSECO Sales Corp. erworben werden.
Der Adsorberbehälter 17 enthält Adsorptionsmittel-Material, das selektiv eine oder mehrere der Komponenten in einem Speisegasgemisch adsorbiert, wobei dadurch das nicht adsorbierte Gas mit den verbleibenden Komponenten angereichert wird, wie später erläutert wird. Die Leitung 19, durch die Gas in jede Richtung strömt, ist mit dem Produktende des Adsorberbehälters verbunden.
Die Leitung 21, durch die Gas in nur eine Richtung strömt, wie ersichtlich wird, ist mit dem Einlass des Rückschlagventils 23 verbunden. Die Leitung 25, durch die Gas in nur eine Richtung strömt, wie ersichtlich wird, ist mit dem Auslass des Rückschlagventils 23 verbunden. Das Rückschlagventil 23 lässt die Strömung vom Adsorberbehälter 17 zum Gasspeichertank 39 in der gezeigten Richtung nur zu, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Adsorberbehälter 17 (der höhere Druck) und dem Gasspeichertank 39 (der niedrigere Druck) gleich oder größer ist, als ein vorher bestimmter Wert. Diese Druckdifferenz entspricht der Öffnungsdruckdifferenz des Rückschlagventils. Wenn die Druckdifferenz geringer ist als dieser Wert, ist das Rückschlagventil 23 geschlossen. Dieser vorher bestimmte Wert der Druckdifferenz liegt typischerweise zwischen 0,05 und 1,0 Pfund pro Quadratzoll Differenz (pounds per square inch differential – psid) (0,35 und 7 kPa) und wird durch die Ausführung des spezifischen Rückschlagventils, das bei dieser Bedienung verwendet wird, eingestellt. Die Leitung 29, durch die Gas in jede Richtung strömt, ist mit der Leitung 31 verbunden, durch die Gas zum Einlass des Steuerventils 33 strömt. Die Leitung 35 für das endgültige Gasprodukt ist mit dem Auslass des Steuerventils 33 verbunden. Die Leitung 37, durch die Gas in jede Richtung strömt, ist mit der Leitung 29 und mit dem Gasspeichertank 39 verbunden.
Die Leitung 41, durch die Gas nur in eine Richtung strömt, wie ersichtlich wird, ist mit dem Einlass des Rückschlagventils 43 verbunden. Die Leitung 45, durch die Gas nur in eine Richtung strömt, wie ersichtlich wird, ist mit dem Auslass des Rückschlagventils 43 und mit der Leitung 19 verbunden. Das Rückschlagventil 43 lässt die Strömung vom Gasspeichertank 39 zum Adsorberbehälter 17 in der gezeigten Richtung nur zu, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank 39 (der höhere Druck) und dem Adsorberbehälter 17 (der niedrigere Druck) gleich oder größer ist als ein vorher bestimmter Wert. Dies ist die Öffnungsdruckdifferenz des Rückschlagventils. Wenn die Druckdifferenz geringer ist als dieser Wert, ist das Rückschlagventil 43 geschlossen. Dieser vorher bestimmte Wert der Druckdifferenz liegt typischerweise zwischen 2,0 und 20 psid (14 und 140 kPa) und wird durch die Ausführung des spezifischen Rückschlagventils, das bei dieser Bedienung verwendet wird, eingestellt.
Ein alternativer Modus für die Entnahme des endgültigen Produktgases wird in 1 angegeben, wonach das Produktgas direkt vom Gasspeichertank 39 über die Leitung 31, das Ventil 33 und die Produktleitung 35 entnommen wird, wie ersichtlich wird.
Die Beschreibung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die das System nach 1 nutzt, wird unten gegeben. Das Verfahren wird durch die Gewinnung von Sauerstoff aus Luft veranschaulicht, wobei das Verfahren aber auch verwendet werden kann, um andere Gasgemische zu zerlegen, wie später erläutert wird.
