DE60116034T2

DE60116034T2 - Einzelbett Druckwechseladsorptionsverfahren

Info

Publication number: DE60116034T2
Application number: DE60116034T
Authority: DE
Inventors: Jianguo Xu; Mark Robert Pillarella; Douglas Paul Dee; Rakesh Agrawal
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: EP1203610B1; ES2254307T3; JP2002191925A; ATE313372T1; US6425938B1; EP1203610A1; DE60116034D1

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 Betriebsbedingungen, Produktreinheit und Produktgewinnung entwickelt und angepasst. Viele Druckwechseladsorptionssysteme verwenden zwei oder mehrere Adsorberbetten, die in zyklischer Sequenz betrieben werden, um eine konstante Produktstromgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, während ausgewählte Betten verschiedene Schritte einschließlich Adsorption, Druckwegnahme, Desorption, Spülung, Druckausgleich, erneuten Druckaufbau und andere verwandte Schritte durchlaufen. Mehrere Adsorberbetten unter Einsatz verschiedener Verfahrensschritte sind erforderlich, um hohe Reinheit und/oder die Gewinnung wertvoller gasförmiger Produkte wie Wasserstoff, Kohlendioxide, Synthesegas, leichte Kohlenwasserstoffe und dergleichen zu erreichen. Die hohen Kosten der Erzeugung von diese wertvollen Komponenten enthaltenden Beschickungsgasgemischen rechtfertigen üblicherweise die Komplexität und den Kapitalaufwand von Druckwechseladsorptionssystemen in mehreren Betten.
Mehrere Einzelbett-Druckwechseladsorptionsverfahren (pressure swing adsorption = PSA) sind entwickelt worden und in der Technik bekannt. Viele dieser Verfahren arbeiten teilweise bei Drücken unter dem atmosphärischen Wert und werden als Vakuumwechseladsorptionsverfahren (VSA) oder Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren (VPSA) beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung wird die Bezeichnung Druckwechseladsorption (PSA) ungeachtet der Betriebsdruckniveaus als generischer Begriff zur Beschreibung aller Typen zyklischer Adsorptionssysteme verwendet.
Andere gasförmige Produkte, die sich zur Gewinnung durch PSA eignen, erfordern nicht die hohe Reinheit und/oder Gewinnung der vorstehend genannten Produkte. Bei der Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff durch PSA ist beispielsweise ein Produkt von geringerer Reinheit, das 90 bis 95 Vol.-% Sauerstoff enthält, für viele Endanwendungen akzeptabel, und es können einfachere PSA-Systeme verwendet werden, um ein solches Produkt zur Verfügung zu stellen.
Diese einfacheren PSA-Systeme sind mit signifikant weniger Kapitalaufwand und Betriebskosten verbunden als die vorstehend beschriebenen Systeme mit mehreren Betten. Die einfachsten dieser PSA-Systeme zur Lufttrennung verwenden ein einziges Adsorberbett zusammen mit einem oder mehreren Gaslagergefäßen, um einen konstanten Produktstrom zu ermöglichen, und stellen Gas zur Adsorberspülung und den Druckaufbau während des Regenerationsteils des PSA-Zyklus zur Verfügung.
PSA-Systeme unter Verwendung eines einzigen Adsorbers und eines einzigen Gaslagergefäßes sind in der Technik bekannt und in den repräsentativen US-Patenten 4,561,865, 4,477,264, 4,892,566, 5,228,888, 5,415,683, 5,679,134, 5,876,485, 5,882,380, 6,102,985 und 6,096,115 beschrieben. Systeme mit einem einzigen Adsorber/einem einzigen Tank sind auch in den japanischen Patentanmeldungen Kokai Nr., H9-77502 und H10-194708 beschrieben.
Die Verwendung von zwei oder mehreren Gaslagertanks kann die Gesamtleistungen von PSA-Systemen mit einem einzigen Adsorber verbessern. Solche Systeme sind in US-A-3,788,036, 4,561,865, 5,370,728, 5, 658,371, 6,102,985 und 6,096,115 sowie in der europäischen Patentschrift EP 0 884 088 A1 beschrieben.
