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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Vorliegende
Erfindung betrifft Verfahren zur Trennung von Gasen unter Anwendung
von Druckschwingadsorption (PSA), die die Kapazität des Trennverfahrens
wesentlich überschreitet.
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PSA
liefert ein wirksames und wirtschaftliches Mittel zur Trennung eines
Mehrkomponenten-Gasstromes, der mindestens zwei Gase mit unterschiedlichen
Adsorptionscharakteristiken enthält.
Das stärker
adsorbierbare Gas kann eine Verunreinigung sein, die aus dem weniger
stark adsorbierbarem Gas entfernt wird und die als Produkt entnommen
wird, oder das stärker
adsorbierbare Gas kann das gewünschte
Produkt sein, welches aus dem weniger stark adsorbierbaren Gas entfernt
wird. Beispielsweise kann es erwünscht
sein, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe aus einem wasserstoffhaltigen
Beschickungsstrom zu entfernen, um einen gereinigten (99+ Prozent)
Wasserstoffstrom für
ein Hydrokracken oder ein anderes katalytisches Verfahren zu erzeugen,
wo diese Verunreinigungen den Katalysator oder die Reaktion nachteilig
beeinflussen könnten.
Andererseits kann es erwünscht
sein, stärker
adsorbierbare Gase, wie Ethylen, aus einem Beschickungsstrom zu
gewinnen, um ein ethylenreiches Produkt zu erzeugen.
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In
der PSA wird ein Mehrkomponentengas typischerweise in wenigstens
eine von mehreren Adsorptionszonen bei einem erhöhten Druck eingespeist, der
wirksam ist, wenigstens eine Komponente zu adsorbieren, während wenigstens
eine andere Komponente durchläuft.
Nach einer bestimmten Zeit wird der Beschickungsstrom zu dem Adsorber
beendet, und die Adsorptionszone wird durch eine oder mehrere Druck
entlastende Gleichstromstufen von Druck entlastet, wobei darin der
Druck bis zu einem definierten Wert reduziert wird, der es erlaubt,
die abgetrennte, weniger stark adsorbierte Komponente oder solche
Komponenten, die in der Adsorptionszone zurückbleiben, ohne wesentliche
Konzentrierung der stärker
adsorbierten Komponenten abzuziehen. Sodann wird die Adsorptionszone
durch eine Gegenstromdruckentlastungsstufe, worin der Druck an der
Adsorptionszone durch Abziehen von desorbiertem Gas im Gegenstrom
zu der Richtung des Beschickungsstromes weiter reduziert. Schließlich wird
die Adsorptionszone mit dem Auslauf aus einem Adsorbensbett gespült, das
einer Gleichstromdruckentlastungsstufe unterliegt, und erneut unter
Druck gesetzt. Die Endstufe des Wiederunterdrucksetzens erfolgt
typischerweise mit Produktgas und wird oftmals als Produkt-Wiederunterdrucksetzen
bezeichnet. In Mehrfachzonensystemen gibt es typischerweise zusätz liche
Stufen und jene, die oben erwähnt
sind, können
in Stufen vorliegen. Die US-A-3,176,444, die US-A-3,986,849, die US-A-30430,418
sowie die US-A-3,703,068 beschreiben unter anderem adiabatische
Mehrfachzone PSA-Systeme, die sowohl Gleichstrom- als auch Gegenstromdruckentlastung
verwenden.
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Verschiedene
Klassen von Adsorbentien sind bekanntermaßen geeignet für die Verwendung
in PSA-Systemen, deren Auswahl von den Beschickungsstromkomponenten
und anderen Faktoren abhängen, die
dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt sind. Im allgemeinen
schließen
geeignete Adsorbentien Molekularsiebe, Kieselgel, Aktivkohle und
aktiviertes Aluminiumoxid ein. Für
einige Trennungen können spezielle
Adsorbentien vorteilhaft sein. PSA verwendet allgemein schwache
Adsorbentien und wird für
Trennungen verwendet, worin die Menge der abzutrennenden Komponenten
im Bereich von Spuren bis zu mehr als 95 Mol-% betragen kann. PSA-Systeme
sind bevorzugt, wenn hohe Konzentrationen wertvoller Beschickungsmaterialien,
Produkte oder wiederverwendbare Lösungsmittel zurückzugewinnen
sind. Ein PSA-Zyklus ist ein solcher, in welchem die Desorption
bei einem Druck viel geringer als die Adsorption stattfindet. In
einigen Anwendungen findet die Desorption unter Vakuumbedingungen – Vakuumschwingadsorption
(VSA)statt. Um die inhärenten
niedrigen Arbeitsbelastungen auf dem schwachen Adsorbens zu überwinden,
haben PSA-Zyklen allgemeine Zykluszeiten, die kurz sind – in der
Größenordnung
von Sekunden bis Minuten – um
annehmbar bemessene Adsorbensbetten beizubehalten.
