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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Druckwechseladsorption ist ein bekanntes Verfahren zur Trennung
von Luft, um an Stickstoff oder Sauerstoff reiche Produkte zu gewinnen.
Eine spezielle Anwendung ist die Gewinnung von Sauerstoff aus Luft unter
Einsatz zeolithischer Adsorptionsmittel, um ein Produktgas zu ergeben,
das bis zu 95 Vol.-% Sauerstoff enthält. Bei dieser Produktreinheit
ist die verbleibende Komponente im Gasprodukt im Wesentlichen Argon, weil
Argon und Sauerstoff mit Bezug auf Stickstoff auf typischen im Handel
erhältlichen
Zeolithadsorptionsmitteln ähnliche
Adsorptionseigenschaften haben. Die Adsorptionsselektivität von Argon
in Bezug auf Sauerstoff ist typischerweise nahe oder unterhalb der
Einheit für
diese Adsorptionsmittel.
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Kürzlich durchgeführte Arbeiten
auf dem Gebiet der Lufttrennung durch Adsorption haben gezeigt, dass
bestimmte mit Silber ausgetauschte Zeolithen, insbesondere mit Silber
ausgetauschte Zeolithen vom Typ X, eine Adsorptionsselektivität für Argon
gegenüber
Sauerstoff aufweisen, die es möglich
macht, Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 95% herzustellen.
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Über die
Verwendung von mit Silber ausgetauschten Zeolithen in Druckwechseladsorptionsverfahren zur
Sauerstoffgewinnung ist von verschiedenen Fachleuten auf diesem
Gebiet berichtet worden. US-A-5,226,933 offenbart ein Druckwechseladsorptionsverfahren,
bei dem ein Bett aus Silbermordenit dazu verwendet wird, Sauerstoff
von einem Gas zu trennen, das 95% Sauerstoff und 5% Argon enthält, um eine Sauerstoffreinheit
von mindestens etwa 99,7% zu erreichen. US-A-5,470,379 beschreibt ein Verfahren
zur Entfernung von Argon aus einem Sauerstoff und Argon enthaltenden
Beschickungsgasstrom, um einen Sauerstoffstrom von hoher Reinheit
zu erhalten. In diesem Verfahren wird ein Bett verwendet, das einen
mit Silber ausgetauschten Zeolithen vom Typ X umfasst. Darin sind
mindestens 80% der verfügbaren
Ionenstellen von Silber besetzt.
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Die
Japanische Patentanmeldung Kokai Nr. H10-152305 (Anmelde-Nr. H8-311051) offenbart
eine Druckwechseladsorptionsvorrichtung zur Sauerstofferzeugung.
Darin wird eine Adsorptionssäule
mit einer Stickstoff adsorbierenden Schicht verwendet, die Stickstoff
selektiv aus einem Stickstoff, Sauerstoff und Argon enthaltenden
Beschickungsgas entfernt. Die Stickstoff adsorbierende Schicht enthält mindestens
einen Zeolithen vom Typ X, der einem Ionenaustausch mit Silber unterzogen
wurde. Die Adsorptionssäule
kann mehr als eine Schicht enthalten, und die Schicht auf der Seite
der Säule,
wo das Gas austritt, enthält
einen mit Ag-Ionen ausgetauschten Zeolithen vom Typ X. Wie es heißt, wird
Argon leichter adsorbiert als Sauerstoff, und es kann ein Gasprodukt,
das 95% Sauerstoff oder mehr enthält, erhalten werden.
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Ein
Apparat zur Erzeugung von hochreinem Sauerstoff aus Luft ist in
EP 0 761 282 A2 offenbart. Darin enthält der Apparat ein Druckgefäß, in dem
sich ein erstes Bett aus Adsorptionsmittel befindet, welches bevorzugt
Stickstoff adsorbiert. Beabstandet davon befindet sich ein zweites
Bett aus Adsorptionsmittel, das bevorzugt Argon adsorbiert.
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N.
D. Hutson et al. beschreiben in einem Artikel mit dem Titel "Mixed Cation Zeolites:
LiXAgy-X as a Superior
Adsorbent for Air Separation",
veröffentlicht
im AlChE Journal, April 1999, Band 45, Nr. 2, S. 724–734, die
Verwendung eines mit Silber ausgetauschten Li-Na-X-Zeolithen zur
Lufttrennung. Eine Simulierung eines Standard-PSA-Verfahrens mit
fünf Schritten
wurde unter Verwendung eines einziges Bettes aus Li94.2Na0.7Ag1.1-X-Zeolith
mit einem Si/Al-Verhältnis
von 1,0 durchgeführt.
In der Simulation verwendete man ein Beschickungsgas aus 22% Sauerstoff
und 78% Stickstoff. Es wurde berichtet, dass man bei einer Sauerstoffgewinnung
von 62,74% eine Reinheit des Sauerstoffprodukts von 96,42% erzielt.
R. T Yang et al. offenbaren ähnliche
Simulationsergebnisse in der PCT Internationalen Patentschrift WO
00/40332.
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N.
D. Hutson et al. beschreiben die Eigenschaften von Li-Ag-X-Zeolithen
bei der Lufttrennung in einem Artikel mit dem Titel "Structural Effects
on Adsorption of Atmospheric Gases in Mixed Li,Ag-X-Zeolite", veröffentlicht
im AlChE Journal, November 2000, Band 46, Nr. 11, S. 2305–2317.
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US-A-4,880,443
offenbart eine Reihe von Adsorptionssystemen mit zwei Betten zur
Gewinnung von Sauerstoff aus Luft. Darin wird Stickstoff selektiv
in einem ersten Bett adsorbiert, das einen Zeolithen enthält, und
Argon wird selektiv in einem zweiten Bett adsorbiert, das ein Kohlenstoffmolekularsieb
enthält.
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Die
Erzeugung von hochreinem Sauerstoff, der mehr als 95 Vol.-% Sauerstoff
enthält,
aus Luft durch Druckwechseladsorption mit entsprechend hoher Sauerstoffgewinnung
ist ein wichtiges Ziel, das auf dem Sektor der Industriegase angestrebt
wird. Die Herstellung von hochreinem Sauerstoff mit 97 Vol.-% oder
mehr ist für
bestimmte Märkte
besonders wünschenswert.