Die im Folgenden beschriebene und in den Ansprüchen definierte Erfindung ist ein Druckwechseladsorptionsverfahren mit einem einzigen Bett, bei dem mindestens zwei Gaslagertanks verwendet werden. Eine Ausführungsform davon ist nützlich für die Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft bei geringem Kapitalaufwand und geringen Betriebskosten.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Einzelbett-Druckwechseladsorptionsverfahren zur Trennung von unter Druck gesetztem Beschickungsgas, das mindestens eine stärker adsorbierbare und mindestens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthält, welches umfasst:

(a) das Einleiten des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in ein Beschickungsende eines Adsorbergefäßes, enthaltend ein festes Adsorptionsmittel, das vorzugsweise die stärker adsorbierbare Komponente adsorbiert, das Abziehen eines aus dem Adsorber strömenden Gases, das mit der we niger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, von einem Produktende des Adsorbergefäßes, das Einleiten des aus dem Adsorber strömenden Gases in einen ersten Gaslagertank und das Abziehen eines endgültigen Gasprodukts aus dem ersten Gaslagertank;
(b) das Beenden der Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Adsorbergefäß und die Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von Gas daraus und das Einleiten des abgezogenen Gases in einen zweiten Gaslagertank;
(c) die weitere Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von zusätzlichem Gas daraus;
(d) das Spülen des Adsorbergefäßes durch Einleiten von Gas aus dem zweiten Gaslagertank in das Adsorbergefäß, während weiterhin Gas daraus abgezogen wird;
(e) das Beenden der Einleitung von Gas aus dem zweiten Gaslagertank in das Adsorbergefäß und unmittelbar danach den erneuten Druckaufbau im Adsorbergefäß durch Einleitung von unter Druck gesetztem Beschickungsgas in dessen Beschickungsende; und
(f) die Wiederholung von (a) bis (e) auf zyklische Weise.

Das Beschickungsgas kann Luft, die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff und die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff sein. Ein endgültiges Gasprodukt wird typischerweise während (b) bis (e) aus dem ersten Gaslagertank abgezogen.
Mindestens ein Teil der Spülung des Adsorbergefäßes in (d) kann ablaufen, während der Druck darin abnimmt. Mindestens ein Teil der Spülung des Adsorbergefäßes in (d) kann ablaufen, während der Druck darin auf einem Minimalwert ist. Mindestens ein Teil der Spülung des Adsorbergefäßes in (d) kann ablaufen, während der Druck darin zunimmt. Der Minimaldruck kann unter dem atmosphärischen Druck liegen.
Der zweite Gaslagertank kann ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mehr als etwa 5 haben, wobei in (b) Gas an einem Ende in den Tank eingeleitet und in (d) am gleichen Ende aus dem Tank abgezogen wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die weitere Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von zusätzlichem Gas daraus und das Einleiten des abgezogenen Gases in einen dritten Gaslagertank. Diese Ausführungsform kann anschließend an (d) auch das Spülen des Adsorbergefäßes durch das Einleiten von Gas aus dem dritten Gaslagertank in das Adsorbergefäß, während weiterhin Gas aus dem Adsorptionsgefäß abgezogen wird, umfassen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Abschluss der Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Adsorbergefäß und vor der Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von Gas daraus und Einleiten des daraus abgezogenen Gases in einen zweiten Gaslagertank der Druck im Adsorbergefäß durch Abziehen von Gas daraus und Einleiten des daraus abgezogenen Gases in den ersten Gaslagertank weggenommen.
Mindestens ein Teil der zusätzlichen Druckwegnahme in (c) kann durch Ablassen von Gas aus dem Adsorbergefäß in die Atmosphäre erfolgen.
Das Beschickungsgas kann Luft, die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff und die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff sein. In diesem Fall kann ein Teil des unter Druck gesetzten Beschickungsgases für den erneuten Druckaufbau im Adsorbergefäß durch atmosphärische Luft zur Verfügung gestellt werden, die in das Adsorbergefäß strömt, während der Gefäßdruck unter dem atmosphärischen Druck liegt.
Das Spülen des Adsorbergefäßes in (d) kann dadurch erfolgen, dass man

(d1) Gas aus dem zweiten Gaslagertank mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit in das Adsorbergefäß leitet und
(d2) das Gas aus dem zweiten Gaslagertank mit einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit, die höher ist als die erste Strömungsgeschwindigkeit, in das Adsorbergefäß leitet,

Kurze Beschreibung verschiedener Ansichten der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Strömungsdiagramm eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten PSA-Systems.