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Eine
der Probleme des Baues moderner Gasprozessanlagen ist jenes, dass
die Größe der Anlage oder
die Gasmenge, die in einer Anlage behandelt werden soll, kontinuierlich
zunimmt. Kapazitäten
moderner Gasverarbeitungskomplexe sind allgemein größer als
etwa 110.000 Normalkubikmeter je Stunde (100 Millionen Standardkubikmeter
je Tag). Die meisten PSA-Kessel sind auf einen Durchmesser begrenzt,
der zu einer Montagestelle transportiert werden kann, was allgemein
die Kessel auf einen Durchmesser von etwa 4 Metern (etwa 13 Fuß) beschränkt, und
die Höhe
des Kessels ist durch die Bruchfestigkeit des Adsorbensteilchens
getrennt. Für
Kapazitäten,
die größer als
etwa 110.000 Normalkubikmeter je Stunde (100 Millionen Standardkubikfuß je Tag)
sind, sind die PSA-Verfahren in Mehrfachzügen eine Doppelanlage vorgesehen,
wie beispielsweise Pumpen, Heizeinrichtungen, Leitungen, Ventile,
Kessel und Kompressoren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung bekommt man ein Verfahren, welches historische Beschränkungen
auf die Kapazität
von PSA-Anlagen für
eine große
Vielzahl von Gastrennungen überwindet.
Kapazitäten über etwa
110.000 Normalkubikmeter je Stunde (100 Millionen Standardkubikfuß je Tag)
können
nun in einem einzigen integrierten Verfahrenszug erreicht werden.
Der einzelne integrierte Verfahrenszug kann 10 bis 20 Adsorbensbetten
erfassen. Diese Anlagenreduzierung ist in der Lage, durch ein Verlassen
des angenommenen Prinzips in der PSA-Technik, dass die Länge der
reinen Stufe gleich wie oder geringer als die Länge der Adsorptionsstufe sein
muss. Die Anmelder fanden nun, dass eine Steigerung der Spülzeit in
Bezug auf die Adsorptionsstufe bedeutende Steigerungen der Kapazität mit einem
Minimalverlust an Rückgewinnung
oder Leistung liefern kann. Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis der
Spülstufenzeit
zu der Adsorptionsstufenzeit größer als
1,0 und geringer als 2,0 ist. Der Vorteil dieser Feststellung besteht
darin, dass PSA-Anlagen in sehr großem Maßstab für eine Anlage mit signifikant
niedrigen Kosten als die Kosten einer zweiten Anlage mit parallelem Zug
konstruiert werden können.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein PSA-Verfahren für sehr große Gas erzeugende
Anlagen in einem einzigen Ausrüstungszug
vorzusehen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verfahrenssequenz
zu bekommen, die die physikalischen Beschränkungen von Kesselgröße und Adsorbensfestigkeit überwindet,
um das Bearbeiten großer
Mengen von Beschickung zu erlauben, ohne die gesamte Leistung von
Gastrennsystemen großen Maßstabs aufzugeben.
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Bei
einer Ausführungsform
betrifft die vorliegende Erfindung eine Verfahrensabtrennung eines
nicht adsorbierbaren Gases von einem Gasgemisch, das das nicht adsorbierbare
Gas und ein adsorbierbares Gas in einer PSA-Zone mit einem einzelnen
Zug umfasst. Das Verfahren besteht darin, dass man das Gasgemisch der
PSA-Zone in einem einzelnen Zug gehen lässt und einen Produktgasstrom,
der das nicht adsorbierbare Gas enthält, und einen Abgasstrom, der
das adsorbierbare Gas umfasst, bekommt. Die PSA-Zone mit einem einzigen
Zug hat mehrere Adsorbensbetten, worin jedes Adsorbensbett eine
Adsorptionsstufe, wenigstens drei Gleichstromausgleichsstufen einschließlich einer
endständigen
Gleichstromausgleichsstufe, eine spülungsliefernde Stufe, eine
Gegenstrom- Abblasstufe, eine Spülstufe,
wenigstens drei Gegenstromausgleichsstufen einschließlich einer
endständigen
Gegenstromausgleichsstufe und eine Wiederdruckstufe einschließt. Jede der
Verfahrensstufen tritt in einer Aufeinanderfolge auf, und sie sind
zeitlich zueinander derart versetzt, dass die Adsorptionsstufe über eine
Adsorptionsstufenzeit hin abläuft,
die spülungsliefernde
Stufe über
eine Spülungslieferstufenzeit
abläuft
und eine Spülungsstufe über eine
Spülungsstufenzeit
abläuft.