Die im folgenden beschriebene und durch die Ansprüche definierte
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Druckwechseladsorptionsverfahren über mehrere
Zonen, bei dem Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 97% aus
der Luft gewonnen und gleichzeitig das Adsorptionsmittel durch das
System mit mehreren Zonen bestmöglich
genutzt wird.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Bei
der Erfindung handelt es sich um eine Kombination aus einer vorwärts fließenden Stufe,
die Teil eines cyclischen Druckwechseladsorptionsverfahrens zur
Gewinnung von Sauerstoff aus einem Sauerstoff, Stickstoff und Argon
umfassenden Beschickungsgas ist. Die kombinierte vorwärts fließende Stufe
umfasst (a) das Leiten des Beschickungsgases in eine erste Adsorptionszone,
die ein für
die Adsorption von Stickstoff gegenüber Sauerstoff und Argon selektives
Adsorptionsmittel enthält,
und Abziehen eines an Stickstoff verarmten Zwischengases daraus;
(b) das Leiten des an Stickstoff verarmten Zwischengases in eine
zweite Adsorptionszone, enthaltend ein Adsorptionsmittel, das für die Adsorption
von Stickstoff gegenüber
Argon selektiv ist und für
die Adsorption von Argon gegenüber
Sauerstoff selektiv ist; (c) das Abziehen eines mit Sauerstoff angereicherten
Produktgases aus der zweiten Adsorptionszone; und (d) das Beenden
der Einleitung von Beschickungsgas in die erste Adsorptionszone
und Abziehen eines mit Sauerstoff angereicherten Gases zur Druckwegnahme
aus der zweiten Adsorptionszone in die gleiche Fließrichtung
wie (c). Dabei kommt es zum Stickstoffdurchbruch aus der ersten
Adsorptionszone, und nach dem Stickstoffdurchbruch wird Stickstoff
in der zweiten Adsorptionszone adsorbiert.
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Der
Stickstoffdurchbruch aus der ersten Adsorptionszone kann während (a)
eintreten, und Stickstoff kann nach dem Stickstoffdurchbruch in
der zweiten Adsorptionszone adsorbiert werden. Alternativ kann der Stickstoffdurchbruch
aus der ersten Adsorptionszone während
(d) eintreten, und Stickstoff kann nach dem Stickstoffdurchbruch
in der zweiten Adsorptionszone adsorbiert werden.
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Die
Stickstoffkonzentration in dem an Stickstoff verarmten Zwischengas,
das nach dem Stickstoffdurchbruch aus der ersten Adsorptionszone
abgezogen wurde, kann zwischen etwa 0,5 Vol.-% und der Stickstoffkonzentration
in dem in die erste Adsorptionszone eintretenden Beschickungsgas
liegen. Vorzugsweise enthält
das mit Sauerstoff angereicherte Gasprodukt mindestens 97 Vol.-%
Sauerstoff.
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Das
Adsorptionsmittel in der ersten Adsorptionszone kann ein oder mehrere
Adsorptionsmittel umfassen, ausgewählt aus der aus NaX, CaX, CaA,
LiNaKX, LiZnX bestehenden Gruppe, wobei X für einen X-Zeolithen mit einem
Si/Al-Verhältnis zwischen
etwa 1,0 und etwa 1,25 steht.
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Das
Adsorptionsmittel in der zweiten Adsorptionszone umfasst vorzugsweise
einen mit Silber ausgetauschten X-Zeolithen, der ein Verhältnis der
Argonkonstante nach dem Henry'schen
Gesetz zur Sauerstoffkonstante nach dem Henry'schen Gesetz bei 23°C von mindestens etwa 1,05 hat
und der ein Silberionenaustauschniveau von weniger als oder gleich
etwa 0,7 der gesamten austauschbaren Stellen im Zeolithen aufweist.
Die Kationen des X-Zeolithen umfassen Li und Ag, die Ionenaustauschkationenzusammensetzung
hat die Form LixAgyMzX, wobei gilt 0,85 ≤ x + y ≤ 1, 0,2 ≤ y ≤ 0,7 und 0,0 ≤ z ≤ 0,15, wobei M ein oder mehrere Kationen
bedeutet und x, y und z Fraktionen der gesamten austauschbaren Stellen
im Zeolithen bedeuten. Das Adsorptionsmittel kann ein Silicium/Aluminiumverhältnis von
weniger als etwa 1,25 und eine Argon/Sauerstoff-Selektivität von mehr
als etwa 1,05 aufweisen.
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Das
Beschickungsgas ist vorzugsweise Luft. Alternativ kann das Beschickungsgas
Sauerstoff, Stickstoff und Argon umfassen, wobei die Sauerstoffkonzentration
im Beschickungsgas zwischen etwa 20 und etwa 95 Vol.-% und die Argonkonzentration
im Beschickungsgas zwischen etwa 1 und etwa 5 Vol.-% betragen kann.
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Das
von der zweiten Adsorptionszone belegte Volumen kann größer als
etwa 35% und kleiner als 100% des durch die erste und die zweite
Adsorptionszone belegten Gesamtvolumens sein. Vorzugsweise ist das
von der zweiten Adsorptionszone belegte Volumen größer als
50% und kleiner als 100% des durch die erste und die zweite Adsorptionszone
belegten Gesamtvolumens. Stärker
bevorzugt ist das von der zweiten Adsorptionszone belegte Volumen
größer als
50 und kleiner oder gleich etwa 75% des durch die erste und die zweite
Adsorptionszone belegten Gesamtvolumens. Die erste und zweite Adsorptionszone
können
einzelne Adsorptionsmittelschichten in einem einzigen Gefäß umfassen.
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In
einer Ausführungsform
kann das Beschickungsgas durch ein Gasprodukt aus einem anderen Druckwechseladsorptionsverfahren
zur Verfügung
gestellt werden, wobei das Gasprodukt bis zu etwa 95 Vol.-% Sauerstoff
enthält.
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Die
Erfindung umfasst auch einen Adsorber zur Verwendung in einem Druckwechseladsorptionsverfahren
zur Gewinnung von Sauerstoff aus einem Sauerstoff, Stickstoff und
Argon umfassenden Beschickungsgas. Dieser Adsorber umfasst:
- (a) ein Gefäß mit einem
Einlassende und einem Auslassende;
- (b) eine erste Adsorptionszone, die ein Adsorptionsmittel enthält, das
selektiv für
die Adsorption von Stickstoff gegenüber Sauerstoff und Argon ist;
- (c) eine zwischen der ersten Adsorptionszone und dem Auslassende
angeordnete zweite Adsorptionszone, wobei die zweite Adsorptionszone
ein Adsorptionsmittel enthält,
das selektiv für
die Adsorption von Stickstoff gegenüber Argon und selektiv für die Adsorption
von Argon gegenüber
Sauerstoff ist und wobei das durch die zweite Adsorptionszone belegte
Volumen größer als
50% und kleiner als 100% des durch die erste und zweite Adsorptionszone
belegten Gesamtvolumens ist,
- (d) eine Rohrleitungsvorrichtung am Einlassende, um das Beschickungsgas
in den Adsorber zu leiten, und
- (e) eine Rohrleitungsvorrichtung am Auslassende, um ein Sauerstoffproduktgas
aus dem Adsorber abzuziehen.
