DE60310810T2

DE60310810T2 - Vakuumwechsel-Adsorptionsverfahren mit kontrollierter Abgasentnahme

Info

Publication number: DE60310810T2
Application number: DE60310810T
Authority: DE
Inventors: Sang Kook Allentown Lee; Justin David Lenhartsville Bukowski
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2023-06-11
Also published as: DE60310810D1; CN1229167C; CN1468645A; KR20030096072A; ATE350135T1; ES2276997T3; TW200307572A; EP1371407B1; KR100536766B1; EP1371407A3; US6641645B1; EP1371407A2; TWI221785B

Description

Die Druckwechseladsorption ist ein wichtiger Gaszerlegungsprozess, der fast überall in den Prozess- und Fertigungsindustrien verwendet wird. Die Druckwechseladsorption wird zur Rückgewinnung hochreiner Gasprodukte aus unverarbeiteten Prozessgasströmen verwendet, z. B. bei der Wasserstofferzeugung, oder als eine Alternative zu herantransportierten Atmosphärengasprodukten oder zu Tieftemperatur-Luftzerlegungsprozessen vor Ort. Der Druckwechsel-Adsorptionsprozess ist für die Zerlegung einer breiten Vielzahl von Gasgemischen einschließlich z. B. der Luftzerlegung zum Erzeugen von Sauerstoff- und Stickstoffprodukten hoch entwickelt worden.
Druckwechsel-Adsorptionsprozesse können betrieben werden, wobei sowohl der maximale als auch der minimale Prozessdruck über dem atmosphärischen Druck liegen, wobei der maximale Prozessdruck über dem atmosphärischen Druck liegt und der minimale Prozessdruck unter dem atmosphärischen Druck liegt oder wobei der maximale Prozessdruck in der Nähe des atmosphärischen Drucks liegt und der minimale Prozessdruck unter dem atmosphärischen Druck liegt. Die letzteren zwei Prozesse sind in dem Gebiet als Vakuumdruckwechseladsorption (VPSA) und Vakuumschwingungsadsorption bzw. Vakuumwechseladsorption (VSA) beschrieben worden. Für die vorliegende Offenbarung wird der Oberbegriff "Vakuumwechseladsorption" oder VSA verwendet, um irgendeinen zyklischen Gasadsorptionsprozess zu beschreiben, der die Wirkung von Druck auf das Adsorptionsvermögen verwendet, um Gasgemische zu zerlegen, wobei wenigstens ein Teil des Adsorptionszyklus bei Unterdruck betrieben wird.
Jedes Adsorptionsbett in einem VSA-Zyklus verläuft durch eine Folge von Schritten beginnend mit einem Speise- oder Adsorptionsschritt, bei dem ein mit Druck beaufschlagtes Speisegasgemisch durch ein Bett eines Adsorptionsmittels geleitet wird, das wahlweise eine oder mehrere der Komponenten in dem Mischspeisegas adsorbiert. Ein Produktgas, das die gewünschte Komponente in einer annehmba ren Reinheit enthält, wird aus dem Bett entnommen, bis der Adsorptionsschritt zu einem vorgegebenen Zeitpunkt beendet wird.
Nach Beendigung des Adsorptionsschritts wird der Druck in dem Bett in einem oder mehreren Schritten reduziert, in denen Gas mit abnehmendem Druck in ein oder mehrere weitere Betten übertragen wird, um diesen Betten ein Druckbeaufschlagungsgas zuzuführen. Eine abschließende Druckherabsetzung wird typisch durch eine Evakuierung unter Verwendung eines Vakuumgebläses abgeschlossen. Das drucklose Bett wird danach mit einem Produktgas oder Übertragungsgas gespült, das von weiteren Betten zugeführt wird, wodurch verbliebene zusätzlich adsorbierte Komponenten und Hohlraumgas aus dem Bett entfernt werden.
Nach Abschluss des Spülschritts wird das Bett durch einen oder mehrere Druckbeaufschlagungsschritte, wobei Gas aus weiteren Betten übertragen wird, neu auf einen Zwischendruck unter Druck gesetzt, wobei das Bett danach mit einem Speise- und/oder Produktgas weiter auf den Speisedruck unter Druck gesetzt wird. Die Schritte werden in einer zyklischen Weise wiederholt.