1. Lufteinspeisung
Atmosphärische Luft, die bevorzugt durch bekannte Verfahren gefiltert wird (nicht dargestellt), um schädliches Staubmaterial zu entfernen, strömt durch die Einlass-/Entlüftungsleitung 1, den Schalldämpfer 3, die Leitung 5, das Zweiweg-Ventil 7 mit vier Öffnungen über die Öffnungen 7a und 7b und die Leitung 9 in den Einlass des Gebläses 11. Das Gebläse 11, das typischerweise ein Drehflügel-Rootsgebläse ist, komprimiert die Luft auf einen Einspeisungsdruck, der typischerweise in einem Bereich von 18 bis 23 psia (125 bis 160 kPa) liegt. Optional kann ein Nachkühler (nicht dargestellt) hinter dem Gebläse verwendet werden. Das unter Druck stehende Speisegas strömt durch die Leitung 13, das zwei Wege-Ventil 7 mit vier Öffnungen über die Öffnungen 7c und 7d und die Leitung 15 in den Adsorberbehälter 17, der Adsorptionsmittel-Material enthält, das selektiv Stickstoff, eine stärker adsorbierbare Komponente in der Lufteinspeisung, adsorbiert. Der Adsorberbehälter 17 befindet sich anfänglich bei einem typischen Zwischendruck von 14,5 bis 15,5 psia (100 bis 107 kPa) als ein Ergebnis eines früheren Schrittes zum erneuten Unterdrucksetzen (wird unten beschrieben), wobei die Drücke im Adsorberbehälter 17 und im Gasspeichertank 39 fast gleich sind, abgesehen von der Druckdifferenz, die erforderlich ist, um das Rückschlagventil 23 offen zu halten. Die unter Druck stehende Speiseluft erhöht den Druck im Adsorberbehälter auf dem vollen Adsorptionsdruck von 18 bis 23 psia (125 bis 160 kPa) für einen Zeitraum von 13 bis 30 Sekunden. In der atmosphärischen Luft vorhandenes Wasser kann stromaufwärts vom Adsorberbehälter 17 durch bekannte Verfahren entfernt werden oder kann alternativ durch die Verwendung einer Schicht eines Adsorptionsmittels am Adsorber-Einlassende entfernt werden, die bevorzugt Wasser adsorbiert.
Wenn die unter Druck stehende Lufteinspeisung durch den Adsorberbehälter geführt wird, wird sie mit Sauerstoff, einer weniger stark adsorbierbaren Komponente der Lufteinspeisung, angereichert. Der mit Sauerstoff angereicherte Adsorber-Abfluss, der typischerweise 85 bis 95 Vol.% Sauerstoff enthält, wird durch die Leitung 19, die Leitung 21, das Rückschlagventil 23 und die Leitung 29 entnommen. Ein Teil des ausströmenden Adsorbergases strömt durch die Leitung 37 in den Gasspeichertank 39, wobei der Rest durch das Strömungssteuerventil 33 und die Leitung 35 geführt wird, um ein endgültiges Sauerstoff-Produktgas zur Verfügung zu stellen.
Der Lufteinspeisungsschritt wird fortgesetzt, bis sich das Adsorptionsmittel einem vorher bestimmten Pegel der Stickstoff-Adsorptionsschwelle nähert und bevor ein vollständiges Adsorptions-Gleichgewicht mit der Speiseluft im Adsorber erreicht wird, wobei zu diesem Zeitpunkt der Schritt beendet wird. Die typische Dauer des Lufteinspeisungsschrittes beträgt 13 bis 30 Sekunden.
Der Adsorberbehälter 17 enthält ein oder mehrere Adsorptionsmittel, die bevorzugt Stickstoff adsorbieren und damit den Adsorber-Abfluss mit Sauerstoff anreichern. Diese Adsorptionsmittel können aus monovalenten oder bivalenten Kationenaustausch-Zeoliten mit Typ A, Typ X oder Mordenit-Struktur ausgewählt werden. Spezifische Beispiele sind NaX-, NaA-, CaX- und CaA-Zeolite.
2. Evakuierung
Der Lufteinspeisungsschritt wird durch Ändern der Stellung des Zweiweg-Ventils 7 mit vier Öffnungen beendet, so dass das Gebläse 11 den Adsorberbehälter 17 evakuiert, wobei dadurch Leerraum- und desorbiertes Gas vom Adsorber durch die Leitung 15, das Zweiweg-Ventil 7 mit vier Öffnungen über die Öffnungen 7d und 7b, das Gebläse 11 und die Leitung 13 strömen. Kurz nach der Beendigung des Lufteinspeisungsschrittes schließt das Rückschlagventil 23 automatisch, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Adsorberbehälter 17 (der höhere Druck) und dem Gasspeichertank 39 (der niedrigere Druck) unter einem vorher bestimmten Wert im Bereich von 0,05 bis 1,0 psid (0,35 bis 7 kPa) fällt. Das Rückschlagventil 23 ist daher für die meiste Zeit des Evakuierungsschrittes geschlossen. Das evakuierte Gas strömt durch das Zweiweg-Ventil 7 mit vier Öffnungen über die Öffnungen 7c und 7a, die Leitung 5 und den Schalldämpfer 3 und wird in die Atmosphäre durch die Einlass-/Entlüftungsleitung 1 abgelassen. Der Adsorberbehälter 17 wird im Gegenstrom evakuiert (d. h. in entgegengesetzter Strömungsrichtung zum Einspeisungsschritt), wobei Stickstoff desorbiert wird, der während des Lufteinspeisungsschrittes adsorbiert wurde, wodurch das Adsorptionsmittel für den nächsten Lufteinspeisungsschritt teilweise regeneriert wird. Die Evakuierung wird fortgesetzt, bis ein Adsorber-Zwischendruck von 4 bis 10 psia (25 bis 70 kPa) erreicht wird.