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Die
erste und die zweite Adsorptionszone können jeweils eine erste bzw.
zweite Schicht Adsorptionsmittel im Gefäß umfassen. Im Adsorber ist
das durch die zweite Adsorptionsmittelschicht belegte Volumen größer als
50% und kleiner als oder gleich etwa 75% des durch die erste und
zweite Adsorptionsmittelschicht belegten Gesamtvolumens.
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Das
Adsorptionsmittel in der ersten Adsorptionsmittelschicht kann ein
oder mehrere Adsorptionsmittel umfassen, ausgewählt aus der aus NaX, CaX, CaA,
LiNaKX, LiZnX bestehenden Gruppe, worin X für einen X-Zeolithen mit einem
Si/Al-Verhältnis
zwischen etwa 1,0 und etwa 1,25 steht. Das Adsorptionsmittel in
der zweiten Schicht umfasst vorzugsweise einen mit Silber ausgetauschten
X-Zeolithen, in
dem das Verhältnis
der Argonkonstante nach dem Henry'schen Gesetz zur Sauerstoffkonstante
nach dem Henry'schen
Gesetz bei 23°C
mindestens etwa 1,05 beträgt
und in dem das Silberionenaustauschniveau weniger als oder gleich
etwa 0,7 der gesamten austauschbaren Stellen im Zeolithen ist. Das
Adsorptionsmittel in der zweiten Schicht umfasst vorzugsweise einen
X-Zeolithen mit einer Ionenaustauschkationenzusammensetzung der
Form LixAgyMzX, wobei gilt 0,85 ≤ x + y ≤ 1, 0,2 ≤ y ≤ 0,7 und 0,0 ≤ z ≤ 0,15, wobei M ein oder mehrere
Kationen bedeutet und x, y und z Fraktionen der gesamten austauschbaren
Stellen im Zeolithen bedeuten. Vorzugsweise weist das Adsorptionsmittel
ein Silicium/Aluminiumverhältnis
von weniger als etwa 1,25 und eine Argon/Sauerstoff-Selektivität von mehr
als etwa 1,05 auf.
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Kurze Beschreibung
verschiedener Ansichten der Zeichnungen
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1 ist
eine maßstäbliche Aufzeichnung
der Produktivität
gegenüber
Vol.-% AgLiNaKLSX, die durch eine Simulation eines Druckwechseladsorptionsverfahrens
mit zwei Betten bestimmt wurde. Damit wird ein erfindungsgemäßes Sauerstoffprodukt
mit 99 Vol.-% zur Verfügung
gestellt.
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2 ist
eine maßstäbliche Aufzeichnung
der Sauerstoffgewinnung gegenüber
der Reinheit des Sauerstoffprodukts bei verschiedenen Vol.-% AgLiNaKLSX,
die durch eine Simulation eines Druckwechseladsorptionsverfahrens
mit zwei Betten bestimmt wurde.
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3 ist
eine Aufzeichnung der Stickstoffisothermen bei verschiedenen Temperaturen
auf dem in der Erfindung verwendeten AgLiNaKLSX-Zeolithen.
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4 ist
eine Aufzeichnung der Argonisothermen bei verschiedenen Temperaturen
auf dem in der Erfindung verwendeten AgLiNaKLSX-Zeolithen.
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5 ist
eine Aufzeichnung der Sauerstoffisothermen bei verschiedenen Temperaturen
auf dem in der Erfindung verwendeten AgLiNaKLSX-Zeolithen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Bei
der Erfindung handelt es sich um ein Druckwechseladsorptionsverfahren
(PSA-Verfahren) für
die Gewinnung von hochreinem Sauerstoff aus einem Sauerstoff Stickstoff
und Argon umfassenden Beschickungsgas. Dieses Verfahren kann mit
cyclischen Schritten bei Drücken über und
unter dem atmosphärischen Druck
betrieben werden und wird manchmal auch als Vakuumwechseladsorption
(VSA) oder Vakuum-Druckwechseladsorption (VPSA) bezeichnet. In dieser
Patentschrift wird der Begriff Druckwechseladsorption (PSA) als
generische Bezeichnung verwendet, um alle Typen cyclischer Druckwechseladsorptionssysteme
ungeachtet der Höhe
des Betriebsdruckes zu beschreiben.
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Typischerweise
ist das Beschickungsgas Luft; alternativ kann das Beschickungsgas
ein Gasgemisch sein, das Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthält. Beispielsweise
kann das Beschickungsgas in einer Ausführungsform der Erfindung das
Gasprodukt aus einem Standard-Sauerstoff-VSA-System sein, das Sauerstoff
mit einer Reinheit von bis zu etwa 95% erzeugt, wobei der Rest aus
Stickstoff und Argon besteht. In dieser Ausführungsform kann die Sauerstoffkonzentration
in diesem Beschickungsgas zwischen 20 und 95 Vol.-% und die Argonkonzentration
in diesem Beschickungsgas zwischen etwa 1 und etwa 5 Vol.-% betragen.
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Bevorzugt
verwendet man in diesem Verfahren zwei in Reihe geschaltete Adsorptionszonen,
in denen die erste Adsorptionszone ein Adsorptionsmittel enthält, das
selektiv für
die Adsorption von Stickstoff gegenüber Argon und Sauerstoff ist.
Die zweite Zone enthält
ein Adsorptionsmittel, das selektiv für die Adsorption von Stickstoff
gegenüber
Argon und selektiv für
die Adsorption von Argon gegenüber
Sauerstoff ist. Die Zonen können
in Reihe geschaltete getrennte Adsorbergefäße sein, umfassen jedoch bevorzugt
Schichten von Adsorptionsmittel in einem einzigen Adsorbergefäß. In der
folgenden Beschreibung wird ein einziges Adsorbergefäß mit mindestens
zwei Schichten Adsorptionsmittel verwendet. Auf Wunsch kann eine
weitere Schicht Adsorptionsmittel am Einlass des Adsorbergefäßes verwendet
werden, um Wasser, Kohlendioxid und andere Verunreinigungen aus
der als Beschickung verwendeten Luft zu adsorbieren, ehe das Haupttrennverfahren
beginnt.
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In
der ersten Adsorptionszone kann jedes Adsorptionsmittel verwendet
werden, das selektiv Stickstoff gegenüber Sauerstoff und Argon adsorbiert.