Die Übertragung von Gas aus einem Bett mit abnehmendem Druck in ein weiteres Bett mit steigendem Druck ist ein nützliches Merkmal vieler VSA-Zyklen. In diesem Bett-zu-Bett-Gasübertragungsprozess wird Gas, das unter der Produktqualität liegt, aber dennoch eine beträchtliche Konzentration der Endproduktkomponente enthält, von dem Produktende eines Betts zu dem Produktende eines weiteren Betts übertragen. Dieser Schritt kann die Produktaufbereitung steigern, muss jedoch sorgfältig gesteuert werden, um der geforderten Produktreinheit zu genügen.
Aus US 5.294.247 , US 5.203.888 und EP 0 808 651 A1 sind Adsorptionsprozesse bekannt, bei denen eine Gegenstromgasentnahme gleichzeitig mit einer Mitstrom-Spülgaserzeugung stattfindet, welches Gas im Gegenstrom in einen weiteren Adsorber eingeleitet wird, der ebenso einer Gegenstromgasentnahme unterliegt.
Eine weitere Reinigung in dem Bett-zu-Bett-Gasübertragungsprozess macht Hoffnung auf benötigte Verbesserungen im Bezug auf die Produktaufbereitung und Produktreinheit und außerdem auf eine erhöhte Produktivität in dem VSA-Prozess. Insbesondere besteht ein Bedarf für eine verbesserte Steuerung einer Gasströmung innerhalb eines Betts, das einer Gasentnahme während des Gasübertragungsprozesses unterliegt. Auf diesen Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung eingegangen, wie Sie unten beschrieben wird und durch die Ansprüche definiert ist, die folgen.
Die vorliegende Erfindung wird durch Anspruch 1 definiert. Die Unteransprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen.
1 ist ein beispielhafter Prozessdurchflussplan eines VSA-Systems, das in dem Prozess der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
2 ist ein beispielhaftes Bettschrittschema einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vakuumwechsel-Adsorptionsprozesszyklen mit besonderer Betonung auf Aspekte der Gasübertragungsschritte, bei denen Gas von einem Bett mit höherem Druck in ein weiteres Bett oder weitere Betten mit niedrigerem Druck oder niedrigeren Drücken übertragen wird. In der folgenden Erläuterung ist der VSA-Zyklus als eine Reihe von Prozesssegmenten definiert, von denen jedes einen oder mehrere einzelne Prozessschritte umfasst. Einer oder mehrere dieser Prozessschritte kann bzw. können optional sein. Die Prozesssegmente, wie Sie unten für jeden Adsorber definiert sind, der ein Adsorptionsbett enthält, sind (1) ein Segment zur Produktherstellung mittels Adsorption, (2) ein Gasübertragungssegment mit abnehmendem Druck, (3) ein Bettregenerationssegment, (4) ein Gasübertragungssegment mit zunehmendem Druck und (5) ein Segment zur Druckneubeaufschlagung des Betts.
Das Segment zur Produktherstellung mittels Adsorption ist definiert als das Entnehmen eines Produktgases aus einem Adsorptionsbett, während dem für wenigstens einen Abschnitt des Segments Speisegas in das Bett eingeleitet wird. Die stärker adsorbierte Komponente oder die stärker adsorbierten Komponenten werden in diesem Segment wahlweise durch das Adsorptionsmaterial adsorbiert. Ein Anteil des Produktgases kann in einem weiteren Bett verwendet werden, das anderen Prozessschritten unterliegt; wobei z. B. einen Anteil des Produktgases zum Spülen eines weiteren Betts in dem Regenerationssegment verwendet werden kann.
Das Gasübertragungssegment mit abnehmendem Druck ist definiert als ein oder mehrere Schritte, in denen Gas von einem Bett mit höherem Druck in ein oder mehrere andere Betten mit niedrigerem Druck oder niedrigeren Drücken übertragen wird. In einem oder mehreren dieser Schritte wird ein Abgas aus dem Speiseende des Betts mit höherem Druck abgeführt. Das Übertragungsgas ist definiert als das Gas, das in einem Gasübertragungssegment übertragen wird. Die Gasübertragung wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Bett mit höherem Druck und dem Bett oder den Betten mit niedrigerem Druck angetrieben.
