DE60112518T2

DE60112518T2 - Druckwechseladsorptionsverfahren mit Produktgasabgabe bei sinkendem Druck im Adsorptionsbett

Info

Publication number: DE60112518T2
Application number: DE60112518T
Authority: DE
Inventors: Jianguo Xu; Mark Robert Pillarella; Douglas Paul Dee
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: EP1179360A2; EP1179360B1; EP1179360A3; ATE301493T1; US6428607B1; DE60112518D1; ES2245960T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Druckwechseladsorption ist ein bekanntes Verfahren zur Trennung großvolumiger Gasgemische und zur Reinigung von Gasströmen, die geringe Konzentrationen unerwünschter Komponenten enthalten. Das Verfahren wurde für einen weiten Bereich an Beschickungsgasen, Betriebsbedingungen, Produktreinheit und Produktgewinnung entwickelt und angepasst. Viele Druckwechseladsorptionssysteme verwenden zwei oder mehr Adsorberbetten, die in zyklischer Sequenz betrieben werden, um eine konstante Geschwindigkeit des Produktstroms aufrechtzuerhalten, während ausgewählte Betten verschiedene Schritte durchlaufen, darunter Adsorption, Druckwegnahme, Evakuierung, Spülung, Druckausgleich, erneuter Druckaufbau und andere damit verbundene Schritte. Multiple Adsorberbetten unter Einsatz zahlreicher Verfahrensschritte sind erforderlich, um die hohe Reinheit und/oder Gewinnung wertvoller Gasprodukte wie Wasserstoff, Kohlenstoffoxide, Synthesegas, leichte Kohlenwasserstoffe und dergleichen zu erreichen. Multiple Adsorberbetten, bei denen diese Verfahrensschritte eingesetzt werden, werden auch dazu verwendet, Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen.
Viele dieser Druckwechseladsorptionsverfahren arbeiten zum Teil bei Drücken unterhalb des atmosphärischen Wertes und sind in der Technik als Verfahren mit Vakuumwechseladsorption (vacuum swing adsorption = VSA) oder Vakuumdruckwechseladsorption (vacuum-pressure swing adsorption = VPSA) bekannt. In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff Druckwechseladsorption (pressure swing adsorption = PSA) als generische Bezeichnung verwendet, um alle Typen zyklischer Adsorptionssysteme ungeachtet der Höhe des Betriebsdrucks zu beschreiben.
In Druckwechseladsorptionsverfahrenszyklen wird das für die Schritte des Spülens und erneuten Druckaufbaus erforderliche Gas durch Gas zur Verfügung gestellt, das während anderer Verfahrensschritte anfällt. Der erneute Druckaufbau kann durch Verwendung des endgültigen Gasprodukts, des durch Druckausgleich zwischen den Betten erhaltenen intermediären Gases, von unter Druck gesetztem Beschickungsgas oder Kombinationen davon erfolgen. Die Spülung kann durch ein durch Druckwegnahme erhaltenes intermediäres Gas aus anderen Betten und/oder durch das endgültige Gasprodukt zur Verfügung gestellt werden.
Der erneute Druckaufbau im Beschickungsgas ist in den beispielhaften US-Patenten 4,406,675 und 5,540,758 sowie in der europäischen Patentschrift Nr. 0 354 259 beschrieben. Die Verwendung des Gasprodukts zum Spülen und/oder zum erneuten Druckaufbau wird in den beispielhaften US-Patenten 5,328,503, 5,411,578, 5,429,666 und 5,656,067 vorgestellt. US-A-5,330,561 und 5,203,888 offenbaren den erneuten Druckaufbau im Bett unter Verwendung von unter Druck gesetztem Beschickungsgas oder des Gasprodukts.