Beispiele bekannter Adsorptionsmittel für diese Aufgabe umfassen NaX,
CaX, CaA, LiNaKX, LiZnX, wobei X für einen X-Zeolithen mit einem
Si/Al-Verhältnis
zwischen etwa 1,0 und etwa 1,25 steht. Das in der zweiten Adsorptionszone
verwendete Adsorptionsmittel umfasst einen mit Silberionen ausgetauschten
Zeolithen vom Typ X, vorzugsweise einen mit Silberionen ausgetauschten
Lithiumzeolithen vom Typ X. Ein bevorzugtes Adsorptionsmittel ist
ein mit Silber ausgetauschter Zeolith vom Typ X, z. B. ein mit Silber
ausgetauschter Lithium-X-Zeolith der Form LixAgyMzX, wobei gilt
0,85 ≤ x
+ y ≤ 1,
0,2 ≤ y ≤ 0,7 und 0,0 ≤ z ≤ 0,15, wobei
M ein oder mehrere Kationen bedeutet und x, y und z Fraktionen der
gesamten austauschbaren Stellen im Zeolithen bedeuten. M kann eine
kationische Form eines oder mehrerer aus Alkali- oder Erdalkalimetallen,
Seltenerden, Übergangsmetallen
oder Metallen der Gruppe IIIA ausgewählten Elemente sein. Vorzugsweise
ist M eine kationische Form eines oder mehrerer aus der aus Na,
K, Cs, Mg, La, Ce, Ca, Al oder Zn bestehenden Gruppe ausgewählter Elemente.
Vorzugsweise hat das Adsorptionsmittel ein Verhältnis von Silicium zu Aluminium
von weniger als etwa 1,25 und ein Argon/Sauerstoff-Selektivität von mehr als
etwa 1,05.
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In
dieser Offenbarung wird die Selektivität im Allgemeinen als Adsorptionsgrad
einer Komponente bezogen auf den Adsorptionsgrad einer anderen Komponente
auf einem bestimmten Adsorptionsmittel definiert. Die Selektivität einer
ersten Komponente gegenüber
einer zweiten Komponente wird hier spezifisch als das Verhältnis der
Konstante der ersten Komponente nach dem Henry'schen Gesetz zur Konstante der zweiten Komponente
nach dem Henry'schen
Gesetz definiert, wobei die Konstanten nach dem Henry'schen Gesetz aus
den jeweiligen Adsorptionsisothermen bei einer Temperatur von 23°C definiert
werden. Die Konstante nach dem Henry'schen Gesetz wird als anfängliches
Gefälle
der reinen Gasadsorptionsisotherme bei einer niedrigen Absorbatbeladung,
wo die Isotherme linear ist, definiert. Das Adsorptionsmittel in
der zweiten Adsorptionszone ist vorzugsweise ein mit Silber ausgetauschter
X-Zeolith, der ein Verhältnis
der Argonkonstante nach dem Henry'schen Gesetz zur Sauerstoffkonstante
nach dem Henry'schen
Gesetz bei 23°C
von mindestens etwa 1,05 hat und das über ein Silberaustauschniveau
von weniger oder gleich etwa 0,7 der gesamten Austauschstellen im
Zeolithen verfügt.
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Das
die beiden Adsorptionszonen mit zwei Adsorptionsmittelschichten
umfassende Adsorptionsgefäß wird unter
Einsatz der bekannten cyclischen Verfahrensschritte der Druckwechseladsorption,
nämlich
Adsorption, Druckwegnahme, Evakuierung, Spülung und erneuter Druckaufbau
betrieben. Dabei kann jede geeignete Kombination und Modifikation
dieser cyclischen Schritte verwendet werden. Das Verfahren kann
ein einziges Adsorbergefäß mit einem
oder mehreren Lagertanks zur Lagerung des früher im Zyklus erzeugten Gasproduktes,
das später
im Zyklus zum Spülen
und/oder zum erneuten Druckaufbau verwendet wird, verwenden. Alternativ
können
nacheinander zwei oder mehrere parallel geschaltete Adsorbergefäße mit überlappenden
Zyklusschritten betrieben werden; in dieser Alternative können Gaslagertanks
erforderlich sein oder nicht.
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Der
Adsorptionsschritt wird als Zeitraum im Adsorptionszyklus definiert,
während
dem Beschickungsgas in das oder die Adsorbergefäße eingeleitet wird, während ein
an einer der Beschickungskomponenten reiches Gas, das typischerweise
als Gasprodukt definiert wird, aus dem oder den Gefäßen abgezogen
wird. Die Richtung des Gasstroms im Adsorptionsschritt wird als
Beschickungs- oder Vorwärtsrichtung
definiert. Der Druck im Adsorbergefäß während des Adsorptionsschrittes
kann konstant sein oder je nach den relativen Geschwindigkeiten
bei der Einleitung des Beschickungsgases oder beim Abzug des Gasprodukts
verändert
werden. Der Adsorptionsschritt läuft
so ab, dass Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthaltendes Beschickungsgas in
ein Adsorbergefäß eingespeist
wird, das zuvor regeneriert und wieder auf den Anfangsdruck des
Adsorptionsschrittes gebracht wurde. Das Beschickungsgas ist typischerweise
Luft, die auf den erwünschten
Druck verdichtet wurde, obwohl das Beschickungsgas auch jedes beliebige
Sauerstoff, Stickstoff und Argon enthaltendes Gasgemisch sein kann.
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Das
Beschickungsgas strömt
durch die erste Adsorptionsmittelschicht, in der Stickstoff gegenüber Sauerstoff
und Argon bevorzugt adsorbiert wird. Dann strömt das an Stickstoff verarmte
Zwischengas durch die zweite Adsorptionsschicht, in der Argon gegenüber Sauerstoff
bevorzugt adsorbiert wird. Das an Stickstoff verarmte Zwischengas
kann wie nachstehend beschrieben rückständigen Stickstoff enthalten.
In diesem Fall würde
dieser restliche Stickstoff während
mindestens eines Teils des Adsorptionsschrittes in der zweiten Adsorptionsmittelschicht
adsorbiert. Die Sauerstoffgasprodukt von hoher Reinheit, das vorzugsweise
mindestens 97 Vol.-% Sauerstoff umfasst, fließt aus der zweiten Adsorptionsmittelschicht
und wird aus dem Adsorbergefäß abgezogen.
Der Adsorptionsschritt endet, wenn der Strom des Beschickungsgases
in das Adsorbergefäß angehalten
wird.
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Der
hier verwendete Begriff "an
Stickstoff verarmtes Zwischengas" bedeutet
ein Gas, das während
des Adsorptionsschrittes aus der ersten Adsorptionsmittelschicht
abgezogen wird. Dieses an Stickstoff verarmte Zwischengas kann eine
Stickstoffkonzentration von 0 Vol.-% bis zur Stickstoffkonzentration
im Beschickungsgas für
die erste Adsorptionsmittelschicht haben.