3. Kombinierte Evakuierung und Spülung
Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank 39 (der höhere Druck) und dem Adsorberbehälter 17 (der niedrigere Druck) auf einen vorher bestimmten Wert zwischen 2 und 10 psid (15 bis 70 kPa) ansteigt, öffnet das Rückschlagventil 43 automatisch, wobei sauerstoffreiches Produktgas vom Tank 39 in den Adsorberbehälter 17 über die Leitungen 37, 29, 41, 45 und 19 strömt. Diese Gegenstrom-Strömung von Spülgas reinigt das Adsorptionsmittel und desorbiert des Weiteren restlichen Stickstoff. Die Spülgas-Zuführungsrate ist so, dass der Druck im Adsorberbehälter 17 weiter abnimmt. Wenn ein vorher bestimmter minimaler Adsorberdruck von zwischen 4 und 10 psia (25 bis 70 kPa) erreicht ist, wird dieser kombinierte Evakuierungs- und Spülschritt beendet. Die Dauer des Schrittes beträgt typischerweise zwischen 2 und 8 Sekunden. Die Beendigung des Schrittes wird durch Umschalten der Stellung des Zweiweg-Ventils 7 mit vier Öffnungen bewirkt, so dass das Gebläse vom Evakuierungsmodus zum früher beschriebenen Einspeisungs-Kompressionsmodus wechselt. Auf Wunsch können die Geschwindigkeit des durch das Rückschlagventil 43 zugeführten Spülgases und die Schaltzeit des Ventils 7 so ausgewählt werden, dass der kombinierte Evakuierungs- und Spülschritt für eine Zeitdauer bei minimalen Adsorberdruck ausgeführt wird.
4. Doppelseitiges erneutes Unterdrucksetzen
Das erneute Unterdrucksetzen des Adsorberbehälters 17 wird durch Einführung von komprimierter Luft durch die Leitung 15 eingeleitet, wie vorher beim Lufteinspeisungsschritt beschrieben wurde. Die Luft strömt durch die Einlass-/Entlüftungsleitung 1, den Schalldämpfer 3, die Leitung 5, das Zweiweg-Ventil 7 mit vier Öffnungen über die Öffnungen 7a und 7b und die Leitung 9 in den Einlass des Gebläses 11. Das Gebläse 11 führt damit Speiseluft mit einem zunehmenden Druck in den Adsorberbehälter 17 ein. Das unter Druck stehende Speisegas strömt durch die Leitung 13, das Zweiweg-Ventil 7 mit vier Öffnungen über die Öffnungen 7c und 7d und die Leitung 15 in den Adsorberbehälter 17. Das gespeicherte Produktgas vom Gasspeichertank 39 strömt weiter in den Adsorberbehälter durch die Leitung 37, die Leitung 29, die Leitung 41, das Rückschlagventil 43, die Leitung 45 und die Leitung 19. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank 39 (der höhere Druck) und dem Adsorberbehälter 17 (der niedrigere Druck) auf einen vorher bestimmten Wert zwischen 2 und 10 psid (15 bis 70 kPa) abnimmt, schließt das Rückschlagventil 43 automatisch, wobei der Schritt zum doppelseitigen erneuten Unterdrucksetzen endet. Die Dauer des Schrittes zum doppelseitigen erneuten Unterdrucksetzen beträgt typischerweise 2 bis 8 Sekunden.
5. Erneutes Unterdrucksetzen der Einspeisung
Da die Einspeisung von unter Druck stehender Luft fortgesetzt wird, steigt der Druck im Adsorberbehälter auf den Einspeisungsdruck an, wobei zu dieser Zeit der Zyklus beginnend mit dem oben beschriebenen Lufteinspeisungsschritt wiederholt wird. Am Ende dieses Schrittes öffnet das Rückschlagventil 23, wobei das ausströmende Adsorber-Produktgas beginnt, durch die Leitung 19, die Leitung 21, das Rückschlagventil 23, die Leitung 25 und die Leitung 29 zu strömen. Das Rückschlagventil 23 öffnet automatisch, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Adsorberbehälter 17 (der höhere Druck) und dem Gasspeichertank 39 (der niedrigere Druck) einen vorher bestimmten Wert im Bereich von 0,05 bis 1,0 psid (0,35 bis 7 kPa) übersteigt. Ein Teil des Produktgases strömt über die Leitung 37 in den Gasspeichertank 39, wobei der Rest als endgültiges Sauerstoff-Produktgas über die Leitung 31, das Steuerventil 33 und die Leitung 35 entnommen wird.