Die Spülungsstufenzeit
ist größer als
die Adsorptionsstufenzeit, wobei die Spülungsstufe eine Stufe umfasst,
worin das Adsorbensbett, das einer Spülungsstufe unterzogen wird,
ein Spülgas
aus einem oder mehreren anderen Adsorbensbetten aufnimmt, welches
der spülungsliefernden
Stufe unterzogen wird und worin diese eine oder mehrere Adsorbensbetten
gleichzeitig das Spülgas
an das Adsorbensbett liefern, das einer Spülstufe unterzogen wird. Zu
irgendeinem Zeitpunkt wird die Anzahl der Adsorbensbetten, die der
Adsorptionsstufe ausgesetzt sind, durch die Anzahl der Adsorbensbetten,
die einer Spülstufe
unterzogen werden, überschritten.
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Das
Verfahren kann Wasserstoff von einem Gasgemisch trennen, das Wasserstoff,
Kohlendioxid und Stickstoff umfasst.
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Das
Verfahren kann auch ein nicht adsorbierbares Gas von einem Gasgemisch
abtrennen, das ein nicht adsorbierbares Gas und ein adsorbierbares
Gas in einer PSA-Zone mit Mehrfachadsorbensbetten enthalten ist.
Dieses Verfahren umfasst die folgenden Stufen. Das Gasgemisch wird
mit einem Adsorptionsdruck zu einem ersten Adsorbensbett mehrerer
Adsorbensbetten in der PSA-Zone überführt. Jedes
der Adsorbensbetten enthält
ein Adsorbens, dass für
die Adsorption des adsorbierbaren Gases in einer Adsorptionsstufe über eine
Adsorptionsstufenzeit hin selektiv ist, und ein Adsorptionsauslaufsstrom
wird daraus gewonnen. Die erste Adsorptionszone wird dem Gleichstrom
in Ausgleichsstufen mit anderen Adsorbensbetten, worin jedes der
anderen Adsorbensbetten einen niedrigeren Ausgleichsdruck in Aufeinanderfolge
hat, von Druck entlastet. Die Gleichstromdruckentlastungsstufe wird
wenigstens zweimal wiederholt, um eine letzte Ausgleichsstufe zu
erreichen. Das erste Adsorbensbett wird weiter im Gleichstrom von
Druck entlastet, um einen Desorptionsauslaufstrom in einer spülungsliefernden
Stufe über
eine spülungsliefernde
Zeit hin zu bekommen, und gleichzeitig wird der Desorptionsauslaufstrom
zu wenigstens zwei anderen Adsorbensbetten geführt, die der Spülungsstufe
unterzogen werden. Das erste Adsorbensbett wird im Gegenstrom bis
zu einem Abblasdruck von Druck entlastet und, ein Abgasstrom wird
mit einem Desorptionsdruck gewonnen. Das erste Adsorbensbett wird
mit einem Spülstrom
während
einer Spülstufenzeit
gespült,
worin die Spülstufenzeit
größer als
die Adsorptionsstufenzeit ist. Der Spülstrom wird von einem oder
mehreren Adsorbensbetten, die einer gleichstromspülungsliefernden
Stufe unterzogen werden, oder einer Gleichstromausgleichsstufe unterzogen
werden, ausgeleitet. Das erste Adsorbensbett wird im Gegenstrom
einer Druckerhöhung
ausgesetzt, indem der Druck in dem ersten Adsorbensbett mit anderen
Adsorbensbetten wieder unter Druck gesetzt wird, wobei jedes der
anderen Adsorbensbetten in Aufeinanderfolge einen höheren Ausgleichsdruck
hat, und diese Gegenstromdruckerhöhungsstufe wird wenigstens
zweimal wiederholt. Das erste Adsorbensbett ist ein wieder unter
Druck setzendes Gegenstrombett mit einem Teil des Adsorptionsauslaufstroms
und die obigen Verfahrensstufen werden wiederholt, um ein kontinuierliches
Verfahren zu liefern.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine vereinfachte Kreislaufkarte, die ein herkömmliches PSA-Trennsystem nach
dem Stand der Technik mit 16 Betten erläutert.
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2 ist
eine vereinfachte Kreislaufkarte, die den neuen PSA-Kreislauf für ein System
nach der vorliegenden Erfindung mit 16 Betten erläutert.