In Druckwechseladsorptionsverfahren wird angestrebt, nur wenig oder gar kein endgültiges Gasprodukt zum Spülen und zum erneuten Druckaufbau einzusetzen. Dies kann in vielen Fällen wegen der Zusammensetzung des Beschickungsgases sowie der Anforderungen an die Produktreinheit und die Produktgewinnung schwierig sein. Die Erfindung, die im folgenden beschrieben und durch die anliegenden Ansprüche definiert ist, ermöglicht maximale Produktgewinnung, weil kein endgültiges Gasprodukt in den Schritten des Spülens und erneuten Druckaufbaus verwendet werden muss. Dies führt zu geringerem Energieverbrauch und weniger Kapitalaufwand für das Verfahren.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Trennung eines unter Druck gesetzten, mindestens eine stärker adsorbierbare Komponente und mindestens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthaltenden Beschickungsgases. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

(a) Einleiten des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Beschickungsende eines Adsorberbettes, das ein oder mehrere feste Adsorptionsmittel enthält, die die stärker adsorbierbare Komponente bevorzugt adsorbieren, und Abziehen eines ersten aus dem Adsorber abfließenden Gases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, vom Produktende des Adsorberbettes, wobei das erste aus dem Adsorber abfließende Gas als endgültiges Gasprodukt verwendet wird;
(b) Beenden der Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Adsorberbett, während vom Produktende des Adsorberbettes ein zwei tes aus dem Adsorber abfließendes Gas, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, abgezogen wird, wobei der Druck im Adsorberbett abnimmt, während das zweite aus dem Adsorber abfließende Gas daraus abgezogen wird, und wobei das zweite aus dem Adsorber abfließende Gas als zusätzliches endgültiges Gasprodukt verwendet wird;
(c) Verringerung des Drucks im Adsorberbett auf einen minimalen Bettdruck durch Abziehen zusätzlichen Gases daraus;
(d) erneuter Druckaufbau im Adsorberbett durch Einleitung von Druckaufbaugas in das Bett, wobei mindestens ein Teil des Druckaufbaugases durch unter Druck gesetztes Beschickungsgas zur Verfügung gestellt wird, und
(e) Wiederholung der Schritte (a) bis (d) auf zyklische Weise.

Das Adsorberbett kann eines einer Vielzahl von Adsorberbetten sein, die jeweils abwechselnd die Schritte (a) bis (e) durchlaufen.
Die Druckverringerung in jedem Adsorberbett in Schritt (c) erfolgt durch:

(c1) Abziehen eines ersten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen ersten Zwischendruck erreicht;
(c2) Abziehen eines zweiten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen zweiten Zwischendruck erreicht; und
(c3) Evakuieren des Bettes vom Beschickungsende, bis der Druck darin den Mindestbettdruck erreicht.

Das Verfahren nach Anspruch 3 kann außerdem das Spülen jedes Bettes nach der Evakuierung von Schritt (c3) durch Einleiten eines Spülgases in das Produktende des Bettes, während weiterhin Gas vom Beschickungsende des Bettes evakuiert wird, umfassen. Das Spülgas kann dem Bett durch den in Schritt (c1) aus einem anderen Bett abgezogenen ersten Gasstrom zur Verfügung gestellt werden.
Das Verfahren kann außerdem die Evakuierung des Bettes vom Beschickungsende, während der zweite Gasstrom vom Produktende des Bettes während Schritt (c2) abgezogen wird, umfassen. Ein Teil des in ein Bett eingeleiteten Druckaufbaugases kann durch den zweiten Gasstrom, der in Schritt (c2) aus einem anderen Bett abgezogen wird, zur Verfügung gestellt werden.
Das unter Druck gesetzte Beschickungsgas kann Luft sein. In diesem Fall ist die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff, die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff, und das endgültige Gasprodukt ist mit Sauerstoff angereichert. Ein Teil des Druckaufbaugases in Schritt (d) kann dadurch zur Verfügung gestellt werden, indem man atmosphärische Luft in das Adsorberbett strömen lässt, wenn der Druck im Bett zu Anfang unter dem atmosphärischen Druck liegt.
Das Adsorberbett kann gegebenenfalls ein einzelnes Adsorberbett sein. In diesem Fall kann die Druckverringerung im Adsorberbett in Schritt (c) erfolgen durch:

Das Verfahren kann außerdem das Spülen des Bettes nach der Evakuierung von Schritt (c3) durch Einleiten eines Spülgases in das Produktende des Bettes, während weiterhin Gas vom Beschickungsende des Bettes evakuiert wird, umfassen. Mindestens ein Teil des während der Druckverringerung im Adsorber durch Abziehen von Gas daraus in Schritt (c) abgezogenen zusätzlichen Gases wird ggfs. in einen Gaslagertank eingeleitet. Das Spülgas kann dem Bett durch mindestens einen Teil des in Schritt (c) in den Gaslagertank eingeleiteten Gases zur Verfügung gestellt werden.
Teile des ersten aus dem Adsorber abfließenden Gases und des zweiten aus dem Adsorber abfließenden Gases können während der Schritte (a) und (b) in einen Lagertank für das Gasprodukt eingeleitet werden, und gelagertes Gas kann wäh rend der Schritte (c) und (d) aus dem Produktlagertank abgezogen werden, um das endgültige Gasprodukt zur Verfügung zu stellen.