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Der
Schritt der Druckwegnahme schließt sich an den Adsorptionsschritt
an und geht dem Blowdown- und/oder Evakuierungsschritt voraus (sofern
diese eingesetzt werden). Während
der Druckwegenahme wird der Druck im Adsorbergefäß typischerweise in Vorwärtsrichtung
weggenommen, d. h. in der gleichen Richtung, in der der Beschickungsgasstrom
im Adsorptionsschritt fließt.
Dann wird mit Sauerstoff angereichertes Druckwegnahmegas bei abnehmendem
Druck abgezogen, um als Gas zum erneuten Druckaufbau und/oder als Spülgas eingesetzt
zu werden. Dieses mit Sauerstoff angereicherte Gas kann als Gasprodukt
verwendet werden. Wenn ein einziges Adsorbergas verwendet wird,
kann dieses mit Sauerstoff angereicherte Gas in einem oder mehreren
Gaslagertanks gelagert werden, um später zum Wiederaufbau des Drucks
und/oder zum Spülen
des Adsorbergefäßes verwendet
zu werden. Werden zwei oder mehrere parallel geschaltete Adsorbergefäße nacheinander
mit überlappenden
Zyklusschritten betrieben, sind Gaslagertanks möglicherweise nicht erforderlich,
und das aus einem bestimmten Adsorbergefäß abgezogene mit Sauerstoff
angereicherte Gas kann direkt in einem oder mehreren anderen Adsorbergefäßen zum
erneuten Druckaufbau und/oder zum Spülen verwendet werden. Ein signifikanter
Teil des zum erneuten Druckaufbau verwendeten mit Sauerstoff angereicherten
Gases wird als Produkt im Adsorptionsschritt des nächsten Adsorptionsverfahrenszyklus
gewonnen. Daher ist es wünschenswert,
das Volumen zu optimieren und die Reinheit des Druckwegnahmegases,
das zur Verwendung beim erneuten Druckaufbau abgezogen wird, zu
maximieren.
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Der
Schritt der Druckwegnahme unterscheidet sich insofern von den "Blowdown"- und/oder Evakuierungsschritten
als der Gasstrom in letzteren gegenläufig ist (d. h. entgegengesetzt
zur Beschickungsrichtung) und das aus diesen Schritten abgezogene
Gas typischerweise abgeblasen oder als Nebenprodukt verwendet wird.
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Der
Adsorptionsschritt und der Schritt der Druckwegnahme können in
Kombination als kombinierte Stufe in Vorwärtsrichtung definiert werden,
während
der mit Sauerstoff angereichertes Gas im Gleichstrom (d. h. in Beschickungsrichtung)
abgezogen wird.
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Zum
hier definierten Stickstoffdurchbruch kommt es zu einem Zeitpunkt
während
der Stufe des Vorwärtsflusses,
in der der vordere Teil einer Stickstoffadsorptions-Stoffaustauschzone
oder einer Stickstoffdesorptions-Stoffaustauschzone das Ende der
ersten Adsorptionsmittelschicht erreicht und Stickstoff in die zweite
Adsorptionsmittelschicht gelangt. Zum Stickstoffdurchbruch kann
es kommen, wenn nicht adsorbierter Stickstoff während des Adsorptionsschrittes
in die zweite Adsorptionsmittelschicht gelangt. Wenn es während des Adsorptionsschrittes
nicht zu einem Stickstoffdurchbruch kommt, erfolgt dieser während des
Schrittes der Druckwegnahme, wenn desorbierter Stickstoff aus der
ersten Adsorptionsmittelschicht in die zweite Adsorptionsmittelschicht
gelangt. Die Konzentration von Stickstoff in dem in die zweite Adsorptionsmittelschicht
fließenden
Gas beim Durchbruch liegt typischerweise im Bereich zwischen einem
Minimum von etwa 0,5 Vol.-% und einem Maximum der Stickstoffkonzentration
in dem in die erste Adsorptionsmittelschicht eintretenden Beschickungsgas.
Nach dem Stickstoffdurchbruch wird aus der ersten Adsorptionsschicht
austretender Stickstoff vorzugsweise in der zweiten Adsorptionsschicht
adsorbiert. Nach dem Durchbruch nimmt die Stickstoffkonzentration
in dem aus der ersten Adsorptionsmittelschicht austretenden Gas
zu. Wenn man den Adsorptionsschritt nach dem Durchbruch aus der
ersten Adsorptionsmittelschicht lange genug durchführt, kann
das Adsorptionsmittel in der ersten Schicht eine Stickstoffsättigung
erreichen.
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Die
Konzentration von Stickstoff im Gas an einer beliebigen axialen
Stelle in der ersten oder zweiten Adsorptionsschicht im Adsorbergefäß zu jeder
beliebigen Zeit während
der Vorwärtsstromstufe
wird als durchschnittliche Konzentration definiert, die über den
Querschnitt des senkrecht zur Fließrichtung verlaufenden Adsorptionsmittelbettes
bestimmt wurde.
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Wenn
das Stickstoffkonzentrationsprofil zu Beginn des Adsorptionsschrittes
für die
gewählten
Betriebsbedingungen in der ersten Adsorptionsmittelschicht enthalten
ist, ist die anfängliche
Stickstoffkonzentration in dem während
des Adsorptionsschrittes aus der ersten Adsorptionsmittelschicht
austretenden Gas typischerweise auf niedrigem Niveau relativ konstant
und liegt z. B. unter etwa 0,5 Vol.-%.
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Das
Stickstoffkonzentrationsprofil wird als Stickstoffkonzentration
als Funktion des axialen Abstandes in einer Adsorptionsmittelschicht
zu einer bestimmten Zeit definiert. Nachdem der vordere Teil des
Stickstoffkonzentrationsprofils das Ende dieser Schicht erreicht
hat, kommt es zum Durchbruch, und die Konzentration von aus der
ersten Adsorptionszone abgezogenem Stickstoff steigt rasch an. Das
heißt,
es kommt während des
Adsorptionsschrittes zum Durchbruch. Wenn das Stickstoffkonzentrationsprofil
zu Beginn des Adsorptionsschrittes für die gewählten Betriebsbedingungen nicht
in der ersten Adsorptionsmittelschicht enthalten ist, beginnt die
Stickstoffkonzentration in dem aus der ersten Adsorptionsmittelschicht
austretenden Gas sofort zu steigen. In diesem Fall tritt der Durchbruch
zu Beginn des Adsorptionsschrittes ein.