Das Regenerationssegment ist definiert als die Entfernung von verbliebenen adsorbierten Komponenten und restlichem Hohlraumgas aus dem Bett typisch in wenigstens zwei Schritten. In einem ersten Schritt kann Abgas aus dem Speiseende des Betts mittels eines Vakuumgebläses entnommen werden. In einem zweiten Schritt kann das Bett durch Einleiten eines Spülgases in das Produktende des Betts gespült werden, während Abgas aus dem Speiseende des Betts mittels eines Vakuumgebläses entnommen wird. Ein Abschnitt des Regenerationssegments oder das ganze Regenerationssegment erfolgt typisch bei Unterdruck.
Das Gasübertragungssegment mit zunehmendem Druck ist definiert als ein oder mehrere Schritte, in denen Gas in ein Bett mit niedrigerem Druck aus einem oder mehreren anderen Betten mit höherem Druck oder höheren Drücken übertragen wird. Die Gasübertragung wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Bett mit niedrigerem Druck und dem Bett oder den Betten mit höherem Druck angetrieben.
Das Segment zur Druckneubeaufschlagung des Betts ist definiert als ein Beaufschlagen des ersten Betts mit Druck durch einen oder mehrere Schritte, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus dem Einleiten von Produktgas in sein Produktende, dem Einleiten eines mit Druck beaufschlagten Speisegasgemisches in sein Speiseende und dem Einleiten eines Produktgases in sein Produktende, während außerdem ein mit Druck beaufschlagtes Speisegas in sein Speiseende eingeleitet wird, besteht. Wenn das Speisegasgemisch Atmosphärenluft ist, kann die Druckneubeaufschlagung einen Atmosphärenluftstrom in ein Bett umfassen, das unter Unterdruck steht.
Der Oberbegriff "Gasübertragungssegment" ist so definiert, dass er sowohl das Gasübertragungssegment mit abnehmendem Druck als auch das Gasübertragungssegment mit zunehmendem Druck einschließt, die oben definiert sind, so dass er deshalb durch die Definition die Übertragung von Gas zwischen irgendeinem Bett und einem oder mehreren anderen Betten umfasst.
Die Ausdrücke "stärker adsorbierbar" und "weniger stark adsorbierbar" beschreiben dann, wenn Sie verwendet werden, um Komponenten in einem Gasgemisch zu beschreiben, das durch einen Druckwechsel-Adsorptionsprozess oder einen Vakuumwechsel-Adsorptionsprozess zerlegt wird, die relativen Adsorptionseigenschaften von Komponenten in dem Gasgemisch im Bezug auf ein gegebenes Adsorptionsmaterial. Das Gleichgewichtsadsorptionsvermögen des Adsorptionsmaterials für die stärker adsorbierbare Komponente (als eine reine Komponente) ist größer als das Gleichgewichtsadsorptionsvermögen des Adsorptionsmaterials für die weniger stark adsorbierbare Komponente (als eine reine Komponente) bei der mittleren Temperatur und dem mittleren Druck des Prozesses.
In allen Ausführungsformen der Erfindung, die unten beschrieben werden, umfasst das Gasübertragungssegment mit abnehmendem Druck einen oder mehrere Schritte, in denen Abgas aus einem Speiseende des Betts abgeführt wird, wäh rend Gas von dem Produktende des Betts in ein weiteres Bett oder weitere Betten mit niedrigerem Druck oder niedrigeren Drücken übertragen wird.
Das Abgas ist definiert als ein Nebenproduktgas, das in irgendeinem der Schritte in dem Gasübertragungssegment mit abnehmendem Druck und den Regenerationssegmenten eines Zyklus entnommen wird. Das Abgas ist mit der stärker adsorbierten Komponente in dem Speisegas angereichert. Das Abgas umfasst im Allgemeinen Hohlraumgas, desorbiertes Gas und ausströmendes Spülgas, wobei das Abgas aus einem Adsorptionsbett durch eine direkte Entlüftung oder eine mechanische Evakuierung abgeführt oder entnommen werden kann.