Während der oben beschriebenen Schritte 1 bis 5 wird das endgültige Sauerstoff-Produktgas kontinuierlich durch das Ventil 33 und die Leitung 35 entnommen. Während des Schrittes 1 stellt die gesamte Gasströmung vom Adsorberbehälter 17 durch die Leitungen 19, 21, 25 und 29 dem Speichertank 39 Gas über die Leitung 37 und das endgültige Sauerstoff-Produktgas über die Leitung 35 zur Verfügung. Während der Schritte 2 bis 5 wird das endgültige Sauerstoff-Produktgas vom Gasspeichertank 39 über die Leitungen 37 und 31 entnommen. Während der Schritte 2, 3 und 4 wird Produktgas vom Gasspeichertank 39 über die Leitungen 37, 29, 41, 45 und 19 auch für die Spülung und das erneute Unterdrucksetzen des Adsorberbehälters entnommen. Der Gasspeichertank 39 ist so ausgelegt, dass er ein ausreichendes Volumen hat, um Spülgas und Gas zum erneuten Unterdrucksetzen zur Verfügung zu stellen, während endgültiges Sauerstoff-Produktgas bei gewünschtem Druck und gewünschter Strömungsgeschwindigkeit zur Verfügung gestellt wird.
Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das ganze ausströmende Adsorbergas über die Leitungen 29 und 37 in den Gasspeichertank 39 eingeführt werden. Das endgültige Produktgas wird direkt vom Gasspeichertank 39 über die Leitung 31, das Ventil 33 und die Produktleitung 35 entnommen, wie ersichtlich wird. Das Gas zur Spülung und zum erneuten Unterdrucksetzen des Adsorbers wird über die Leitungen 37 und 29 entnommen, wie oben beschrieben ist.
Eine Zusammenfassung des oben beschriebenen PSA-Zyklus wird in Tabelle 1 angegeben, die die Ventilstellung und die Zeitdauer für jeden Zyklusschritt für den oben beschriebenen Zyklus anzeigt. Eine grafische Darstellung der absoluten Drücke im Adsorberbehälter 17 und im Gasspeichertank 39 als eine Funktion der Zeit wird in 2 in Verbindung mit dem unten gegebenen Beispiel gezeigt. Die Zeitachse in 2 ist nicht unbedingt maßstabsgerecht, wobei die Längen der Zyklusschritte nur veranschaulichend gezeigt werden. Tabelle 1 Zusammenfassung von Zyklus und Ventilstellung (Zeiträume nach Fig. 2)

Ventilstellung: O = offen C = geschlossen C* = schließt etwas, nachdem der Schritt 2 beginnt.

Die gesamte Zyklus-Zeit vom t₀ – t_f liegt typischerweise im Bereich von 36 bis 94 Sekunden.
Der PSA-Verfahrenszyklus der vorliegenden Erfindung wird oben für die bevorzugte Anwendung der Luftzerlegung zur Sauerstofferzeugung beschrieben. Der Verfahrenzyklus kann auch für die Zerlegung von anderen Gasgemischen durch die Nutzung geeigneter Adsorptionsmittel und Zykluszeiten verwendet werden. Das Verfahren kann zum Beispiel bei der Gewinnung von mäßig reinem Wasserstoff aus Abgasen der Erdölraffinerie, bei der Trocknung von Luft und bei der Entfernung von schwereren Kohlenwasserstoffen vom Erdgas angewendet werden. Für diese Zerlegung nützliche Adsorptionsmittel umfassen Aktivkohle, Typ A- und X-Zeolite und Mordenit. Das System, wie es beschrieben wurde, nutzt einen einzelnen Adsorber, wobei aber mehrere Adsorber parallel verwendet werden können, wenn höhere Produktionsraten erforderlich sind.
BEISPIEL
Ein PSA-System gemäß 1 wird betrieben, um Sauerstoff aus Luft zu gewinnen, wie oben beschrieben und in Tabelle 1 zusammengefasst wird. Die minimale Druckdifferenz zwischen dem Adsorber 17 und dem Gasspeichertank 39, die erforderlich ist, um eine Strömung durch das Rückschlagventil 23 zu ermöglichen, beträgt 0,25 psid (1,7 kPa). Damit beträgt die Öffnungsdruckdifferenz des Rückschlagventils 23 0,25 psid (1,7 kPa). Die minimale Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank 39 und dem Adsorber 17, die erforderlich ist, um eine Strömung durch das Rückschlagventil 43 zu ermöglichen, beträgt 10 psid (69 kPa). Damit beträgt die Öffnungsdruckdifferenz des Rückschlagventils 43 10 psid (69 kPa).