In einer möglichen Ausführungsform handelt es sich bei der Erfindung um ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Trennung eines unter Druck gesetzten, mindestens eine stärker adsorbierbare Komponente und mindestens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthaltenden Beschickungsgases, das folgende Schritte umfasst:

(a) Einleiten des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Beschickungsende eines Adsorberbettes, das ein oder mehrere feste Adsorptionsmittel enthält, die die stärker adsorbierbare Komponente bevorzugt adsorbieren, und Abziehen eines ersten aus dem Adsorber abfließenden Gases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, vom Produktende des Adsorberbettes, wobei das erste aus dem Adsorber abfließende Gas als endgültiges Gasprodukt verwendet wird und wobei das Adsorberbett eines einer Vielzahl von Adsorberbetten ist;
(b) Beenden der Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Adsorberbett, während vom Produktende des Adsorberbettes ein zweites aus dem Adsorber abfließendes Gas, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, abgezogen wird, wobei der Druck im Adsorberbett abnimmt, während das zweite aus dem Adsorber abfließende Gas daraus abgezogen wird, und wobei das zweite aus dem Adsorber abfließende Gas als endgültiges Gasprodukt verwendet wird;
(c) Verringerung des Drucks im Adsorberbett auf einen minimalen Bettdruck durch Abziehen zusätzlichen Gases daraus; wobei die Verringerung des Drucks im Adsorberbett erreicht wird durch
(c1) Abziehen eines ersten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen ersten Zwischendruck erreicht;
(c2) Abziehen eines zweiten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen zweiten Zwischendruck erreicht; und
(c3) Evakuieren des Bettes vom Beschickungsende, bis der Druck darin den Mindestbettdruck erreicht;
(d) Spülen des Bettes nach der Evakuierung von Schritt (c3) durch Einleiten eines Spülgases in das Produktende des Bettes, während weiterhin Gas vom Beschickungsende des Bettes evakuiert wird, wobei das Spülgas de Bett durch den ersten in Schritt (c1) aus einem anderen Bett abgezogenen Gasstrom zur Verfügung gestellt wird;
(e) erneuter Druckaufbau im Adsorberbett durch Einleitung des zweiten während Schritt (c2) aus einem anderen Bett abgezogenen Gasstroms;
(f) zusätzlicher Druckaufbau im Adsorberbett durch Einleitung von unter Druck gesetztem Beschickungsgas in das Bett; und
(g) Wiederholung der Schritte (a) bis (f) auf zyklische Weise.

Das unter Druck gesetzte Beschickungsgas kann Luft sein. In diesem Fall ist die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff, die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff, und das endgültige Gasprodukt ist mit Sauerstoff angereichert. Das Verfahren kann nach Schritt (e) und vor Schritt (f) außerdem umfassen, dass man atmosphärische Luft in das Adsorberbett strömen lässt, wenn der Druck im Bett anfänglich unter dem atmosphärischen Druck liegt. Das Verfahren kann außerdem das Evakuieren des Bettes vom Beschickungsende, während der zweite Gasstrom während Schritt (c2) vom Produktende abgezogen wird, umfassen.
Kurze Beschreibung verschiedener Ansichten der Zeichnungen
1 ist eine Zyklusdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit drei Betten.
2 ist ein schematisches Strömungsdiagramm für eine Ausführungsform der Erfindung mit drei Betten.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Trennung von Gasgemischen durch einen Verfahrenszyklus, in dem kein endgültiges Gasprodukt zum Spülen oder zum erneuten Druckaufbau erforderlich ist.
Das Verfahren ist besonders gut geeignet zur Gewinnung eines mit Sauerstoff angereicherten Produkts aus Luft und kann einen oder eine Vielzahl von Adsorbern zur Durchführung des bevorzugten Verfahrenszyklus umfassen.
In der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Begriff endgültiges Produktgas aus dem oder den Adsorberbetten abgezogenes Gas von ausreichender Produktreinheit, das mit oder ohne Zwischenlagerung einer Endanwendung zugeführt wird. Kein endgültiges Gasprodukt wird während eines Zyklusschritten in eines der Adsorberbetten zurückgeleitet. Ein Beschickungsschritt erfolgt zu dem Zeitpunkt, zu dem unter Druck gesetztes Beschickungsgas in das Adsorberbett geleitet wird. Ein Produktherstellungsschritt wird generisch durch das Abziehen des endgültigen Gasprodukts vom Produktende eines Adsorberbettes definiert. Ein Produktherstellungs-/Beschickungsschritt wird als Abziehen des endgültigen Gasprodukts vom Produktende eines Bettes bei gleichzeitiger Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Beschickungsende des Bettes definiert. Ein Produktherstellungsschritt ohne Beschickung wird als Abziehen des endgültigen Produktgases vom Produktende eines Bettes ohne Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Beschickungsende des Bettes definiert.