2 ist eine schematische Darstellung der Strömungskonfigurationen im Adsorber und Gaslagertank während der Zyklusschritte im erfindungsgemäßen Verfahren.
3 ist eine Aufzeichnung des Adsorberdrucks im Vergleich zur Zeit für ein Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Adsorptionsverfahren zur Trennung eines Gasgemischs, das mindestens eine stärker adsorbierbare Komponente und mindestens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthält, wobei im Verfahren verschiedene Kombinationen von Beschickungs-, Druckwegnahme-, Evakuierungs-, Spül- und Druckaufbauschritten verwendet werden. Doppelte Gaslagertanks werden eingesetzt, um ein Spülgas zur Verfügung zu stellen, das unabhängig von der Zufuhr des endgültigen Gasprodukts ist. Das gewünschte Gasprodukt kann entweder mit der stärker adsorbierbaren Komponente oder der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert sein, und der Adsorptionsverfahrenszyklus wird gewählt, um das gewünschte Gasprodukt zu ergeben. Die Erfindung ist besonders gut für die Gewinnung von Sauerstoff aus Luft geeignet, und das Verfahren hat das Potential für geringen Kapitalaufwand und niedrige Betriebskosten einschließlich niedrigen Energieverbrauch.
In den hier gegebenen Beschreibungen der Ausführungsformen der Erfindung haben die folgenden verwendeten spezifische Begriffe die folgende Bedeutung.
Ein Beschickungsschritt findet während der Zeit statt, in der unter Druck gesetztes Beschickungsgas in das Adsorbergefäß eingeleitet wird, und die stärker adsorbierbare Komponente wird durch das darin enthaltende Adsorptionsmaterial se lektiv adsorbiert. Mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichertes Gasprodukt kann während dieses Schrittes abgezogen werden.
Unter Druck gesetztes Beschickungsgas wird als Beschickungsgas definiert, das einen höheren Druck hat als der Druck in einem Adsorbergefäß, in das das Beschickungsgas eingeleitet wird. Während des Beschickungsschrittes kann das unter Druck gesetzte Beschickungsgas durch Kompression zur Verfügung gestellt werden.
Die Druckwegnahme wird als das Abziehen von Gas aus dem Adsorbergefäß bei gleichzeitiger Drucksenkung im Adsorber, wodurch die stärker adsorbierbare Komponente desorbiert wird, definiert. Die Druckwegnahme kann durch Abblassen von Gas aus einem superatmosphärischen Druck direkt in die Atmosphäre (typischerweise als "Blowdown" beschrieben) bzw. in ein anderes Verfahrensgefäß oder ein geschlossenes Volumen mit niedrigerem Druck erreicht werden. Die Druckwegnahme kann auch durch Evakuierung erreicht werden, das als das Abziehen von Gas aus dem Adsorber durch eine mechanische Vorrichtung wie eine Vakuumpumpe oder ein Gebläse definiert wird. Die Evakuierung kann über jeden Bereich von Adsorberdrücken erfolgen, wird jedoch typischerweise bei subatmosphärischen Drücken, d.h. unter Vakuum durchgeführt.
Der erneute Druckaufbau wird als Einleitung von Gas in das Adsorbergefäß bei gleichzeitiger Erhöhung des Adsorberdrucks definiert. Unter Druck gesetztes Beschickungsgas kann zum erneuten Druckaufbau in das Adsorbergefäß geleitet werden.
Die Spülung wird definiert als Einleitung eines mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereicherten Spülgases in ein Ende des Adsorbers, während ein Abflussgas vom anderen Ende des Gefäßes abgezogen wird. Üblicherweise wird der Schritt im Gegenstrom durchgeführt, d.h. in einer Fließrichtung entgegen der des Beschickungsschrittes. Die Spülung spült Hohlraumgas fort und desorbiert rückständige adsorbierte Komponenten vom Adsorptionsmittel. Die Spülung kann bei jedem beliebigen Druck durchgeführt werden, ist aber bei subatmosphärischen Drücken am effektivsten. Wie nachstehend beschrieben, kann der Adsorberdruck während jedem beliebigen Teil eines Spülschrittes zunehmen, abnehmen oder konstant bleiben.