Der Zyklus wird in 2 beschrieben, wobei das Druck-Zeit-Profil für den Adsorberbehälter 17 und den Gasspeichertank 39 dargestellt wird. Der Zyklus und der Lufteinspeisungsschritt (1) beginnen zu einem Zeitpunkt t₀, an dem der anfängliche Druck im Adsorberbehälter 17 17,0 psia (117 kPa) beträgt. Die Gasströmung durch das System wird fortgesetzt, wie im Lufteinspeisungsschritt (1) oben beschrieben wird, wobei die Ventile in den in Tabelle 1 zusammengefassten Stellungen arbeiten. Da die minimale Druckdifferenz, die erforderlich ist, um die Strömung durch das Rückschlagventil 23 aufrechtzuerhalten, 0,25 psid (1,7 kPa) beträgt, ist der Druck im Gasspeichertank 39 bei t₀ 0,25 psia (1,7 kPa) niedriger als der Druck im Adsorberbehälter 17. Der Druck im Adsorberbehälter 17 steigt näherungsweise linear von t₀ bis t₁ an, während der Druck im Gasspeichertank 39 langsamer ansteigt, da nur ein Teil des Produktgases in der Leitung 29 durch die Leitung 37 in den Tank 39 strömt.
Zum Zeitpunkt t₁ (20 Sekunden nach t₀), wenn der Adsorberdruck 22 psia (152 kPa) erreicht, wird der Lufteinspeisungsschritt beendet und der Evakuierungsschritt durch Umschalten der Stellung des Einspeisungsventils 7 eingeleitet, wie oben beschrieben ist. Das Gebläse 11 beginnt augenblicklich damit, Evakuierungsgas von dem Adsorberbehälter 17 zu entnehmen, wobei der Druck darin rasch abnimmt. Kurz nach dem Zeitpunkt t₁ fällt die Druckdifferenz zwischen dem Adsorber 17 und dem Tank 39 unter 0,25 psid (1,7 kPa), wobei die Strömung durch das Rückschlagventil 23 unterbrochen wird. Die Evakuierung wird fortgesetzt und der Druck im Adsorber 17 nimmt weiter ab. Zur gleichen Zeit wird das endgültige Sauerstoff-Gasprodukt vom Speichertank 39 über die Leitung 31 entnommen, wobei der Druck im Tank langsam abnimmt.
Zum Zeitpunkt t₂ (30 Sekunden nach t₁) wird der Evakuierungsschritt automatisch beendet, wobei der kombinierte Evakuierungs- und Spülschritt beginnt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank 39 und dem Adsorber 17 10 psid (69 kPa) übersteigt. Dies leitet die Strömung von Sauerstoff-Produktgas vom Tank 39 durch das Rückschlagventil 43 und in den Adsorberbehälter 17 ein, wobei dadurch Spülgas in das Produktende des Adsorbers zur Verfügung gestellt wird, während die Evakuierung vom Einspeisungsende des Adsorbers weitergeführt wird. Der Druck im Adsorber 17 nimmt weiter ab, wenn auch mit etwas langsamerer Geschwindigkeit, wobei der Druck im Speichertank 39 schneller abnimmt, da sowohl das Spülgas als auch das endgültige Produktgas von dort entnommen werden.
Zum Zeitpunkt t₃ (8 Sekunden nach t₂) erreicht der Adsorberbehälter 17 einen Druck von 4,0 psia (28 kPa), wobei der Evakuierungs-/Spülschritt durch Umschalten der Stellung des Zweiweg-Ventils 7 mit vier Öffnungen beendet wird, so dass das Gebläse 11 vom Evakuierungsmodus auf den Einspeisungs-Kompressionsmodus wechselt, wie vorher beschrieben ist. Dieses Umschalten führt komprimierte Einspeisungsluft in das Einspeisungsende des Adsorbers 17 ein, während das Produktgas weiterhin vom Speichertank 39 in den Adsorber strömt, wobei dadurch ein doppelseitiges erneutes Unterdrucksetzen des Adsorbers zur Verfügung gestellt wird. Dieser Schritt wird weitergeführt, wenn der Druck im Adsorber ansteigt und der Druck im Gasspeichertank abnimmt.