Druckwegnahme wird als das Abziehen von Gas aus dem Adsorberbett bei gleichzeitiger Verringerung des Drucks im Adsorber definiert. Die Druckwegnahme kann dadurch erreicht werden, dass man Gas von einem höheren als atmosphärischen Druck in die Atmosphäre ablässt oder Gas in ein anderes Verfahrensgefäß oder geschlossenes Volumen mit einem niedrigeren Druck überleitet. Die Druckwegnahme kann auch durch Evakuieren erreicht werden, das als Abziehen von Gas aus dem Adsorber mit einer mechanischen Vorrichtung wie einer Vakuumpumpe oder einem Gebläse definiert wird. Die Evakuierung kann über jeden beliebigen Bereich von Adsorberdrücken durchgeführt werden, erfolgt jedoch typischerweise bei atmosphärischen Drücken, d.h. unter Vakuum. Der erneute Druckaufbau wird als Einleitung von Gas in das Adsorbergefäß bei gleichzeitiger Erhöhung des Adsorberdrucks definiert.
Spülen wird als Einleitung eines Spülgases in ein Ende des Adsorbers definiert, während ein daraus abfließendes Gas vom anderen Ende des Gefäßes abgezogen wird. Das Spülen kann bei abnehmendem Druck, zunehmendem Druck, konstantem Druck oder einer beliebigen Kombination davon durchgeführt werden. Das Spülen ist im Allgemeinen bei subatmosphärischen Drücken am effektivsten. Hohlraumgas wird als nicht adsorbiertes Gas definiert, das in den Zwischenräu men oder im Zwischenteilchenvolumen des Adsorbergefäßes enthalten ist. Es schließt Gas in den Leitungen und im toten Volumen des Gefäßes ein, das nicht durch Adsorptionsmittel belegt ist. Atmosphärische Luft ist nicht komprimierte Luft, die direkt aus der umgebenden Atmosphäre gewonnen wird.
Der erfindungsgemäße Verfahrenszyklus kann unter Verwendung eines einzelnen Adsorberbettes oder vorzugsweise einer Vielzahl von Adsorberbetten durchgeführt werden. Das Verfahren kann dazu eingesetzt werden, jedes beliebige Gasgemisch zu trennen, das stärker adsorbierte und weniger stark adsorbierte Komponenten enthält und besonders brauchbar für die Gewinnung von mit Sauerstoff angereichertem Produkt aus Luft ist. Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet drei Adsorberbetten und veranschaulicht die Erfindung, die nachstehend anhand des Zyklus/Zeit-Diagramms von 1 und des Strömungsdiagramms des Verfahrens von 2 beschrieben ist.
Tabelle 1 Definitionen der Zyklusschritte für das Zyklusdiagramm von Fig. 1
Das Verfahrenssystem von 2 umfasst drei Adsorberbetten A, B und C. Diese enthalten ein oder mehrere Adsorptionsmittel, die vorzugsweise mindestens eine Komponente im Beschickungsgas adsorbieren. Die Betten sind durch in der Technik bekannte entsprechende Leitungen und Ventile verbunden, so dass sie die im folgenden beschriebenen Zyklusschritte durchlaufen können. Das Gasgemisch 1, vorzugsweise Luft, die filtriert wurde, um teilchenförmige Substanzen daraus zu entfernen (nicht gezeigt) wird im Gebläse 3 auf 1,1 bis 2,5 Bar unter Druck gesetzt und bei Bedarf im Kühler 5 gekühlt, um in der Leitung 7 unter Druck gesetztes Gas von etwa Umgebungstemperatur zur Verfügung zu stellen. Das unter Druck gesetzte Beschickungsgas wird in folgenden Zyklusschritten (siehe 1 und 2) in das an Sauerstoff reiche Endprodukt in der Leitung 9, das typischerweise eine durchschnittliche Sauerstoffkonzentration von mindestens 80 Vol.-% hat, und Abgas in der Leitung 11 getrennt.
1. Produktherstellung/Beschickung
Unter Druck gesetztes Beschickungsgas aus der Leitung 7 fließt durch die Leitung 13, das offene Ventil 15 und die Leitung 17 in das Adsorberbett A. Dieses enthält mindestens ein adsorbierendes Material, das vorzugsweise Stickstoff adsorbiert. Typische in der Technik für diesen Zweck bekannte Adsorptionsmittel umfassen Zeolithe, die einem Ionenaustausch mit einem oder mehreren aus Natrium, Li thium, Calcium und anderen Kationen ausgewählten Kationen unterzogen wurden. Bei Bedarf können zwei oder mehr Adsorptionsmittel verwendet werden.