Hohlraumgas wird als nicht adsorbiertes Gas definiert, das im Zwischenraum- oder Zwischenteilchenvolumen im Adsorbergefäß enthalten ist, und schließt Gas im toten Volumen der Rohrleitungen und des Gefäßes ein, das nicht vom Adsorptionsmittel belegt ist.
Das endgültige Gasprodukt ist das Gas, das für den externen Gebrauch aus einem Gaslagertank abgezogen wird, und ist typischerweise mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert:
Bei der Erfindung geht es um die Trennung eines Gasgemischs, das mindestens eine stärker adsorbierbare Komponente und mindestens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthält. Dabei wird typischerweise die weniger stark adsorbierte Komponente als primäres Produkt gewonnen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren dazu verwendet, Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen. Es kann aber auch auf die Trennung anderer Gasgemische angewendet werden.
Das Verfahren wird im Folgenden für die Gewinnung von Sauerstoff aus Luft unter Verwendung eines in 1 schematisch gezeigten Apparates veranschaulicht. Dieser wird in einem Zyklus betrieben, der die folgenden Schritte durchläuft.
1. Luftbeschickung/Produktherstellung
Atmosphärische Luft, die vorzugsweise durch bekannte Verfahren filtriert wird, um schädliches teilchenförmiges Material zu entfernen, strömt durch die Beschickungsleitung 1, das offene Ventil 3, die Leitungen 5 und 7 und in den Einlass des Gebläses 9. Das Gebläse 9, typischerweise ein Drehkolbengebläse vom Roots-Typ, komprimiert die Luft auf einen Beschickungsdruck, der typischerweise im Bereich von 1,1 bis 2,5 absoluten Atmosphären (atma) liegt. Nach dem Gebläse kann bei Bedarf ein Nachkühler (nicht gezeigt) verwendet werden. Unter Druck gesetztes Beschickungsgas fließt durch das offene Ventil 15 und durch die Leitungen 17 und 19 in das Adsorbergefäß 21. Dieses enthält Adsorptionsmaterial, das selektiv Stickstoff, eine stärker adsorbierte Komponente in der Luftbeschickung, adsorbiert. Das Ventil 16 bleibt geschlossen.
Das Adsorbergefäß 21 ist als Ergebnis eines früheren Druckaufbauschrittes (nachstehend beschrieben) anfänglich auf einem typischen Zwischendruck von etwa 1,05 bis 2,5 atma. Unter Druck gesetzte Beschickungsluft erhöht den Druck im Adsorbergefäß über einen Zeitraum von etwa 3 bis 60 Sekunden auf den vollen Adsorptionsdruck von etwa 1,1 bis 2,5 atma. In atmosphärischer Luft vorhandenes Wasser kann durch bekannte Verfahren stromaufwärts des Adsorbergefäßes 21 entfernt werden. Alternativ kann es durch Verwendung eines Adsorptionsmittels am Adsorbereinlassende, das vorzugsweise Wasser adsorbiert, entfernt werden.
Wenn die unter Druck gesetzte Beschickungsluft durch das Adsorbergefäß fließt, wird sie mit Sauerstoff, einer weniger stark adsorbierten Komponente in der Luftbeschickung, angereichert. Der mit Sauerstoff angereicherte Abfluss aus dem Adsorber, der typischerweise 85 bis 95 Vol.-% Sauerstoff enthält, wird durch die Leitungen 23 und 25, das Ventil 27 und die Leitung 29 abgezogen. Das aus dem Adsorber abfließende Gas fließt in den Gaslagertank 31. Das endgültige Gasprodukt wird durch die Leitung 33 und ggfs. durch das Strömungskontrollventil 35 abgezogen.
Der Luftbeschickungsschritt wird fortgesetzt, bis das Adsorptionsmittel ein vorher festgelegtes Niveau an Stickstoffdurchbruch erreicht wird und ehe es zu einem vollständigen Adsorptionsgleichgewicht mit Beschickungsluft im Adsorber kommt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Luftbeschickungsschritt beendet, indem man das Ventil 15 schließt und das Ventil 37 öffnet.