Zum Zeitpunkt t₄ (4 Sekunden nach t₃) wird der Schritt zum doppelseitigen erneuten Unterdrucksetzen automatisch beendet, wobei der Schritt zum erneuten Unterdrucksetzen der Einspeisung beginnt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank 39 und dem Adsorber 17 unter 10 psid (69 kPa) fällt. Dies beendet die Strömung des Sauerstoff-Produktgases vom Tank 39 durch das Rückschlagventil 43 und in den Adsorberbehälter 17, da das Rückschlagventil 43 schließt, wobei das erneute Unterdrucksetzen der Einspeisung fortgesetzt wird, bis der Adsorberdruck den anfänglichen Einspeisungsdruck von 17,0 psia (117 kPa) erreicht. Der Druck im Speichertank 39 nimmt weiter ab, aber mit etwas geringerer Geschwindigkeit, da die Entnahme des Sauerstoff-Produktgases durch die Leitung 31 weitergeht. Zum Zeitpunkt t_f (6 Sekunden nach t₄) übersteigt die Druckdifferenz zwischen dem Adsorber 17 und dem Tank 39 0,25 psid (1,7 kPa) und die Strömung durch das Rückschlagventil 23 beginnt. An diesem Punkt wird der Zyklus beginnend mit dem Lufteinspeisungsschritt wiederholt.
Während in diesem Beispiel die spezifische Zyklusschritt-Dauer und spezifische Drücke beschrieben wurden, können eine andere Zyklusschritt-Dauer und andere Drücke abhängig von der erforderlichen Produktrate und -Reinheit, der Adsorbergröße, der Umgebungstemperatur und der Art des Adsorptionsmittels verwendet werden. Die relative Dauer und die relativen Drücke in den Hauptsegmenten des PSA-Zyklus nach 2, nämlich der Lufteinspeisungsschritt (t₀ – t₁), die Evakuierungsschritte (t₁ – t₃) und die Schritte zum erneuten Unterdrucksetzen (t₃ – t_f) werden durch die Umschaltzeiten des Zweiweg-Ventils 7 mit vier Öffnungen gesteuert. Die relative Dauer des Evakuierungsschrittes (t₁ – t₂), des Evakuierungs- und Spülschrittes (t₂ – t₃), des Schrittes zum doppelseitigen erneuten Unterdrucksetzen (t₃ – t₄) und des Schrittes zum erneuten Unterdrucksetzen des Produktes (t₄ – t_f) werden durch die Auswahl der Druckdifferenzen gesteuert, bei denen die Rückschlagventile 23 und 43 öffnen. Zum Beispiel würde die Auswahl eines höheren Wertes dieser Druckdifferenz für das Rückschlagventil 43 den Evakuierungsschritt und den Schritt zum erneuten Unterdrucksetzen des Produktes verlängern, wobei der Schritt zum doppelseitigen erneuten Unterdrucksetzen und der Evakuierungs- und Spülschritt verkürzt würden. Umgekehrt würde die Auswahl eines niedrigeren Wertes dieser Druckdifferenz für das Rückschlagventil 43 den Evakuierungsschritt und den Schritt zum erneuten Unterdrucksetzen des Produktes verkürzen, wobei der Schritt zum doppelseitigen erneuten Unterdrucksetzen und der Evakuierungs- und Spülschritt verlängert würden.
Das oben beschriebene Verfahren der vorliegenden Erfindung wird in einem einfachen System ausgeführt, das ein einzelnes Zweiweg-Ventil mit vier Öffnungen nutzt, um die Gasströmung zwischen einem Adsorberbehälter in einem Gebläse zu steuern, wobei das Gebläse für die Einführung von Speisegas in den Adsorber und für die Evakuierung von Gas von dem Adsorber verwendet wird. Die Steuerung der Gasströmung in jede Richtung zwischen dem Adsorberbehälter und dem Produktgas-Speichertank wird automatisch durch zwei Rückschlagventile durchgeführt, die parallel zwischen dem Behälter und dem Tank eingebaut sind. Damit funktioniert das System mit nur zwei mechanischen Antriebselementen – eines zum Betätigen des Zweiweg-Ventils mit vier Öffnungen und eines zum Betätigen des Gebläses. Die Rückschlagventile zwischen dem Adsorber und dem Gasspeichertank werden direkt und automatisch durch die Gasdruckdifferenz zwischen dem Adsorber und dem Speichertank aktiviert. Die Ausführung des vorliegenden PSA-Systems verringert damit Investitionskosten und erhöht die Betriebszuverlässigkeit im Vergleich mit früheren Systemen, die das gesteuerte mechanische Öffnen und Schließen von zahlreichen Ventilen erfordern, um die Gasströmung während der verschiedenen PSA-Schritte zu leiten.