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3 ist
eine vereinfachte Kreislaufkarte, die eine Variation des neuen PSA-Kreislaufsystems
nach der vorliegenden Erfindung mit 16 Betten erläutert.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Beschickung zu dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann Wasserstoff,
Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoff, Inertgase und Kohlenwasserstoffe
enthaften. Das Verfahren zu der vorliegenden Erfindung kann verwendet
werden, um Wasserstoff von adsorbierbaren Verbindungen, wie Kohlenmonoxid,
Kohlendioxid von Stickstoff und Kohlenstoffwasserstoffen abzutrennen
oder das Verfahren kann verwendet werden, um Ethan von weniger adsorbierbaren
Verbindungen einschließlich
Kohlendioxid, Schwefeloxiden, Wasserstoff, Sulfid und schwerer Kohlenwasserstoffe
und Gemische hiervon zu trennen. Unter dem Begriff „Kohlenwasserstoffe" versteht man Kohlenwasserstoffe
mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen je Molekül einschließlich Alkanen, Alkenen, Zykloalkenen
und aromatischer Kohlenwasserstoffe, wie Benzol. Unter dem Begriff „Einrichtung
mit einem einzigen Zug" versteht
man die Aufeinanderfolge von Verfahrenseinrichtungen einschließlich Pumpen,
Kesseln, Ventilen, Leitungen und Kompressoren, die so montiert sind,
dass sie einem speziellen Ziel dienen wie der Gastrennung, und nicht
eine komplette Verdoppelung der Einrichtungen enthalten müssen. Ein einzelner
Zug steht im Gegensatz zu einem Mehrfachzugverfahren, das eine Reihe
paralleler, identischer Aufeinanderfolgen einer solchen Verfahrenseinrichtung
umfasst, die zu einem einzelnen Ziel zusammengefasst ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der Adsorptionsdruck allgemein bei 350 kPA bis etwa
7 MPa (50 bis 1.000 psia) und vorzugsweise von etwa 700 kPA bis
3,5 Mpa (100 bis 510 psia). Der Desorptionsdruck ist vorzugsweise
etwa 3 bis 550 kPA (0,5 bis 80 psia) und stärker bevorzugt ist der Desorptionsdruck
im Bereich von etwa 3 bis etwa 210 kPA (0,5 bis 30 psia). Zweckmäßige Arbeitstemperaturen
liegen allgemein im Bereich von etwa 10° bis 65°C (50° bis 150°F). Es kann verschiedene Druckentlastungsstufen
für mittlere
Drücke,
Gleichstromspülstufen
und Gegenstromspülstufen
geben, von denen allen für
den Fachmann bekannt ist, dass sie dem Stand der Technik in den
oben zitierten Patenten bezüglich
PSA-Verfahren bekannt sind. Beispielsweise können ein bis fünf oder
mehr solcher Gleichstromdruckentlastungsstufen verwendet werden
für einen
Druckausgleich, um die Produktgewinnung weiter zu verbessern.
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Das
PSA-Verfahren der vorliegenden Erfindung ist vom allgemeinen PSA-Typ.
Der Beschickungsstrom wird zu einem Adsorbensbett eingeführt, das
eine Adsorption bei dem höchsten
Druck oder dem Adsorptionsdruck unterzogen wird, und hin zu einem
Einlassende eines Adsorbensbettes mit dem Einlassende und einem
Austragende gegenüber.
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Das
Adsorbens kann pulverisierte, feste, kristalline Verbindungen umfassen,
die die adsorbierbare Verbindung und adsorbieren und desorbieren
können.
Beispiele solcher Adsorben tien sind etwa Kieselgele, aktivierte
Aluminiumoxide, aktivierte Kohle, Molekularsiebe und Gemische hiervon.
Molekularsiebe schließen Zeolit-Molekularsiebe
ein. Die bevorzugten Adsorbentien sind Zeolite.
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Die
US-A-3,986,849 beschreibt verschiedene Kreisläufe unter Verwendung beispielsweise
einer Adsorptionszeit von 240 Sekunden in einer Anlage mit 10 Adsorbensbetten
und mit insgesamt einer Kreislaufzeit von 13 Minuten, 20 Sekunden.
Durch Steigerung der Anzahl von Betten kann die Gesamtadsorptionszeit
reduziert werden. Beispielsweise für die gleiche Adsorptionszeit
von 240 Sekunden kann die gesamte Kreislaufzeit in einer Vorrichtung
mit 12 Adsorbensbetten auf 12 Minuten reduziert werden. Wenn das
gleiche Adsorbensvolumen für
die Gestaltungen mit 10 und 12 Adsorbensbetten verwendet wird und
wenn die gleiche relative Adsorbensspeichermenge je Einheitsvolumen
der Beschickung erforderlich ist, steigert die Gestaltung mit 12
Betten die Produktkapazität
um etwa 33 Prozent. Ähnlich
würde für die gleiche
Adsorptionszeit von 240 Sekunden in einer Gestaltung mit 14 Adsorbensbetten
die Gesamtkreislaufzeit auf 11 Minuten, 12 Sekunden reduziert werden,
um die Produktkapazität
in Bezug auf die Gestaltung mit 10 Adsorbensbetten würde um 66 Prozent
zunehmen. Die gleiche Analyse kann auf Gestaltungen mit irgendeiner
Anzahl von Adsorbern mit ungerader oder gerader Zahl angewendet
werden. Im allgemeinen reduziert ein Konstanthalten der Adsorptionszeit
die Gesamtkreislaufzeit und steigert die Kapazität. Wenn mehr Adsorbensbetten
an der Adsorptionsstufe arbeiten, die höheren Beschickungsgeschwindigkeiten
entspricht, nimmt die unter Kreislaufzeit, definiert als die gesamte
Kreislaufzeit, geteilt durch die Anzahl von Adsorbensbetten, die
den Effekt hat, die für
die anderen Stufen in dem Kreislauf verfügbare Zeit zu reduzieren, ab.