Eine Abgasabführung während des Gasübertragungssegments mit abnehmendem Druck kann durch irgendeines der folgenden Verfahren einzeln oder in Kombination bewirkt werden: (1) wenn Luft das Speisegasgemisch ist, das zerlegt wird, kann eine Abgasabführung durch den Differenzdruck zwischen dem Bettdruck und dem Atmosphärendruck angetrieben werden, wobei das Abgas direkt in die Atmosphäre abgeführt werden kann; (2) das Abgas kann in einen Behälter oder ein Reservoir abgeführt werden, der/das anfänglich auf einem niedrigeren Druck ist als der Bettdruck, wobei das abgeführte Gas als ein zweites Gasprodukt verwendet werden kann, das mit der stärker adsorbierten Komponente angereichert ist; und (3) das Abgas kann durch Evakuierung des Betts unter Verwendung eines Vakuumgebläses abgeführt werden.
Die Erfindung kann in Prozesszyklen mit mehreren parallelen Adsorptionsbetten genutzt werden und sie kann mit zwei parallelen Betten verwendet werden, die in Verbindung mit einem Produktgas-Sammeltank arbeiten. Der Gassammeltank schafft eine konstante Produktgasversorgung für den Verbraucher und kann außerdem ein Produktgas zur Druckneubeaufschlagung und/oder zum Spülen liefern.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung können in Prozesszyklen angewendet werden, die zwei oder mehr Adsorptionsbetten nutzen, wobei sie im Allgemeinen verwendet werden können, um irgendein Gasgemisch zu zerlegen, das Komponenten enthält, die durch das Adsorptionsmaterial in den Betten stärker adsorbiert werden, und andere Komponenten, die weniger stark adsorbiert werden. Die Erfindung ist insbesondere nützlich für die Sauerstoffgewinnung aus Luft und kann mit zwei Adsorptionsbetten wirtschaftlich betrieben werden.
1 ist ein schematischer Durchflussplan für ein Zweibett-VSA-System, das für den Betrieb des VSA-Prozesses der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Erfindung ist unten für die Sauerstoffgewinnung aus Luft veranschaulicht, wobei sie jedoch nicht auf diese Zerlegung sowie auf diese besonderen System- oder Prozessschritte beschränkt ist. Es kann irgendein geeigneter in dem Gebiet bekannter VSA-Systemtyp zur Verwirklichung der Erfindung verwendet werden. Das System von 1 umfasst eine Speiseleitung 1, die mit Druck beaufschlagte Speiseluft von einem Speiseluftkompressor (nicht gezeigt) zuführt, eine Speiserohrverzweigung 3 und Speiseventile 5 und 7. Rohrverzweigungen 9 und 11 sind mit den Einlass- oder Speiseenden von Adsorberbehältern 13 bzw. 15 verbunden. Die Adsorberbehälter 13 und 15 enthalten ein oder mehrere Absorptionsmittel, die Stickstoff stärker adsorbieren als Sauerstoff, d. h., dass die Gleichgewichtskapazität des Adsorptionsmittels für Stickstoff größer ist als die für Sauerstoff. Absorptionsmittel, die in dem Prozess verwendet werden können, umfassen X-Zeolithe, die einwertige Kationen, zweiwertige Kationen oder eine Kombination aus einwertigen oder zweiwertigen Kationen enthalten. Ventile 17 und 19 verbinden die Rohrverzweigungen 9 und 11 mit der Vakuumrohrverzweigung 21, die mit einem Vakuumgebläse (nicht gezeigt) verbunden ist.