Da nur ein betätigtes Ventil und ein Gebläse erforderlich sind, ist das PSA-System einfach und kompakt. Das einzelne Zweiweg-Ventil mit vier Öffnungen wird durch einen einzelnen Zeitgeber gesteuert, der in Kombination mit den Rückschlagventilen die Notwendigkeit für einen komplexeren Mikroprozessor beseitigt, um den Zyklus zu steuern.
Die wesentlichen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden vollständig in der vorangegangenen Offenbarung beschrieben. Der Fachmann kann die Erfindung verstehen und verschiedene Modifikationen vornehmen, ohne vom Umfang der Ansprüche, die folgen, abzuweichen.

Claims

Druckwechseladsorptionsverfahren für die Zerlegung eines unter Druck stehenden Speisegases, das wenigstens eine stärker adsorbierbare Komponente und wenigstens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthält, mit den Schritten: (i) Einführen des unter Druck stehenden Speisegases bei einem Speisedruck in ein Einspeisungsende eines Adsorberbehälters, der ein festes Adsorptionsmittel enthält, das bevorzugt die stärker adsorbierbare(n) Komponente(n) adsorbiert, Abziehen eines ausströmendes Adsorbergas, das mit der/den weniger stark adsorbierbaren Komponente(n) angereichert ist, von einem Produktende des Adsorberbehälters, und Einführen mindestens eines Teils des ausströmenden Adsorbergases in einen Gasspeichertank; (ii) Beendigung der Einführung des unter Druck stehenden Speisegases in den Adsorberbehälter und Druckverringerung des Adsorberbehälters durch evakuierendes Gas von dem Speiseende des Adsorberbehälters; (iii) Beendigung des Evakuierens des Gases von dem Speiseende des Adsorberbehälters und erneutes Unterdrucksetzen des Adsorberbehälters von dem minimalen Adsorberdruck zu einem Zwischendruck durch Einführen von unter Druck gesetztem Speisegas in das Speiseende des Adsorberbehälters, während das Einführen von gespeichertem ausfließenden Adsorbergas von dem Gasspeichertank in das Produktende des Adsorberbehälters fortgesetzt wird; (iv) weiteres Unterdrucksetzen des Adsorberbehälters auf den Einspeisungsdruck durch fortgesetztes Einführen von unter Druck gesetztem Speisegas in das Einspeisungsende des Adsorberbehälters ohne Einführung von gespeichertem ausströmenden Adsorbergas in den Adsorberbehälter; und (v) zyklisches Wiederholen der Schritte (i) bis (iv), dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuierung des Gases von dem Einspeisungsende des Adsorberbehälters während des Schrittes (ii) ist zunächst (Schritt (ii.a)) ohne Einführung des gespeicherten ausströmenden Adsorbergases in den Adsorberbehälter und wird dann (Schritt (ii.b)) fortgesetzt, während gleichzeitig gespeichertes ausströmendes Adsorbergas von dem Gasspeichertank in das Produktende des Adsorberbehälters eingeführt wird, bis der Druck in dem Adsorberbehälter den minimalen Adsorberdruck erreicht; während des Schrittes (i) strömt das ausströmende Adsorbergas durch ein erstes Rückschlagventil vor der Einführung des ausströmenden Adsorbergases in den Gasspeichertank, während jedoch während der Schritte (ii), (iii) und (iv) kein Gas von dem Gasspeichertank durch das erste Rückschlagventil in den Adsorberbehälter strömt; und während der Schritte (11.b) und (iii) strömt Gas von dem Gasspeichertank durch ein zweites Rückschlagventil und in den Adsorberbehälter, während kein ausströmendes Adsorbergas während der Schritte (i), (ii.a) und (iv) durch das zweite Rückschlagventil strömt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Rückschlagventil ermöglicht, dass ausströmendes Adsorbergas jedes Mal dann in den Gasspeichertank strömen kann, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Adsorberbehälter und dem Gasspeichertank gleich oder größer als eine vorher bestimmte Öffnungsdruckdifferenz des ersten Rückschlagventils ist, und das zweite Rückschlagventil ermöglicht, dass Gas von dem Gasspeichertank in den Adsorberbehälter jedes Mal dann strömen kann, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank und dem Adsorberbehälter gleich oder größer als eine vorher bestimmte Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Rückschlagventils ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Teil des ausströmenden Adsorbergases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, während des Schrittes (i) als Produktgas abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teil des gespeicherten, ausströmenden Adsorbergases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, während des Schrittes (i) als Produktgas aus dem Gasspeichertank abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teil des gespeicherten ausströmenden Adsorbergases von dem Gasspeichertank während der Schritte (ii), (iii) und (iv) als Produktgas aus dem Gasspeichertank abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einspeisungsgas Luft ist, die stark adsorbierbare Komponente Stickstoff ist, und die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das feste Adsorptionsmittel aus monovalenten oder bivalenten Kationenaustausch-Zeoliten mit Typ A, Typ X oder Mordenit-Struktur ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der minimale Adsorberdruck unter dem Atmosphärendruck liegt.