Mit Sauerstoff angereichertes Gas wird aus dem Bett A abgezogen und fließt durch die Leitung 19, das offene Ventil 21 und das Sammelrohr 23, um das endgültige Gasprodukt zur Verfügung zu stellen, das durch das Strömungskontrollventil 25 und die Leitung 9 zum Endverbraucher fließt. Während dieses Schrittes, der als Produktherstellungs-/Beschickungsschritt definiert wird, bleibt das Ventil 27 geschlossen und der Druck im Bett A steigt auf einen Maximalwert, der typischerweise im Bereich von 1,2 bis 2,5 Bar liegt. Dieser Schritt kann bis zu etwa 20 Sekunden dauern.
Während Bett A den Produktherstellung-/Beschickungsschritt durchläuft, wird Bett B durch Gas, das durch die Druckwegnahme in Bett C zugeführt wurde, gespült und sein Druck teilweise erneut aufgebaut.
2. Produktherstellung/keine Beschickung
Der Strom von unter Druck gesetztem Gas zu Bett A wird durch Schließen des Ventils 15 beendet. Gasprodukt wird weiterhin aus Bett A abgezogen und fließt durch das offene Ventil 21, das Sammelrohr 23 und das Strömungskontrollventil 25, um das endgültige Gasprodukt durch die Leitung 9 zur Verfügung zu stellen. Dieser Schritt wird als Produktherstellung/keine Beschickung definiert. Der Druck in Bett A und des daraus abgezogenen Gasprodukts nimmt während dieses Schrittes um etwa 0,015 bis 0,5 Bar ab. Die Zusammensetzung des aus Bett A abgezogenen Gasprodukts verändert sich während dieses Schrittes, bleibt aber im erforderlichen Reinheitsbereich für das endgültige Gasprodukt. Dieser Schritt dauert typischerweise 5,0 bis 20 Sekunden.
Während Bett A den Schritt Produktherstellung/keine Beschickung durchläuft, wird in Bett B der Druck erneut aufgebaut und Bett C evakuiert.
3. Bereitstellung einer Spülung
Das Ventil 21 wird geschlossen, das Ventil 27 geöffnet und der Druck in Bett A durch das Sammelrohr 29 und das offene Ventil 31 verringert. Das Druckwegnahmegas fließt über die Leitung 33 durch das Bett C, das einen Spülschritt durchläuft, während dessen Gas über die Leitung 35, das offene Ventil 37 und das Sammelrohr 39 zum Vakuumgebläse 41 abgezogen wird, welches Abgas durch die Leitung 11 entfernt. Die Ventile 34, 43 und 45 bleiben während dieses Schrittes geschlossen. Während des Schrittes zur Bereitstellung einer Spülung nimmt der Druck in Bett A um etwa 0,1 bis 0,5 Bar ab. Dieser Schritt dauert typischerweise 1,0 bis 10 Sekunden. Während dieses und des folgenden Schrittes durchläuft Bett B einen Produktherstellungs-/Beschickungsschritt.
4. Bereitstellung des Druckausgleichs/Evakuierung
Die Evakuierung von Bett C endet, und die Evakuierung von Bett A beginnt ggfs. durch Schließen des Ventils 37 und Öffnen des Ventils 46. Zusätzliches Gas fließt über das Sammelrohr 29 aus Bett A in das Bett C, bis der Druck in den beiden Betten ganz oder nahezu ausgeglichen ist. Dieser Schritt dauert typischerweise 1,0 bis 10 Sekunden. Während dieses und des vorhergehenden Schrittes durchläuft Bett B einen Produktherstellungs-/Beschickungsschritt. Wenn die Drücke in den beiden Betten ganz oder nahezu ausgeglichen sind, werden die Ventile 27, 31 und 37 geschlossen, Bett A durchläuft den Evakuierungsschritt und in Bett C beginnt der Schritt des Druckaufbaus mit atmosphärischer Luft.
5. Evakuierung
Gas wird über das Sammelrohr 39 mit dem Vakuumgebläse 41 aus dem Bett A evakuiert, bis der Druck im Bett den Minimalwert erreicht, der typischerweise im Bereich von 0,2 bis 0,8 bar liegt. Dieser Schritt dauert typischerweise 5,0 bis 20 Sekunden. Während dieses Schrittes durchläuft Bett B einen Produktherstellungsschritt ohne Beschickung, und in Bett C wird der Druck erneut aufgebaut.
6. Spülung
Die Evakuierung von Bett A läuft weiter, während das Bett mit von Bett B, das den Schritt "Spülung bereitstellen" durchläuft, zugeführtem Druckwegnahmegas gespült wird. Diese Spülung desorbiert restlichen adsorbierten Stickstoff und bereitet das Bett A für den erneuten Druckaufbau vor. Während dieses Schrittes, der typischerweise 1,0 bis 10 Sekunden dauert, werden die Ventile 27 und 47 geöffnet und die Ventile 28, 30, 32 und 49 geschlossen. Während dieses und des nächsten Schrittes durchläuft Bett C einen Produktherstellungs-/Beschickungsschritt.