Im Gegensatz zu dem Stand der Technik wurde gefunden, dass ein Reduzieren
für die
Aufnahme von Ölmitteln
eine wesentlichere Bedeutung bei der Reduzierung der Gewinnung des
unadsorbierten Produktes und auch bei der Steigerung des relativen
Volumens von Adsorbens, da es erforderlich ist, im Vergleich mit
der Reduzierung, d.h. für
die Adsorptionsstufe. Auch haben alle der bisher beschriebenen Kreisläufe eine
niedrigere Anzahl von Adsorbensbetten in der Spülstufe als in der Adsorptionsstufe.
Mit einer Ausnahme der PSA-Zyklen, die externe Behälter verwenden,
erfordern alle die bekannten PSA-Verfahren, die gleiche Anzahl von
Adsorbensbetten in der spülungsliefernden
Stufe im Vergleich mit der spülungsaufnehmenden
Stufe oder Spülstufe.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein Verfahrenskreislauf
für ein
herkömmliches
PSA-System mit 16 Adsorbensbetten
wiedergegeben. Der Kreislauf für
jedes Adsorbensbett besteht aus einer Adsorptionsstufe, 4 Gleichstromdruckentlastungsstufen,
einer gleichstromspülungsliefernden
Stufe, einer Gegenstromabblasstufe, einer Spülstufe, 4 Gegenstromstufen
für Wiederunterdrucksetzung
und einer endständigen
Wiederunterdrucksetzungsstufe. In diesem herkömmlichen Kreislauf mit 16 Betten
arbeiten jederzeit 6 Adsorbensbetten in einer Adsorptionsstufe,
2 Adsorbensbetten arbeiten in einer Spülstufe und 3 Adsorbensbetten
arbeiten in einer spülungsliefernden
Stufe. Das Spülgas
für ein
Adsorbensbett wird direkt von einem anderen Adsorptionsbett geliefert.
So ist die Anzahl der Adsorbensbetten der Adsorbensbetten, die ein
Spülen
ergibt und die Anzahl der Adsorbensbetten, die Spülgas aufnimmt
oder der Spülstufe
unterworfen ist, die gleiche. Für
irgendein Adsorbensbett in dem Kreislauf ist die Zeit für die Spülstufe oder
die Spülstufenzeit
gleich der Zeit für die
spülungsliefernde
Stufe oder spülungsbereitstellende
Zeit. Außerdem
ist die Zeit, in welcher die Adsorptionsstufe auftritt oder die
Adsorptionsstufenzeit länger
als die spülungsliefernde
Stufe oder auch die Spülstufe.
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Bezieht
man sich nun auf 2, so ist dort ein Verfahrenskreislauf
für 16
Adsorbensbetten, der in einem einzigen Zug arbeitet, als repräsentativ
für die
vorliegende Erfindung dargestellt. Der in 2 dargestellte Kreislauf
enthält
die gleichen Stufen wie in 1 gezeigt,
doch unterscheidet er sich darin, dass es nur 4 Betten in der Adsorptionsstufe,
5 Betten in der Spülstufe
gibt und Spülgas
von einem einzigen Adsorbensbett an mehr als ein Adsorbensbett jederzeit
in dem Kreislauf gibt. Außerdem
ist die Spülzeit
signifikant länger
als die Adsorptionszeit für
irgendein Bett in dem Kreislauf. Bezieht man sich auf 2 und
folgt der Adsarptionsstufe, so wird das Adsorptionsbett 1 vier Gleichstrom-Druckentlastungs-
oder Ausgleichsstufen unterzogen. Während der ersten Ausgleichsstufe
wird Adsorbensbett 1 im Gleichstrom mit dem Adsorbensbett 6 verbunden. Während der
nächsten
Ausgleichsstufe wird das Adsorbensbett 1 mit dem Adsorbensbett 7
verbunden. Während
der dritten Ausgleichsstufe wird Adsorbensbett 1 mit dem Adsorbensbett
8 verbunden und während
der letzten oder vierten Ausgleichsstufe wird Adsorbensbett 1 mit
dem Adsorbensbett 9 verbunden. Das Adsorbensbett 1 wird dann einer
spülmittelliefernden
Stufen unterzogen, worin das Adsorptionsbett im Gleichstrom druckentlastet
wird und ein Spülgas
von dem Adsorbensbett 1 abgezogen und zu den Adsorbensbetten 10,
11, 12, 13 und 14 geführt,
um Spülgas
zum Spülen
von den wesentlichen der Gesamtheit jener Betten während eines
ersten Abschnitts der Spülung
liefernden Stufe zu erhalten. In diesem Beispiel wird gleichzeitig
bei Adsorbensbett 16 auch eine Gleichstrom-Druckentlastung und das
Liefern eines Spülgases
zu den Adsorbensbetten 10, 11, 12, 13 und 14 vorgenommen. In dem
nächsten
Abschnitt des Bereitstellens der Spülstufe wird Spülgas zu
den Adsorbensbetten 11, 12, 13, 14 und 15 geliefert, und in dem
Endsegment der Spülung
liefernden Stufe wird Spülgas
an die Betten 11, 12, 13, 14 und 15 geliefert. Gleichzeitig wird
auch das Adsorbensbett 2 Gleichstrom-Druckentlastung unterzogen
und es wird ein Spülgas
zu den gleichen Adsorbensbetten 11, 12, 13, 14 und 15 gebracht.