Die Auslass- oder Produktenden der Adsorberbehälter 13 und 15 sind über Ventile 23 bzw. 25 mit der Produktrohrverzweigung 27 verbunden, die ihrerseits mit dem Produktsammeltank 29 verbunden ist. Ein Produktgas kann über ein Strömungssteuerventil 31 und eine Leitung 33 entnommen werden. Die Auslass- oder Produktenden der Adsorberbehälter 13 und 15 sind über eine Rohrverzweigung 35 und ein Ventil 37 verbunden. Die Rohrverzweigungen 9 und 11 sind durch eine Entlüftungsrohrverzweigung 39 und Ventile 41 und 43 verbunden und eine Ent lüftungsleitung 45 ist mit der Entlüftungsrohrverzweigung 39 verbunden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird unten für die Sauerstoffgewinnung aus Luft veranschaulicht und beschreibt die in dem Behälter 13 erfolgenden Zyklusschritte anhand des schematischen Durchflussplans von 1. Der gesamte Prozesszyklus sowohl für den Behälter 13 als auch den Behälter 15 ist in dem Bettschrittschema von 2 veranschaulicht, in dem ersichtlich ist, dass der Zyklus von Behälter 13 um 180 Grad phasenverschoben zu dem Zyklus von Behälter 15 arbeitet. Dies ist ein beispielhafter Zyklus, wobei die Erfindung nicht durch irgendeinen spezifischen Zyklusschritt oder irgendwelche spezifischen Zyklusschritte, die unten beschrieben werden, eingeschränkt wird.
1. Segment zur Produktherstellung mittels Adsorption
Schritt (1a): Speiseluft wird mit einem typischen Druck von 1,03 bis 2,07 bar (15 bis 30 psia) über die Leitung 1 zugeführt, strömt durch die Speiserohrverzweigung 3 und das Ventil 5 und strömt durch die Rohrverzweigung 9 in den Adsorberbehälter 13. Darin wird vorzugsweise Stickstoff adsorbiert, wobei ein Sauerstoffprodukt, das 70 bis 95 Vol% Sauerstoff enthalten kann, durch das Ventil 23 und die Rohrverzweigung 27 in den Produkttank 29 strömt. Das Endprodukt Sauerstoff wird für den Anwender über das Ventil 31 und die Leitung 33 entnommen. Die Dauer dieses Schritts beträgt typisch 2 bis 30 Sekunden, wobei der Druck am Schrittende im Bereich von 1,24 bis 2,07 bar (18 bis 30 psia) liegen kann.
Schritt (1b): Während sich der Betrieb von Schritt (1a) fortsetzt, wird ein Anteil des Produktgases aus dem Adsorberbehälter 13 über die Rohrverzweigung 35 und das Ventil 37 entnommen, um den Adsorberbehälter 15 zu spülen. Dieser Schritt kann sich für 0 bis 20 Sekunden mit einem typischen Druck am Schrittende von 1,24 bis 2,07 bar (18 bis 30 psia) fortsetzen. Der Schritt (1b) ist optional.
2. Gasübertragungssegment mit abnehmendem Druck
Schritt (2a): Die Ventile 5 und 23 werden geschlossen, das Ventil 41 wird geöffnet und das Ventil 37 bleibt geöffnet. Gas wird von dem Adsorberbehälter 13 durch die Rohrverzweigung 35 und das Ventil 37 in den Adsorberbehälter 15 übertragen. Gleichzeitig wird ein erster Abgasstrom aus dem Speiseende von Adsorberbehälter 13 über die Rohrverzweigung 39 und das Ventil 41 entnommen und über die Leitung 45 in die Atmosphäre entlüftet. Dieser Schritt kann sich für 1 bis 10 Sekunden fortsetzen, wobei er enden kann, wenn der Druck im Adsorberbehälter 13 im Bereich von 1,1 bis 1,93 bar (16 bis 28 psia) liegt.
Schritt (2b): Während sich die Gasübertragung des Schritts (2a) von Produktende zu Produktende fortsetzt, schließt das Ventil 41 und öffnet das Ventil 17, wobei ein zweiter Abgasstrom über die Rohrverzweigung 9, das Ventil 17 und die Leitung 21 zu dem Vakuumgebläse abgeführt wird. Das über das Ventil 37 und die Rohrverzweigung 35 übertragene Gas beaufschlagt dem Behälter 15 mit Druck. Dieser Schritt kann sich für 1 bis 10 Sekunden fortsetzen und endet typisch dann, wenn der Druck im Adsorberbehälter 13 im Bereich von 0,97 bis 1,79 bar (14 bis 26 psia) liegt.