7. Druckausgleich erneuter Druckaufbau mit atmosphärischer Luft
Die Evakuierung von Bett A wird durch Schließen des Ventils 46 beendet und Ausgleichsgas fließt weiterhin durch die Ventile 47 und 27 und die Leitung 19 aus Bett B in Bett A. Inzwischen beginnt die Evakuierung von Bett B durch Öffnen des Ventils 49. Gleichzeitig wird das Ventil 51 geöffnet, und atmosphärische Luft fließt durch das Sammelrohr 53 und die Leitung 17. Dadurch wird der Druck in Bett A erneut aufgebaut. In das Sammelrohr 53 eintretende Luft kann auch filtriert werden, um teilchenförmige Substanzen zu entfernen (nicht gezeigt). Wenn die Drücke in den Betten A und B ganz oder nahezu ausgeglichen sind, werden die Ventile 27 und 47 geschlossen. Dieser Schritt dauert typischerweise 1,0 bis 10 Sekunden. Während dieses Schrittes durchläuft Bett C weiterhin einen Produktherstellungs-/Beschickungsschritt.
8. Erneuter Druckaufbau mit atmosphärischer Luft
Atmosphärische Luft baut weiterhin den Druck in Bett A über das Ventil 51 und das Sammelrohr 53 auf, bis der Druck darin atmosphärischen Druck erreicht. Dieser Schritt dauert typischerweise 1,0 bis 10 Sekunden. Während dieses Schrittes durchläuft Bett B einen Evakuierungsschritt und Bett C einen Schritt der Produktherstellung ohne Beschickung.
9. Erneuter Druckaufbau durch atmosphärische Beschickungsluft
Unter Druck gesetzte Beschickungsluft aus der Leitung 7 wird durch die Leitung 13 und das offene Ventil 15 über die Leitung 17 in Bett A geleitet, während bei Bedarf atmosphärische Luft weiterhin über das offene Ventil 51 und das Sammelrohr 53 in Bett A strömt und dadurch den Druck in Bett A erhöht. Dies wird fortgesetzt, bis der Druck darin auf oder nahe dem atmosphärischen Druck ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ventil 51 geschlossen und der erneute Druckaufbau wird durch Einleitung von unter Druck gesetztem Beschickungsgas über das Ventil 15 und die Leitung 17 fortgesetzt. Wenn der Druck am oberen oder Produktende von Bett A sich dem Druck in Leitung 23 annähert, wird das Ventil 21 geöffnet und der Schritt des erneuten Druckaufbaus mit atmosphärischer Luft/Beschickung endet. Dann beginnt der Zyklus von neuem mit dem Produktherstellungsschritt. Dieser Schritt des erneuten Druckaufbaus mit atmosphärischer Luft/Beschickung dauert typischerweise 4,0 bis 20 Sekunden. Während dieses Schrittes durchläuft Bett B einen Evakuierungsschritt und Bett C weiterhin einen Schritt der Produktherstellung ohne Beschickung.
Die Adsorberbetten B und C durchlaufen wiederum die gleiche Reihe von Schritten wie vorstehend beschrieben und arbeiten in Wechselwirkung miteinander und mit Bett A gemäß des Zyklus-Zeit-Diagramm von 1. In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden zwar drei Adsorberbetten verwendet, doch es können auch mehr oder weniger Betten verwendet werden. Auf Wunsch kann ein einzelnes Bett verwendet werden, doch in diesem Fall wäre ein Gaslagertank erforderlich, um Gas aus den Schritten der Bereitstellung einer Spülung und der Bereitstellung eines Druckausgleichs zur späteren Verwendung in Spül- und Druckausgleichschritten aufzunehmen. Außerdem wäre ein Gaslagertank für das Endprodukt erforderlich, um einen Teil des endgültigen Gasprodukts während der Schritte der Produktherstellung und der Produktherstellung ohne Beschickung zu lagern, das während der Schritte der Evakuierung, Spülung und des erneuten Druckaufbaus zum Endverbraucher geleitet wird.