Das Adsorbergefäß 21 enthält ein oder mehrere Adsorptionsmittel, die vorzugsweise Stickstoff adsorbieren und somit den aus dem Adsorber abfließenden Strom mit Sauerstoff anreichern. Diese Adsorptionsmittel können aus der aus einwertigen, zweiwertigen oder dreiwertigen mit Kationen ausgetauschten Zeolithen mit einer Typ A-, Typ X- oder Mordenitstruktur ausgewählt werden. Die Kationen umfassen Natrium, Calcium, Lithium, Zink und Kombinationen davon.
1a) Teilweise Druckwegnahme/Bereitstellung des Produkts (bei Bedarf)
Während dieses bedarfsweise durchgeführten Schrittes wird der Druck im Adsorbergefäß 21 1,0 bis 20 Sekunden durch einen Differentialdruck von etwa 0,015 bis 0,5 atm weggenommen. Während dieser Zeit fließt an Sauerstoff reiches Hohl raumgas als zusätzliches Sauerstoffgasprodukt durch die Leitungen 23 und 25, das Ventil 27 und die Leitung 29 in den Tank 31. Dieser nur bei Bedarf durchgeführte Schritt gewinnt wertvolles Sauerstoffprodukt und verhindert Geräusche, die beim Ablassen des Gases in die Atmosphäre auftreten würden. Dieser Schritt wird durch das Schließen des Ventils 27 beendet.
2. Druckwegnahme/Sammeln des Spülgases
Das Ventil 41 wird geöffnet und der Druck im Adsorber 21 durch das Abziehen von Gas über die Leitungen 23 und 39 in den Gastransfertank 43 weiter verringert, bis der Druck im Adsorber 21 auf etwa 0,8 bis 2,0 atma fällt. Das im Tank 43 gelagerte Gas wird später im weiter unten beschriebenen Spülschritt verwendet.
3. Weitere Druckwegnahme
Die Ventile 3 und 41 werden geschlossen, und zusätzliches Gas wird aus dem Adsorber 21 über die Leitungen 19 und 20, das Ventil 16, die Leitung 18 und die Leitung 7 abgezogen. Dazu verwendet man das Gebläse 9, das das Gas mit verringertem Druck durch die Leitung 10, die Leitung 12 und das Ventil 37 entfernt. Von dort wird es durch einen Schalldämpfer (nicht gezeigt) in die Atmosphäre abgelassen. Auf Wunsch kann das Gas aus dem Adsorber 21 vor der Evakuierung oder während der frühen Stufen der Evakuierung über die Leitung 19, die Leitung 17, das Ventil 15, die Leitung 12 und das Ventil 37 direkt in die Atmosphäre abgelassen werden.
Die Evakuierung wird fortgesetzt, bis im Adsorber ein Druck von etwa 0,2 bis 0,8 atma erreicht ist. Der zusätzliche Druckwegnahmeschritt dauert typischerweise 3 bis 60 Sekunden.
4. Gegenläufige Spülung
Das Ventil 41 wird geöffnet, und Gas aus dem Gaslagertrank 43 wird durch die Leitungen 39 und 23 und durch den Adsorber 21 gezogen, um eine gegenläufige Spülung zur Verfügung zu stellen, die das Adsorptionsmittel spült und rückständigen Stickstoff desorbiert. Diese Spülung kann fortgesetzt werden, wenn der Druck im Adsorber 21 sinkt, bei einem Minimaldruck konstant bleibt oder zu nimmt. Möglich sind auch beliebige Kombinationen dieser Drücke. Der Spüldruck im Adsorber wird durch Regulieren der Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch das Ventil 41 bezogen auf die Kapazität des Gebläses gesteuert. Vorzugsweise wird die Spülung bei einem zunehmenden Adsorberdruck durchgeführt, nachdem der Adsorber auf einen Druck im Bereich von 0,2 bis 0,8 atma evakuiert wurde. In einem bei Bedarf durchgeführten Spülverfahren, bei dem die Spülung von einem zunehmenden Druck im Adsorber begleitet wird, wird der Spülschritt anfänglich dadurch durchgeführt, dass Spülgas bei einer niedrigeren Spülrate durch das Ventil 41 eingeführt und die Strömungsgeschwindigkeit des Spülgases dann durch eine weitere Öffnung des Ventils 41 gesteigert wird. Dies gibt genug Zeit für eine Spülung bei niedrigem Druck, während nach wie vor der Transport von genügend Gas bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit in kürzerer Zeit ermöglicht wird. Die Gesamtdauer des Spülschrittes liegt typischerweise zwischen etwa 1,0 und 15 Sekunden. Der Schritt wird durch Schließen des Ventils 41 beendet.