Die Gegenstromabblasstufe folgt der spülungsliefernden Stufe. In der
Gegenstromabblasstufe wird die Adsorbensschicht im Gegenstrom druckentlastet,
um einen Abgasstrom freizugeben. Das erste Adsorbensbett wird dann
im Gegenstrom mit Spülgas
anfänglich
vom Adsorbensbett 3, dann von den Adsorbensbetten 3 und 4, dann
von dem Adsorbensbett 4 und dann von den Adsorbensbetten 4 und 5,
dann von dem Adsorbensbett 5, dann von den Adsorbensbetten 5 und
6, dann von dem Adsorbensbett 6, dann von den Adsorbensbetten 6
und 7, dann von dem Adsorbensbett 7 und schließlich von den Adsorbensbetten
7 und 8 gespült.
Während
der Anfangsphase des Gegenstromspülens von Adsorbensbett 1 unterliegt
das Adsorbensbett 2 einem Gegenstromabblasen, um Druck abzubauen.
Das Adsorbensbett 3 findet sich in einer Gleichstrom-Spülungsliefernden
Stufe, einem Adsorbensbett 4, ist in der vierten Gleichstromausgleichsstufe mit
der Adsorbensschicht 12, das Adsorbensbett wird der zweiten Gleichstromausgleichsstufe
wie der der Adsorbensschicht 11 ausgesetzt. Die Adsorbensbetten
6, 7, 8 und 9 befinden sich in der Adsorptionsstufe, das Adsorbensbett
10 ist der Erzeugung des erneuten unter Druck Setzens am Ende ausgesetzt,
das Adsorbensbett 11 unterliegt dem zweiten Gegenstromausgleich
mit Adsorbensbett 5, Adsorbensbett 12 unterliegt dem Gegenstromausgleich
mit dem Adsorbensbett 11 und die Adsorbensbetten 13, 14, 15 und
16 unterliegen auch der Gegenstromspülung. Auf diese Weise wird
Spülgas
aus einem oder mehreren Adsorbensbetten zu wenigstens zwei anderen
Betten zugeführt,
die einer Spülstufe
unterzogen werden. Am Ende der letzten Ausgleichsstufe wird Adsorbens
von Bett 1 mit dem Adsorptionsdruck wieder unter Druck gesetzt.
Wieder unter Druck Setzen kann erfolgen, indem man Beschickung oder
durch Gegenstromeinführung
eines Teils des Produktstromes erneut einführt. In einer Mehrfachbett-Druckschwingadsorptionszone
mit einzelnem Zug und 16 Adsorbensbetten ist es bevorzugt, dass
der Kreislauf wenigstens vier gleichzeitig in der Adsorption arbeitenden
Betten einschließt
und wenigstens fünf
Betten gleichzeitig in der Spülstufe
vorhanden sind und dass die Spülstufenzeit
die Adsorptionsstufenzeit in einem Verhältnis 1,25 × der Adsorptionsstufenzeit übertrifft.
Wenn ein Verhältnis
der Spülungsanlieferung
durch ein Adsorbensbett bereitgestellt wird, das die Endgleichstromdruckentlastungsstufe
hat, umfasst die Spülstufenzeit
das 0,15 bis 0,4fache der Spülstufenzeit.
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Unter
Bezugnahme nun auf 3, ist ein Verfahrenskreislauf
nach der vorliegenden Erfindung in einer alternativen Ausbildungsform
ein Kreislauf mit 16 Betten wiedergeben. In dem Kreislauf von 3 mit
16 Betten sind 4 Adsorptionsstufen und 6 Spülstufen. Bei dieser Gestaltung
wird die Gleichstromspülungslieferung für einen
Teil der Stufe gleichzeitig mit dem letzten auftretenden Ausgleich
und teilweise für
die Stufe getrennt vorliegen. Die Gleichstromspülungslieferung wird von einem
Adsorbensbett genommen zu 6 Adsorbensbetten gleichzeitig geführt.