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Der
Adsorptionsschritt läuft
(1) über
einen vorher festgelegten Zeitraum oder (2) bis ein bevorzugter Grad
des Stickstoffdurchbruchs aus der ersten Adsorptionsmittelschicht
erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Strom des Beschickungsgases
in das Adsorbergefäß abgestellt,
und der Adsorptionsschritt endet. Mit Sauerstoff angereichertes
Gas wird bei abnehmendem Druck weiterhin aus dem Adsorbergefäß abgezogen,
und der Schritt der Druckwegnahme läuft (3) über einen vorher festgelegten
Zeitraum oder (4) bis ein bevorzugter Grad des Stickstoffdurchbruchs
am Ende der ersten Adsorptionsmittelschicht erreicht ist. Wenn (2)
und (4) beim tatsächlichen
Betrieb von Adsorptionssystemen schwer zu bestimmen sind, können die
vorher gewählten Zeiten
(1) und (3) aus der praktischen Erfahrung ermittelt werden, so dass
der Stickstoffdurchbruch während des
Adsorptionsschrittes oder im Schritt der Druckwegnahme eintritt.
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Nach
dem Stickstoffdurchbruch aus der ersten Schicht, der entweder während des
Adsorptionsschrittes oder des Schrittes der Druckwegnahme eintritt,
enthält
das in die zweite Adsorptionsmittelschicht eintretende Gas typischerweise
eine zunehmende Stickstoffkonzentration. Dieser Stickstoff wird
vorzugsweise im ersten Teil der zweiten Adsorptionsmittelschicht
adsorbiert und beginn, das zuvor im Adsorptionsschritt adsorbierte
Argon zu verdrängen.
Dadurch wird bewirkt, dass sich eine Zone desorbierten Argons vor
dem sich bewegenden vorderen Ende des stärker adsorbierten Stickstoffs
bildet, und diese Zone enthält
eine höhere
Argongasphasenkonzentration als das Gas, das früher im Adsorptionsschritt aus
der ersten Adsorptionsmittelschicht in die zweite Adsorptionsmittelschicht
eintritt. Eine Welle von Gas, die diese höhere Argonkonzentration enthält, beginnt
sich durch die zweite Adsorptionsmittelschicht zu bewegen, ein Phänomen, das
als "Argon- Aufrollen" bezeichnet wird.
Diese lokalisierte Zunahme in der Gasphasenkonzentration von Argon
sorgt dafür,
dass mehr Argon adsorbiert wird, was die Argonstoffaustauschzone
in der zweiten Adsorptionsmittelschicht schärft. Dies ist ein erwünschtes
Phänomen,
weil es die Nutzung des Adsorptionsmittels für die Argonentfernung in der
zweiten Adsorptionsmittelschicht verbessert. Dadurch wiederum erhöht sich
die Gewinnung von an Sauerstoff reichem Druckwegnahmegas während des
ersten Teils des Druckwegnahmeschrittes und damit auch die Gesamtgewinnung
des Gasprodukts während
des Adsorptionsschrittes. So wird in der Erfindung bevorzugt, dass
der Stickstoffdurchbruch aus der ersten Schicht des Adsorptionsmittels
entweder während
des Adsorptionsschrittes oder des Schrittes der Druckwegnahme erfolgt.
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Der
Zeitpunkt nach dem Stickstoffdurchbruch aus der ersten Adsorptionsmittelschicht,
zu dem der Adsorptionsschritt beendet wird oder der Druckwegnahmeschritt
beendet wird, hängt
von den Eigenschaften der Adsorptionsmittel in der ersten und zweiten
Adsorptionsmittelschicht, der relativen Tiefe bzw. dem Volumen jeder
Adsorptionsmittelschicht, dem Druck und der Temperatur im Absorbergefäß, der Oberflächengeschwindigkeit
des Gases in den Adsorptionsmittelschichten und der erforderlichen
Reinheit des Sauerstoffprodukts ab. Wenn diese Parameter einmal
festgelegt sind, kann die Betriebszeit nach dem Durchbruch dadurch
gesteuert werden, dass man die Dauer des Adsorptionsschrittes und
des Druckwegnahmeschrittes entsprechend wählt. Wenn eine spezifische
Dauer des Adsorptionsschrittes und des Druckwegnahmeschrittes bevorzugt
wird, kann alternativ auch die erforderliche Tiefe bzw. das Volumen
jeder Adsorptionsmittelschicht festgelegt werden.
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Die
richtige Wahl der Betriebszeit nach dem Durchbruch aus der ersten
Adsorptionsmittelschicht während
des Adsorptionsschrittes und des Druckwegnahmeschrittes ermöglicht eine
optimale Nutzung des Adsorptionsmittels für Stickstoff in der ersten
Adsorptionsschicht und für
Argon in der zweiten Adsorptionsmittelschicht bei der erforderlichen
Reinheit des Sauerstoffprodukts.
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Die
vorstehende Beschreibung der Adsorptionsmittelschichten basiert
auf einem typischen zylindrischen Adsorbergefäß, das die Adsorptionsmittelschichten
mit axialem Gasfluss durch das Gefäß enthält. Auch andere Typen der Adsorberkonfiguration
können
verwendet werden, z. B. radiale Fließbetten oder horizontale Betten
mit Querströmung,
in denen die Merkmale und Vorteile der Erfindung zum Tragen kommen
können.
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In
einem Ansatz zum Aufbau eines Adsorptionssystems kann die Größe jeder
der beiden Adsorptionsmittelschichten so gewählt werden, dass die Sauerstoffproduktion
für eine
bestimmte Reinheit des Sauerstoffprodukts maximiert wird. In einem
zylindrischen Adsorbergefäß, das die
Adsorptionsmittelschichten bei axialem Gasfluss durch das Gefäß enthält (wobei
der Durchmesser des Gefäßes typischerweise
in axialer Richtung konstant ist), können entweder die Tiefe oder
das Volumen dazu verwendet werden, die relative Größe jeder
Schicht zu beschreiben. In der vorliegenden Offenbarung wird die
Volumenbasis verwendet, und das von jeder Schicht belegte Volumen
wird als Volumenprozentsatz des durch die beiden Schichten belegten
Gesamtvolumens beschrieben. Die Volumenbasis wäre z. B. auch in Betten mit
radialem Fluss oder horizontalen Betten mit Querströmung angebracht.
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Wenn
die Zykluszeiten und andere Betriebsparameter festgelegt sind, kann
der Volumenprozentsatz jeder Schicht so gewählt werden, dass man eine erwünschte Betriebszeit
nach dem Stickstoffdurchbruch aus der ersten Schicht festlegen kann.
Wenn der Volumenprozentsatz der zweiten Schicht zu gering ist, kommt
es in dieser zweiten Schicht nicht zum Stickstoffdurchbruch, und
es kann kein Sauerstoff von hoher Reinheit bei praktikablen Produktionsmengen
zur Verfügung
gestellt werden. Ist der Volumenprozentsatz der zweiten Schicht
umgekehrt zu hoch, könnten
die potentiell höheren
Kosten des Adsorptionsmittels in der zweiten Schicht im Vergleich
zu denen der ersten Schicht zu wirtschaftlichen Einbußen führen. Es
wurde im Rahmen dieser Erfindung festgestellt, dass hochreiner Sauerstoff
(d. h. 97 Vol.-% und darüber)
vorzugsweise unter Verwendung von mindestens etwa 35 Vol.-% in der
zweiten Schicht, stärker
bevorzugt zwischen 50 Vol.-% und etwa 75 Vol.-% in der zweiten Schicht,
erzeugt wird.