5. Erneuter Druckaufbau
Nach Abschluss des Spülschrittes wird unter Druck gesetztes Beschickungsgas aus dem Gebläse 9 über die Leitung 10, das Ventil 15, die Leitung 17 und die Leitung 19 in das Adsorbergefäß 21 geleitet. Dadurch wird der Adsorber unter Druck gesetzt. Das Ventil 27 bleibt geschlossen. Während der Anfangsstufe des Druckaufbaus, während der Druck im Adsorber unter dem atmosphärischen Wert liegt, kann der Adsorber ggfs. teilweise unter Druck gesetzt werden, indem durch Öffnen der Ventile 3 und 16 atmosphärische Luft in den Adsorber gezogen werden kann. Während dieses Schrittes kann das Ventil 37 geschlossen und das Ventil 15 geöffnet werden. Der erneute Druckaufbau der Beschickung wird dann fortgesetzt, bis der Druck im Adsorber etwa 1,05 bis 2,5 atma erreicht. Der Schritt des erneuten Druckaufbaus dauert typischerweise 3 bis 30 Sekunden. Der Schritt des erneuten Druckaufbaus beginnt unmittelbar nach Abschluss des Spülschrittes. Das bedeutet, dass keine Verfahrensschritte zwischen dem Spülschritt und dem Schritt des erneuten Druckaufbaus in der Beschickung eingeschoben werden. Beispielsweise wird zwischen den vorstehend beschriebenen Schritten des Spülens und des erneuten Druckaufbaus in der Beschickung kein Schritt des erneuten Druckaufbaus an zwei Enden (bei dem unter Druck gesetztes Beschickungsgas in ein Ende des Adsorbers und Gas aus dem Lagertank 43 in das andere Ende eingeführt wird) eingesetzt.
Während der vorstehend beschriebenen Schritte 1 bis 5 wird das endgültige Sauerstoffstoffgasprodukt kontinuierlich über die Leitung 33 und das Ventil 35 abgezogen. Der Gaslagertank 31 ist so konstruiert, dass er ausreichend Volumen hat, um das Gasprodukt mit dem erforderlichen Druck und der erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit für den vollständigen Zykluszeitraum zur Verfügung zu stellen.
Der vorstehend beschriebenen PSA-Zyklus wird durch Öffnen und Schließen der genannten Ventile zu den erforderlichen Zeiten betrieben. Dazu verwendet man in der Technik bekannte Hardware- und Software-Steuerungssysteme. Jede beliebige Steuerungseinheit auf Mikroprozessorbasis, die über digitale und analoge Signalgebung verfügt, kann eingesetzt werden. Die Software kann unter Verwendung von im Handel erhältlichen Standardpaketen ohne weiteres entwickelt werden.
Die Schritte im vorstehend beschriebenen Verfahrenszyklus sind in 2 schematisch veranschaulicht. Das Adsorbergefäß A (das dem Adsorbergefäß 21 in 1 entspricht) ist in gesteuerter Strömungsverbindung mit dem ersten und zweiten Gaslagertank 1 und 2 (die den Tanks 31 bzw. 43 in 1 entsprechen). Während des Schrittes "Luftbeschickung/Produktherstellung" (Schritt 1) fließt unter Druck gesetzte Beschickungsluft in den Adsorber, und mit Sauerstoff angereichertes Produkt fließt aus dem Adsorber in den ersten Gaslagertank. Das endgültige Gasprodukt wird daraus abgezogen. Daran schließt sich der Schritt der "Druckwegnahme/Sammlung des Spülgutes" (Schritt 2) an, während dessen der Druck im Adsorber in den zweiten Gaslagertank weggenommen wird, während das Abziehen des endgültigen Gasprodukts aus dem ersten Lagertank fortgesetzt wird. Während der "zusätzlichen Druckwegnahme" (Schritt 3) wird der Druck im Adsorber weggenommen, indem man Gas daraus abzieht, während das endgültige Gasprodukt weiterhin aus dem ersten Lagertank abgezogen wird. Während der "gegenläufigen Spülung" (Schritt 4) wird dem Adsorber Spülgas zur Verfügung gestellt, während er evakuiert wird. Unmittelbar danach, d.h. ohne etwaige dazwischenliegende Verfahrensschritte, beginnt der "erneute Druckaufbau" (Schritt 5), und der Adsorber wird auf das richtige Niveau für den Beginn von Schritt 1 unter Druck gesetzt.