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BEISPIELE
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Beispiel I
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Tabelle
1 erläutert
einen herkömmlichen
PSA-Kreislauf gemäß der US-A-3,986,849
(Fudere et al.) für einen
Kreislauf, der 12 Adsorbensbetten verwendet. In dem herkömmlichen
Kreislauf sind die Adsorptionsstufenzeit und die Druckentlastungsstufenzeit
gleich und jede repräsentiert
etwa ein Drittel der Gesamtkreislaufzeit. Der Empfang von Spülgas mit
13 Prozent des Kreislaufs und Wiederunterdrucksetzen stellt etwa
21 Prozent des gesamten Kreislaufs dar. Ähnlich ist für einen
herkömmlichen
Kreislauf nach dem Stand der Technik mit 16 Betten, wie in 1 gezeigt,
die Verteilung der Stufen innerhalb des Kreislaufs in Tabelle 1
in dem Kreislauf mit 16 Betten gezeigt. Adsorptionszeit rechnet
sich nun für
etwa 37,5 Prozent des Kreislaufs, Druckentlastungsmengen auf etwa
31,3 Prozent des gesamten Kreislaufs, Aufnahme Spülgasmengen
bis zu etwa 15,6 Prozent des Kreislaufs und Wiederunterdrucksetzungsmengen
auf etwa 15,6 Prozent des Kreislaufs. Bei hohen Beschickungsgeschwindigkeiten
erreicht das Volumen des Adsorbensbettes die maximale praktizierte Größe über die
hinaus, die erforderlich ist, um die Adsorptionszeit und entsprechend
die Gesamtkreislaufzeit zu verkürzen.
Dies war der erwünschte
Effekt einer Reduzierung des speziellen Adsorbensspeichers, doch gab
es den unerwünschten
Effekt, dass die Zeit für
die Aufnahme der Spülung
reduziert wurde. Die Verkürzung der
Spülungsaufnahmezeit
reduziert signifikant die Gewinnung des unadsorbierten Produktauslaufs
und verstärkt
das relative Volumen von Adsorbens, dass je Volumenbeschickung erforderlich
ist. So wird die erwartete Steigerung der Produktkapazität nicht
erreicht und in der Tat wird sie doppelt bestraft. Die Gewinnung
des unadsorbierten Produktauslaufs wird reduziert, und das relative
Volumen von erforderlichen Adsorbens je Volumenbeschickung wird
gesteigert.
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Beispiel II
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Tabelle
2 erläutert
einen PSA-Kreislauf nach der vorliegenden Erfindung für einen
Kreislauf mit 16 Betten, wie er in 2 gezeigt
ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Zeit für
die Spülungsaufnahmestufe erhöht und die
Lieferung der Spülungsbereitstellungsstufe
wird von der Spülungsaufnahmestufe
gekoppelt. Die Adsorptionsstufe, nun eine Menge bis zu etwa 25 Prozent
des Gesamtkreislaufs, die Druckentlastungsstufen betragen etwa 28,1
Prozent des gesamten Kreislaufs und die totale Berechnung der Spülstufenaufnahme rechnet
für etwa
31,3 Prozent des gesamten Zyklus und die Stufen der Wiederaufnahme
des Drucks bleiben bei 15,6 Prozent des Zyklus. Obwohl weniger als
etwa 0,1 % Reduktion bei der Rückgewinnung
des unadsorbierten Produktauslaufs auftritt, gibt es keine Steigerung
bei dem Erfordernis von relativem Adsorbens-Volumen je Volumen Futter,
und die Gesamtzykluszeit wird vermindert und ist in einer Gesamtgrößensteigerung der
Kapazität
enthalten. Ein weiterer Vorteil dieses Zyklustyps ist der, daß es mehr
Adsorber auf der Gegenstromseitenstufe der Drucksenkungsstufe und
Reinigungsstufe gibt und diese Stufen geben Gas zu dem niederen
Druck ab und die Zusammensetzung, die den Adsorber verläßt, variiert
mit der Zeit. Mehr Adsorber auf der Stufe liefert verbessertes Mischen
jener Gase vor der Mischtrommel (oder Surge). Dies kann wesentlich das
für das
Mischen erforderliche Volumen und damit die Kosten dieser Trommel
senken sowie das Erhalten besserer Kontrolle des Gases mit niederen
Druck liefern.
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Beispiel III
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Eine
Pilotanlage wurde für
die Bewertung der Wirkung einer Veränderung der Spülzeit in
Bezug auf die Adsorptionszeit in PSA-Zyklen gemacht. Die Pilotanlage
bestand aus einer einzelnen Adsorbenskammer, die etwa 340 Kubikzentimeter
Adsorbens zusammen mit den Zusatzbehältern und Ventilen und Verbindungsleitungen
erforderte, um in dem Mehrfachbett PSA-Zyklus zu stimulieren. Die Beschickung
enthielt etwa 72,5 Mol-% Wasserstoff, 0,67 Mol-% Stickstoff, 2,04
Mol-% Kohlenmonoxid, 5,57 Mol-% Methan und etwa 19,2 Mol-% Kohlendioxid.