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Es
sind mehrere Ausführungsformen
der Stufe mit Vorwärtsstrom
möglich.
In einer Ausführungsform wird
das Verfahren so durchgeführt,
dass der Stickstoffdurchbruch aus der ersten Adsorptionsmittelschicht
im letzten Teil des Adsorptionsschrittes erfolgt. In einer anderen
Ausführungsform
kann der Durchbruch aus der ersten Adsorptionsmittelschicht während des
gesamten Adsorptionsschrittes erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform
kommt es nur während
des Schrittes der Druckwegnahme zu einem Durchbruch aus der ersten Adsorptionsmittelschicht.
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Beispiel 1
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Ein
mit Silber ausgetauschter Lithiumzeolith vom Typ X mit geringem
Siliciumoxidanteil wurde durch folgendes Verfahren hergestellt.
Das Ausgangsmaterial war ein Zeolith vom Typ X in Perlenform, mit
0,93 Li, 0,07 Na + K und geringem Siliciumdioxidanteil, dessen Si/Al-Verhältnis 1,0
betrug. Die Fraktion 0,93 beschreibt die Fraktion der gesamten ionenaustauschbaren,
von Li belegten Stellen im Zeolithen, und die Fraktion 0,97 beschreibt
die Fraktion der gesamten ionenaustauschbaren, von Na + K belegten
Stellen im Zeolithen. Man ließ das
Material hydratisieren, indem man 11,355 1 des LiNaKLSX in dünnen Schichten
auf Böden
beließ,
die 48 Stunden der Einwirkung der Atmosphäre ausgesetzt wurden. Die Ausgangslösung wurde
dadurch hergestellt, dass man 2.893,25 g AgNO3 in
4.613 Mol HNO3 in einem 5-Gallonen-Eimer
löste.
Die 11.355 l Perlen wurden dann rasch in den Eimer gegossen und
mit einem Teflonstab gerührt,
um sie zu mischen. Dann beließ man
die Perlen 2 Stunden bei Raumtemperatur in der Lösung. Anschließend wurde
der Inhalt des Eimers auf ein Sieb gegossen, um die Lösung zu
entfernen, und die Perlen wurden wieder in den Eimer gegossen. Als nächstens
wurden den Perlen bei 70°C
1,75 Gallonen entionisiertes Wasser zugegeben und 30 Minuten bei Raumtemperatur
stehen gelassen. Die Spüllösung wurde über ein
Sieb abgegossen; dann wurden an den Perlen zwei weitere Spülungen von
jeweils 30 Minuten vorgenommen. Nach dem Abgießen der letzten Spüllösung ließ man die
Perlen über
Nacht bei Raumtemperatur stehen.
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Ein
Teil des Adsorptionsmittels wurde dadurch aktiviert, dass man 9
ml in eine Stahlröhre
mit einem Durchmesser von 0,5 Inch verbrachte und diese in einen
Standardröhrenofen
legt. Ein Gemisch aus 80% Stickstoff und 20% Sauerstoff wurde mit
einer Geschwindigkeit von 385 ml/min durch das Bett geschickt, wobei folgendes
Temperaturprogramm eingestellt wurde. Die Röhre mit Adsorptionsmittel wurde
30 Minuten auf 30°C gehalten;
dann wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1,2°C pro Minute
rampenartig auf 400°C erhöht. Die
Säule mit
dem Adsorptionsmittel wurde dann 4 Stunden auf 400°C gehalten,
anschließend
auf Raumtemperatur abkühlen
gelassen und herausgenommen. Nach dem Abkühlen wurde die Säule zur
weiteren Verarbeitung in eine mit Stickstoff gespülte Trockenbox
verbracht, um die Readsorption von Wasser zu verhindern.
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Das
durch dieses Verfahren hergestellte zeolithische Adsorptionsmittel
wird als AgLiNaKLSX bezeichnet. Die Fraktionen der gesamten ionenaustauschbaren
Stellen in den durch Li, Ag, und Na + K belegten Stellen in der
Zeolithstruktur betrugen 0,59, 0,39 bzw. 0,03. Auf der Grundlage
des vorher zur Beschreibung des Adsorptionsmittels verwendeten allgemeinen
Formats (d. h. LixAgyMzX) heißt
das x = 0,59, y = 0,39 und z = 0,03. Die Adsorptionsisothermen der
reinen Komponenten für
Sauerstoff, Stickstoff und Argon wurden bei 0, 23, 45 und 70°C unter Verwendung
eines ASAP 2010 von Micrometrics bestimmt. 3, 4 und 5 zeigen
die isothermischen Daten.
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Die
Konstanten nach dem Henry'schen
Gesetz wurden aus den isothermischen Daten bestimmt; die Selektivitäten wurden
als Verhältnisse
der entsprechenden Konstanten berechnet. Es wurden folgende Selektivitäten berechnet:
Argon/Sauerstoff: 1,2, Stickstoff/Sauerstoff: 9,7 und Stickstoff/Argon:
8,3. Die isothermischen Daten wurden an ein duales Langmuir-Modell
für Adsorptionsisothermen
angepasst, wobei man das Verfahren der nichtlinearen kleinsten Fehlerquadrate
verwendete.
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Beispiel 2
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Ein
Druckwechseladsorptionszyklus mit zwei Betten wurde unter Verwendung
eines Adsorptionssäulensimulators
SIMPAC für
drei verschiedene Zusammensetzungen modellhaft dargestellt. Dazu
verwendete man die vorstehend bestimmten isothermischen Daten und
Selektivitäten.
Die Beschickungstemperatur betrug 100°F. Der in der Simulation verwendete
Zyklus war 60 Sekunden lang, wurde zwischen 5 und 20 psia betrieben
und umfasste folgende Schritte:
- (a) Beschickung
(23,5 sec)
- (b) Druckwegnahme (3,5 sec)
- (c) Druckwegnahme/Evakuierung (3 sec)
- (d) Evakuierung/Spülung
(27 sec)
- (e) erneuter Druckaufbau (3 sec).
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Jedes
Bettvolumen in der Simulation umfasste eine Schicht aus einem im
Handel erhältlichen
LiLSX-Adsorptionsmittel am Einlass, die 25% des gesamten Bettvolumens
ausmachte, und eine Schicht aus dem AgLiNaKLSX-Adsorptionsmittel von
Beispiel 1, die die verbleibenden 75% des gesamten Bettvolumens ausmachte.