Bei einer bedarfsweise verwendeten Ausführungsform der Erfindung hat der Gaslagertank 43 ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mehr als etwa 5. Gas wird vom gleichen Ende in den Tank eingeleitet und daraus abgezogen, und das hohe Verhältnis von Länge zu Durchmesser minimiert das Gasmischen im Tank während der Schritte "Druckwegnahme/Sammlung des Spülgutes" und "gegenläufige Spülung". Während der Druckwegnahme nimmt die Konzentration der weniger stark adsorbierten Komponente im Druckwegnahmegas, d.h. Sauerstoff, im Laufe der Zeit ab. Als Ergebnis schwankt die Konzentration des gelagerten Druckwegnahmegases im Lagertank 43 axial, wobei das Gas am entfernten Ende des Tanks eine höhere Sauerstoffkonzentration hat als das Gas am Einlassende des Tanks. Während des gegenläufigen Spülschrittes nimmt daher die Sauerstoffkonzentration des aus dem Tank abgezogenen Spülgases im Laufe der Zeit zu. Dies ist vorteilhaft zum Spülen, weil die Konzentration der gewünschten Produktkomponente im Spülgas, d.h. Sauerstoff, am Ende des Spülschrittes am höchsten ist. Dies führt zu einem effizienteren Spülschritt im Vergleich mit der Verwendung eines gut gemischten Spülgases, das während des Schritts der Druckwegnahme/Sammlung des Spülgutes gesammelt wurde.
Bei einer weiteren bei Bedarf verwendeten Ausführungsform der Erfindung wird während des Schrittes der "Druckwegnahme/Sammlung des Spülgutes" gesammeltes Gas nacheinander in einem ersten Gaslagertank und dann in einem zweiten Gaslagertank gesammelt. Das im ersten Tank gesammelte Gas weist eine höhere Konzentration der weniger stark adsorbierten Komponente, d.h. Sauerstoff, auf, und das im zweiten Tank gesammelte Gas hat eine niedrigere Sauerstoffkonzentration. Während des gegenläufigen Spülschrittes wird Spülgas zuerst aus dem zweiten Tank und zuletzt aus dem ersten Tank entnommen. Dies führt zu einem effizienteren Spülschritt als bei Verwendung eines einzigen Gaslagertanks, weil die Konzentration der erwünschten Produktkomponente im Spülgas, d.h. Sauerstoff am Ende des Spülschrittes höher ist. Außerdem ermöglicht dies ein größeres Gasvolumen zur Verwendung beim Spülen und erneuten Druckaufbau.
Bei einer weiteren bei Bedarf eingesetzten Ausführungsform der Erfindung kann das Spülen des Adsorbergefäßes 21 in zwei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt werden. In Schritt (1) wird Gas aus dem zweiten Gaslagertank mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit in das Adsorbergefäß eingeführt. In Schritt (2) wird das Gas aus dem zweiten Lagertank mit einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit, die höher ist als die ersten Strömungsgeschwindigkeit, in das Adsorbergefäß eingeführt.
Beispiel
Eine Pilotvorführeinheit für eine Einzelbettadsorption, die 1.300 pounds eines X-Zeolithadsorptonsmittels auf Li-Basis enthielt, wurde gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform betrieben, um ein 90 Vol.-% Sauerstoff enthaltendes Gasprodukt herzustellen. Die Reihenfolge und Dauer der Verfahrensschritte sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1 Zusammenfassung der Verfahrensschritte im Beispiel
Das Druckprofil im Adsorbergefäß während dieses Zyklus ist in 3 zu sehen. Durch Einsatz des Verfahrensschrittes in diesem Zyklus, bei dem zwei Gaslagertanks verwendet werden, sind die Produktivität und die Gewinnung von Sauerstoff aus der Einzelbetteinheit um 8% größer als solche bei einem Zyklus, bei dem nur ein Gaslagertank verwendet wird.