Das Adsorbens umfasste Aktivkohle und ein Zeolit-Molekularsieb,
um einen Produktwasserstoff zu erzeugen, der weniger als etwa 1
ppm Kohlenmonoxid und etwa 1 ppm Methan enthielt. Die Kammer arbeitete
in einer zyklischen Adsorptions- und Desorptionsfolge über einen
Druckbereich von etwa 2200 kPa (320 psia) und etwa 160 kPa (23 psia).
Der Spüldruck
war etwa 160 kPa (23 psia), der letzte Ausgleichsdruck war etwa
614 kPa (89 psia) und der Bereitstellungsdruck für das Spülen war etwa 255 kPa (37 psia).
Das Bett wurde mit Produktgas bei einem Produktdruck von etwa 2140
kPa (310 psia) wieder unter Druck gesetzt. Die Beschickungstemperatur
wurde auf Umgebungstemperatur gehalten, was etwa 21 °C (70°F) war. Die
Temperatur der Adsorbenskammer war im wesentlichen die gleiche,
wie die Beschickungstemperatur oder innerhalb 6°C der Beschickungstemperatur
mit überraschend
geringer Variation während
der Adsorptionszeit im Zyklus. Die für die Feldversuche verwendete
PSA-Zykluszeit enthielt eine Adsorptionszeit im Bereich von etwa 90
Sekunden bis etwa 180 Sekunden. Die Ausgleichszeit und die Abgasstufenzeiten
waren etwa 30 Sekunden und die Stufenzeit der Spülungslieferung war etwa 60
Sekunden. Die Leistung als Wasserstoffgewinnung und Kapazität, ausgedrückt in Fuß je Kreislauf,
wurde gemessen, wie in Tabelle 3 ersichtlich.
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Diese
Ergebnisse zeigen klar, dass eine Reduzierung der Adsorptionsstufenzeit
durch ein Verhältnis von
etwa 2 (von 180 Sekunden auf etwa 90 Sekunden) zu einer Änderung
der Wasserstoffgewinnung von etwa 0,2 % führen muss, während eine Änderung
der Spülstufenzeit
ein ähnliches
Verhältnis
(90 bis 45 Sekunden) als Ergebnis in einer Veränderung der Wasserstoffgewinnung
von etwa 1,5 Prozent duldet. So ist die Wirkung einer Reduzierung
der Spülstufenzeit
acht- bis zehnmal bedeutsamer als die Reduzierung der Adsorptionsstufenzeit.
In einem PSA-Verfahren hat die Gesamtkreislaufzeit eine direkte
Beziehung zu den Kosten der Anlage. Je kürzer die Gesamtkreislaufzeit
ist, desto geringer sind die Kosten. Wie durch die obigen Ergebnisse
gestützt,
kann die Gesamtkreislaufzeit mit minimalem Effekt die Gesamtgewinnung
durch die Steigerung der Spülstufenzeit
in Bezug auf die Adsorptionsstufenzeit gekürzt werden.
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Beispiel IV
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Die
Pilotanlage und das Verfahren, die in Beispiel III beschrieben sind,
wurden verwendet, um den Effekt auf die Produktgewinnung und die
Kreislaufzeit für
die Reduzierung der Adsorptionsstufenzeit in Bezug auf die Zeit
für die
spülungsliefernde
Stufe zu bewerten. Tabelle 4 stellt die Ergebnisse für eine Wasserstoffbeschickung
zusammen, die etwa 99 Mol-% Wasserstoff und 1 Mol-% Kohlenstoffmonoxid
enthält.
Das für
die Trennung verwendete Adsorbens war ein Molekularsieb vom Typ
5A und die Adsorption fand bei 21 °C (70°F) statt. Das PSA-Verfahren umfasste
drei Ausgleichsstufen.
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Erste
Spalte in Tabelle 4 zeigt die Wasserstoffrückgewinnung für eine Adsorptionsstufenzeit
von 180 Sekunden in einem herkömmlichen
PSA-Kreislauf mit einer Gesamtkreislaufzeit von 12 Minuten, wobei
das Verhältnis
der Spülstufenzeit
zur Adsorptionsstufenzeit etwa 0,5 war. In der zweiten Spalte sind
die Ergebnisse eines Kreislaufs der vorliegenden Erfindung gezeigt,
worin das Verhältnis
der Spülstufenzeit
zu der Adsorptionsstufenzeit auf etwa 1,5 angehoben wurde und die
Gesamtkreislaufzeit auf 10 Minuten reduziert wurde. Die Ergebnisse
des Beispiels IV zeigen, dass für
eine 20-prozentige Verminderung der Kreislaufzeit durch Senkung
der Adsorptionsstufenzeit in Relation zu der Spülstufenzeit die Wasserstoffrückgewinnung
nur etwas reduziert ist.