Bei der Durchführung des vorstehend beschriebenen PSA-Verfahrens zur Gewinnung von Sauerstoff stellt man den höchsten Druck (während des Produktherstellungs-/Beschickungsschrittes) vorzugsweise im Bereich von 1,1 bis 2,5 Bar und den niedrigsten Druck (während des Evakuierungsschrittes) im Bereich von 0,2 bis 0,8 bar ein. Ein können ein oder mehrere Gebläse für die Beschickung erforderlich sein, um das Bett während des Zeitraums des höheren Drucks während des Produktherstellungs-/Beschickungsschrittes im Bett sowie während der Zeit, in der der Druck im Schritt des erneuten Druckaufbaus mit Beschickung oberhalb des Umgebungsdrucks liegt, zu speisen. Während mindestens eines Teils der gegenläufigen Druckwegnahme- und Spülschritte können ein oder mehrere Vakuumgebläse verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Verfahrenszyklus eignet sich besonders gut für den Betrieb bei höheren Drücken im vorstehend beschriebenen Bereich. Bei einem höheren Spitzendruck ist mehr Hohlraumgas für die gleichläufige Druckwegnahme verfügbar und mehr gleichläufiges Druckwegnahmegas steht zur Produktherstellung, Spülung und zum gegenläufigen erneuten Druckaufbau in einem Adsorberbett zur Verfügung. Der höhere Druck während des Beschickungs-/Produktherstellungsschrittes erhöht auch die Kapazität des Adsorptionsmittels, wodurch das Bett kleiner gebaut werden kann. Der höhere Produktdruck ermöglicht eine Verkleinerung des Produktkompressors und verringert den Energieverbrauch des Kompressors. Dadurch, dass man das Verfahren bei einem höheren Beschickungsdruck betreibt, ist es auch möglich, den Mindestdruck während des Evakuierungsschrittes zu erhöhen und folglich den Vakuumbedarf des Verfahrens zu senken. Dies ermöglicht die Verwendung von weniger Vakuumgebläsestufen im Verfahren oder die Erhöhung der isothermischen Effizienz des Vakuumgebläses. Der Schritt der Komprimierung der Beschickung verbraucht zwar mehr Energie, wenn man bei höheren Beschickungsdrücken arbeitet, doch die vorstehend aufgeführten Vorteile gleichen dies mehr als aus und ermöglichen insgesamt eine Verringerung spezifischer Energie.
Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren maximale Abgabegeschwindigkeiten des endgültigen Gasprodukts, weil kein endgültiges Gasprodukt zum Spülen und erneuten Druckaufbau in den Schritten des Verfahrenszyklus gebraucht wird. Das gesamte erforderliche Spülgas wird durch das intermediäre Druckwegnahmegas zur Verfügung gestellt, und das gesamte für den erneuten Druckaufbau erforderliche Gas wird durch das intermediäre Druckwegnahmegas und durch unter Druck gesetztes Beschickungsgas zugeführt. Die Durchführung des Verfahrens bei höheren Drücken führt zu Betriebsvorteilen und weniger Bedarf an spezifischer Energie. Das Verfahren kann mit einem einzelnen Adsorberbett betrieben werden, wird aber vorzugsweise mit mehreren Adsorberbetten und stärker bevorzugt mit drei Betten betrieben. Das Verfahren eignet sich besonders gut für die Gewinnung von Sauerstoff aus Luft.
Die wesentlichen Eigenschaften der Erfindung sind in der vorstehenden Offenbarung vollständig beschrieben. Ein Fachmann kann die Erfindung verstehen und verschiedene Abwandlungen daran vornehmen, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen oder den Rahmen und die Äquivalente der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

Druckwechseladsorptionsverfahren zur Trennung eines unter Druck gesetzten, mindestens eine stärker adsorbierbare Komponente und mindestens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthaltenden Beschickungsgases, das folgende Schritte umfasst: (a) Einleiten des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Beschickungsende eines Adsorberbettes, das ein oder mehrere feste Adsorptionsmittel enthält, die die stärker adsorbierbare Komponente bevorzugt adsorbieren, und Abziehen eines ersten aus dem Adsorber abfließenden Gases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, vom Produktende des Adsorberbettes, wobei das erste aus dem Adsorber abfließende Gas als endgültiges Gasprodukt verwendet wird; (b) Beenden der Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Adsorberbett, während vom Produktende des Adsorberbettes ein zweites aus dem Adsorber abfließendes Gas, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, abgezogen wird, wobei der Druck im Adsorberbett abnimmt, während das zweite aus dem Adsorber abfließende Gas daraus abgezogen wird, und wobei das zweite aus dem Adsorber abfließende Gas als zusätzliches endgültiges Gasprodukt verwendet wird; (c) Verringerung des Drucks im Adsorberbett auf einen minimalen Bettdruck durch Abziehen zusätzlichen Gases daraus; (d) erneuter Druckaufbau im Adsorberbett durch Einleitung von Druckaufbaugas in das Bett, wobei mindestens ein Teil des Druckaufbaugases durch unter Druck gesetztes Beschickungsgas zur Verfügung gestellt wird, und (e) Wiederholung der Schritte (a) bis (d) auf zyklische Weise.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Adsorberbett eines einer Vielzahl von Adsorberbetten ist, die abwechselnd die Schritte (a) bis (e) durchlauften.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Druckverringerung in jedem Adsorberbett in Schritt (c) erfolgt durch: c1) Abziehen eines ersten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen ersten Zwischendruck erreicht; (c2) Abziehen eines zweiten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen zweiten Zwischendruck erreicht; und (c3) Evakuieren des Bettes vom Beschickungsende, bis der Druck darin den minimalen Bettdruck erreicht.