Die wesentlichen Eigenschaften der Erfindung sind in der vorstehenden Offenbarung vollständig beschrieben. Ein Fachmann wird die Erfindung verstehen und verschiedene Veränderungen daran vornehmen, ohne von ihrem Grundgedanken abzuweichen und ohne den Rahmen und die Äquivalente der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

Einzelbett-Druckwechseladsorptionsverfahren zur Trennung von unter Druck, gesetztem Beschickungsgas, das mindestens eine stärker adsorbierbare und mindestens eine weniger stark adsorbierbare Komponente enthält, welches umfasst: (a) das Einleiten des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in ein Beschickungsende eines Adsorbergefäßes, enthaltend ein festes Adsorptionsmittel, das vorzugsweise die stärker adsorbierbare Komponente adsorbiert, das Abziehen eines aus dem Adsorber strömenden Gases, das mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereichert ist, von einem Produktende des Adsorbergefäßes, das Einleiten des aus dem Adsorber strömenden Gases in einen ersten Gaslagertank und das Abziehen eines endgültigen Gasprodukts aus dem ersten Gaslagertank; (b) das Beenden der Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Adsorbergefäß und die Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von Gas daraus und das Einleiten des abgezogenen Gases in einen zweiten Gaslagertank; (c) die weitere Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von zusätzlichem Gas daraus; (d) das Spülen des Adsorbergefäßes durch Einleiten von Gas aus dem zweiten Gaslagertank in das Adsorbergefäß, während weiterhin Gas daraus abgezogen wird; (e) das Beenden der Einleitung von Gas aus dem zweiten Gaslagertank in das Adsorbergefäß und unmittelbar danach den erneuten Druck aufbau im Adsorbergefäß durch Einleitung von unter Druck gesetztem Beschickungsgas in dessen Beschickungsende; und (f) die Wiederholung von (a) bis (e) auf zyklische Weise.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Beschickungsgas Luft, die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff und die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während (b) bis (e) ein endgültiges Gasprodukt aus dem ersten Gaslagertank abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Teil der Spülung des Adsorbergefäßes in (d) abläuft, während der Druck darin abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Teil der Spülung des Adsorbergefäßes in (d) abläuft, während der Druck darin auf einem Minimalwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Teil der Spülung des Adsorbergefäßes in (d) abläuft, während der Druck darin zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zweite Gaslagertank ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mehr als etwa 5 hat und bei dem außerdem in (b) Gas an einem Ende in den Tank eingeleitet und in (d) am gleichen Ende aus dem Tank abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem anschließend an (b) die weitere Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von zusätzlichem Gas daraus und das Einleiten des abgezogenen Gases in einen dritten Gaslagertank umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, das außerdem anschließend an (d) das Spülen des Adsorbergefäßes durch das Einleiten von Gas aus dem dritten Gaslagertank in das Adsorbergefäß, während weiterhin Gas aus dem Adsorptionsgefäß abgezogen wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Abschluss der Einleitung des unter Druck gesetzten Beschickungsgases in das Adsorbergefäß und vor der Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von Gas daraus und Einleiten des daraus abgezogenen Gases in einen zweiten Gaslagertank außerdem die Druckwegnahme im Adsorbergefäß durch Abziehen von Gas daraus und Einleiten des daraus abgezogenen Gases in den ersten Gaslagertank umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Teil der zusätzlichen Druckwegnahme in (c) durch Ablassen von Gas aus dem Adsorbergefäß in die Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Mindestdruck unter dem atmosphärischen Druck liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Beschickungsgas Luft, die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff und die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist und bei dem ein Teil des unter Druck gesetzten Beschickungsgases für den erneuten Druckaufbau im Adsorbergefäß atmosphärische Luft ist, die in das Adsorbergefäß strömt, während der Gefäßdruck unter dem atmosphärischen Druck liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Spülen des Adsorbergefäßes in (d) dadurch erfolgt, dass man (d1) Gas aus dem zweiten Gaslagertank mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit in das Adsorbergefäß leitet, und (d2) das Gas aus dem zweiten Gaslagertank mit einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit, die höher ist als die erste Strömungsgeschwindigkeit, in das Adsorbergefäß leitet, während man während (d1) und (d2) weiterhin Gas aus dem Adsorbergefäß abzieht.