Druckwechseladsorptionssystem für die Zerlegung eines Einspeisungsgases, das wenigstens eine stark adsorbierbare Komponente und wenigstens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthält, durch ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei das System aufweist: a) einen Adsorberbehälter (17), der ein festes Adsorptionsmittel enthält, das bevorzugt die stärker adsorbierbare(n) Komponente(n) adsorbiert und ein Einspeisungsende und ein Produktende hat; b) eine Gebläse-, Ventil- und Rohranordnung (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15) für (i) die Einführung des Einspeisungsgases in das Einspeisungsende des Adsorberbehälters (17) und (ii) das Entnehmen eines Evakuierungsgases von dem Einspeisungsende des Adsorberbehälters (17); c) eine Rohranordnung (19) für das Entnehmen eines ausströmenden Adsorbergases, das mit der/den weniger stark adsorbierbaren Komponente(n) angereichert ist, von dem Produktende des Adsorberbehälters (17); d) einen Gasspeichertank (39) für die Aufnahme eines Teils des ausströmenden Adsorbergases, das von dem Produktende des Adsorberbehälters (17) abgezogen wird; e) eine Rohranordnung (21, 25, 29, 37, 41, 45) für die Einführung des Teils des ausströmenden Adsorbergases in den Gasspeichertank (39) und für die Überführung des ausströmenden Adsorbergases von dem Gasspeichertank (39) in den Adsorberbehälter (17); f) ein erstes Rückschlagventil (23), das ermöglicht, dass ausströmendes Adsorbergas jedes Mal dann in den Gasspeichertank fließt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Adsorberbehälter (17) und dem Gasspeichertank (39) gleich oder größer als eine vorher bestimmte Öffnungsdurckdifferenz des ersten Rückschlagventils (23) ist; g) ein zweites Rückschlagventil (43), das ermöglicht, dass Gas von dem Gasspeichertank (39) jedes Mal dann in den Adsorberbehälter (17) fließt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Gasspeichertank (39) und dem Adsorberbehälter (17) gleich oder größer als eine vorher bestimmte Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Rückschlagventils (43) ist; und h) eine Rohranordnung (33, 35) für die Entnahme wenigstens eines Teils des ausströmenden Adsorbergases das mit der/den weniger stark adsorbierbaren Komponente(n) angereichert ist, als Produktgas.
System nach Anspruch 9, wobei die Ventilanordnung von (b) ein Zweiweg-Ventil (7) mit vier Öffnungen enthält, das in einer ersten Ventilstellung ermöglicht, dass Gas in Folge durch eine Einspeisungseinlass/Auslassleitung (5), durch das Ventil (7), durch eine Gebläse-Saugleitung (9), durch das Gebläse (11), durch eine Gebläseauslassleitung (13), durch das Ventil (7), durch eine Leitung (15), die mit dem Einspeisungsende des Adsorberbehälters (17) verbunden ist und in den Adsorberbehälter (17) fließt, und in einer zweiten Ventilstellung ermöglicht, dass Gas in Folge von dem Adsorberbehälter (17) durch die Leitung (15), die mit dem Einspeisungsende des Adsorberbehälters (17) verbunden ist, durch das Ventil (7), durch die Gebläse-Saugleitung (9), durch das Gebläse (11), durch die Gebläseauslassleitung (13), durch das Ventil (7) und durch die Einspeisungs-Einlass/Auslassleitung (15) fließt.
System nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei die Öffnungsdruckdifferenz des ersten Rückschlagventils zwischen 0,35 kPa (0.05 psid) und 7 kPa (1.0 psid) liegt.
System nach Anspruch 11, wobei die Öffnungsdruckdifferenz des zweiten Rückschlagventils zwischen 15 kPa (2 psid) und 70 kPa (10 psid) liegt.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiterhin mit einem Strömungssteuerventil (33), das mit der Rohranordnung (31) verbunden ist, um wenigstens einen Teil des ausströmenden Adsorbergases als Produktgas abzuziehen, das mit der/den weniger stark adsorbierbaren Komponente(n) angereichert ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Einspeisungseinlass/Auslassleitung in Strömungsverbindung mit der Atmosphäre steht, um Luft als Einspeisungsgas zur Verfügung zu stellen.