Verfahren nach Anspruch 3, das außerdem das Spülen jedes Bettes nach der Evakuierung von Schritt (c3) durch Einleiten eines Spülgases in das Produktende des Bettes, während weiterhin Gas vom Beschickungsende des Bettes evakuiert wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Spülgas dem Bett durch den in Schritt (c1) aus einem anderen Bett abgezogenen ersten Gasstrom zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, das außerdem die Evakuierung des Bettes vom Beschickungsende, während der zweite Gasstrom vom Produktende des Bettes während Schritt (c2) abgezogen wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Teil des in ein Bett eingeleiteten Druckaufbaugases durch den zweiten Gasstrom, der in Schritt (c2) aus einem anderen Bett abgezogen wird, zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das unter Druck gesetzte Beschickungsgas Luft ist, die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff ist, die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist und das endgültige Gasprodukt mit Sauerstoff angereichert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Teil des Druckaufbaugases in Schritt (d) zur Verfügung gestellt wird, indem man atmosphärische Luft in das Adsorberbett strömen lässt, wenn der Druck im Bett zu Anfang unter dem atmosphärischen Druck liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Adsorberbett ein einzelnes Adsorberbett ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Druckverringerung im Adsorberbett in Schritt (c) erfolgt durch: (c1) Abziehen eines ersten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen ersten Zwischendruck erreicht; (c2) Abziehen eines zweiten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen zweiten Zwischendruck erreicht; und (c3) Evakuieren des Bettes vom Beschickungsende, bis der Druck darin den minimalen Bettdruck erreicht.
Verfahren nach Anspruch 11, das außerdem das Spülen des Bettes nach der Evakuierung von Schritt (c3) durch Einleiten eines Spülgases in das Produktende des Bettes, während weiterhin Gas vom Beschickungsende des Bettes evakuiert wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem mindestens ein Teil des während der Druckverringerung im Adsorber durch Abziehen von Gas daraus in Schritt (c) abgezogenen zusätzlichen Gases in einen Gaslagertank eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Spülgas dem Bett durch mindestens einen Teil des in Schritt (c) in den Gaslagertank eingeleiteten Gases zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Teile des ersten aus dem Adsorber abfließenden Gases und des zweiten aus dem Adsorber abfließenden Gases während der Schritte (a) und (b) in einen Lagertank für das Gasprodukt eingeleitet werden und gelagertes Gas während der Schritte (c) und (d) aus dem Produktlagertank abgezogen wird, um das endgültige Gasprodukt zur Verfügung zu stellen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (c) umfasst (c1) Abziehen eines ersten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen ersten Zwischendruck erreicht; (c2) Abziehen eines zweiten Gasstroms aus dem Bett, bis der Druck darin einen zweiten Zwischendruck erreicht; und (c3) Evakuieren des Bettes vom Beschickungsende, bis der Druck darin den minimalen Bettdruck erreicht; und wobei das Verfahren außerdem umfasst: (d) das Spülen des Bettes nach der Evakuierung von Schritt (c3) durch Einleiten eines Spülgases in das Produktende des Bettes, während weiterhin Gas vom Beschickungsende des Bettes evakuiert wird, wobei das Spülgas dem Bett durch den ersten aus einem anderen, Schritt (c1) durchlaufenden Bett abgezogenen ersten Gasstrom zur Verfügung gestellt wird; und (e) erneutem Druckaufbau im Adsorberbett durch Einleiten des zweiten aus einem anderen, Schritt (c2) durchlaufenden Bett abgezogenen Gasstroms; (f) zusätzlichen Druckaufbau im Adsorberbett durch Einleitung von unter Druck gesetztem Beschickungsgas in das Bett; und (g) Wiederholung der Schritte (a) bis (f) auf zyklische Weise.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das unter Druck gesetzte Beschickungsgas Luft ist, die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff ist, die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist und das endgültige Gasprodukt mit Sauerstoff angereichert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, das nach Schritt (e) und vor Schritt (f) außerdem umfasst, dass man atmosphärische Luft in das Adsorberbett strömen lässt, wenn der Druck im Bett anfänglich unter dem atmosphärischen Druck liegt.
Verfahren nach Anspruch 16, das außerdem das Evakuieren des Bettes vom Beschickungsende umfasst, während der zweite Gasstrom während Schritt (c2) vom Produktende abgezogen wird.