Der Zyklus wurde durchgeführt,
um ein hochreines Produkt mit 99 Vol.-% Sauerstoff herzustellen.
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Die
Sauerstoffgewinnung und die relative Produktivität wurden für jede der drei Beschickungszusammensetzungen
bestimmt; die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die
Sauerstoffrückgewinnung wird
als Prozentsatz von als Produkt gewonnenem Sauerstoff im Beschickungsgas
definiert. Die Produktivität wird
als Sauerstoffproduktionsrate definiert.
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Tabelle
1
Ergebnisse einer Simulation eines 2-Bett-Zyklus
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Die
Ergebnisse dieser Simulation zeigten, dass sowohl die Sauerstoffgewinnung
als auch die relative Produktivität am geringsten sind, wenn
das Beschickungsgas keinen Stickstoff enthält. Dies deutet darauf hin, dass
ein Beschickungsgas bevorzugt wird, das zumindest etwas Stickstoff
enthält.
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In
praktischen Anwendungen werden höhere
Stickstoffkonzentrationen im Beschickungsgas (wie z. B. Luft) für eine hohe
Sauerstoffgewinnung bevorzugt. Dies wäre nützlich beim Betrieb eines PSA-Systems,
bei dem die zum Verdichten des Beschickungsgases erforderliche Energie
minimal gehalten werden sollte. In Situationen, in denen die Energie
weniger wichtig ist (z. B. bei kleineren PSA-Systemen), würde eine
höhere
Produktivität
bevorzugt und wäre
bei einer geringeren Stickstoffkonzentration in der Beschickung
erreichbar. Es ist allerdings ein überraschendes Ergebnis, dass
das Fehlen von Stickstoff im Beschickungsgas zu einer signifikant
geringeren Sauerstoffproduktivität
führt.
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Der
Beschickungsstrom mit 90% Sauerstoff aus Tabelle 1 könnte zum
Beispiel durch ein PSA- oder VSA-System zur Verfügung gestellt werden, das mit
einer Luftbeschickung arbeitet. Wenn man mit einem Beschickungsstrom
mit 90 Vol.% Sauerstoff arbeitet, könnte der 89,5 Vol.-% Sauerstoff
enthaltende Nebenproduktstrom einen sekundären Produktstrom aus mäßig reinem
Sauerstoff zur Verfügung
stellen oder alternativ als Spülgas
für das
mit einer Luftbeschickung arbeitenden PSA- oder VSA-System verwendet
werden.
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Beispiel 3
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Mit
dem gleichen Simulationsverfahren und den Adsorptionsmitteleigenschaften
wie in Tabelle 2 wurden zusätzliche
Simulationen durchgeführt.
Die Produktivität
(d. h. die Produktionsrate) wurde als Produktreinheit von 99% Sauerstoff
bei verschiedenen relativen Volumen der beiden Adsorptionsmittelschichten
bestimmt, wobei der Volumenprozentsatz der AgLiNaKLSX-Schicht zwischen
0 und 100% des Gesamtvolumens beider Schichten variiert wurde.
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Die
Ergebnisse sind in 1 aufgeführt, die zeigt, dass die AgLiNaKLSX-Schicht mehr als
etwa 35 Vol.-% und vorzugsweise zwischen etwa 50 und etwa 75 Vol.-%
ausmachen sollte. Bei weniger als etwa 35 Vol.-% kann eine Produktreinheit
von 99 Vol.-% Sauerstoff in praktikablen Produktionsmengen nicht
erreicht werden. Bei mehr als 75 Vol.-% ist zwar die gewünschte Produktreinheit
ohne weiteres zu erreichen, doch dies geht auf Kosten möglicher
wirtschaftlicher Einbußen,
wenn man die potentiell höheren
Kosten von AgLiNaKLSX gegenüber
denen von LiLSX in Betracht zieht. Die Konzentrationsprofile aus
der Simulation zeigen, dass es nicht zu einem Stickstoffdurchbruch
in dieser Schicht kommt, wenn die AgLiNaKLSX-Schicht weniger als
etwa 35 Vol.-% ausmacht, während
der Stickstoffdurchbruch bei einem höheren Volumenprozentsatz AgLiNaKLSX
eintritt.
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Beispiel 4
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Mit
den gleichen Simulationsverfahren und Adsorptionsmitteleigenschaften
wie in Beispiel 2 wurden weitere Simulationen durchgeführt. Die
Reinheit des Sauerstoffprodukts und die gewonnene Menge wurden bei
wechselnden Volumenprozentsätzen
der AgLiNaKLSX-Schicht zwischen 0 und 100% des Gesamtvolumens beider
Adsorptionsmittelschichten bestimmt. Die Ergebnisse der Simulationen
sind in 2 zusammengefasst.
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Es
ist klar ersichtlich, dass bei niedrigerer Produktreinheit (unter
etwa 96 Vol.-%) das bevorzugte Adsorptionsmittel LiLSX ohne die
zweite Schicht aus AgLiNaKLSX ist. Man sieht, dass oberhalb dieser
Produktreinheit LiLSX allein nicht verwendet werden kann. Dies war
zu erwarten, da dieses Adsorptionsmittel keine Selektivität für Argon
gegenüber
Sauerstoff hat. Oberhalb von etwa 96 Vol.-% Sauerstoff kehrt sich
das Verhältnis
der Sauerstoffgewinnung zum Volumenprozentsatz von AgLiNaKLSX um,
und es werden höhere
Volumen an AgLiNaKLSX bevorzugt. Jedoch sieht man, dass die Differenz
in der Sauerstoffgewinnung zwischen 75 Vol.-% und 100 Vol.-% AgLiNaKLSX
zu vernachlässigen
ist. Die bevorzugte Menge an AgLiNaKLSX liegt zwischen 50 und 75
Vol.-%; also ist die Schlussfolgerung ähnlich wie in Beispiel 3.
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Auf
der Grundlage der vorstehend vorgestellten Ergebnisse kam man zu
dem Schluss, dass die Verwendung eines höheren Volumenprozentsatzes
an AgLiNaKLSX in einem Zweischichten-LiLSX/AgLiNaKLSX-Adsorber bei
der Herstellung eines Sauerstoffproduktes von mehr als 96 Vol.-%
Sauerstoffreinheit vorzuziehen ist, und dass ein Stickstoffdurchbruch
aus der LiLSX-Schicht eine vorteilhafte Wirkung auf die Gesamtleistung
des PSA-Systems hat.
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Die
wesentlichen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind in der
vorstehenden Offenbarung vollständig
beschrieben. Ein Fachmann wird die Erfindung verstehen und in der
Lage sein, verschiedene Abwandlungen vorzunehmen, ohne den Rahmen
und die Äquivalente
der folgenden Ansprüche
zu verlassen.