Schritt (2c): Das über das Ventil 37 und die Rohrverzweigung 35 übertragene Gas beaufschlagt den Behälter 15 weiter mit Druck, während gleichzeitig der Behälter 15 am Speiseende eine Druckbeaufschlagung mit Speiseluft erfährt. Ein dritter Abgasstrom wird von dem Speiseende des Behälters 13 durch die Rohrverzweigung 9, das Ventil 17 und die Leitung 21 zu dem Vakuumgebläse abgeführt. Dieser Schritt dauert typisch 0 bis 10 Sekunden, wobei der Druck im Adsorberbehälter 13 am Ende von Schritt (2c) im Bereich von 0,69 bis 1,52 bar (10 bis 22 psia) liegen kann. Der Schritt (2c) ist optional.
Das Verhältnis der Menge des ersten Abgasstroms in Schritt (2a) zu der Gesamtmenge des ersten Abgasstroms, des zweiten Abgasstroms in Schritt (2b) und des dritten Abgasstroms in Schritt (2c) kann im Bereich von etwa 0,15 bis etwa 0,30 liegen.
3. Regenerationssegment
Schritt (3a): Das Ventil 37 schließt und die Abgasentnahme geht durch Evakuierung über das Ventil 17 und die Leitung 21 weiter. Der Schritt (3a) dauert typisch 7 bis 60 Sekunden, wobei er enden kann, wenn der Druck im Bett 13 im Bereich von 0,21 bis 0,55 bar (3 bis 8 psia) liegt.
Schritt (3b): Das Ventil 37 öffnet und das Produktspülgas strömt über die Rohrverzweigung 35 aus dem Adsorberbehälter 15 (der sich im Schritt (1b) befindet), während die Evakuierung von Abgas über das Ventil 17 und die Leitung 21 weitergeht. Der Schritt (3b) dauert typisch 0 bis 20 Sekunden und kann bei einem Druck am Schrittende im Bereich von 0,21 bis 0,55 bar (3 bis 8 psia) beendet werden. Der Schritt (3b) ist optional.
4. Gasübertragungssegment mit zunehmendem Druck
Schritt (4a): Das Ventil 37 bleibt geöffnet und Gas strömt weiter aus dem Behälter 15, der seine Gasübertragungsschritte (2a) mit abnehmendem Druck beginnt, in den Behälter 13. Die Evakuierung von Abgas aus dem Behälter 13 setzt sich über das Ventil 17 und die Leitung 21 fort. Der Schritt (4a) dauert typisch 1 bis 10 Sekunden und kann bei einem Druck am Schrittende im Bereich von 0,28 bis 0,62 bar (4 bis 9 psia) beendet werden.
Schritt (4b): Das Ventil 17 schließt und Übertragungsgas strömt weiter durch die Rohrverzweigung 35 und das Ventil 37 in den Behälter 13, während der Druck darin zunimmt. Der Schritt (4b) dauert typisch 1 bis 10 Sekunden und endet bei einem Druck am Schrittende von 0,34 bis 1,03 bar (5 bis 15 psia).
Schritt (4c): Das Ventil 5 öffnet, so dass Speiseluft in das Speiseende von Behälter 13 strömen kann, wobei der Druck darin weiter zunimmt, während Übertra gungsgas weiter durch die Rohrverzweigung 35 und das Ventil 37 in den Behälter strömt. Dieser Schritt kann sich für 0 bis 10 Sekunden fortsetzen und endet typisch dann, wenn der Druck im Behälter 13 im Bereich von 0,48 bis 1,17 bar (7 bis 17 psia) liegt. Wenn der Druck in dem Behälter ein Unterdruck ist, kann ein Teil oder die gesamte Speiseluft durch Atmosphärenluft geliefert werden, die nicht durch das Speisegebläse gegangen ist. Der Schritt (4c) ist optional.
5. Druckneubeaufschlagungssegment
Schritt (5a): Das Ventil 37 schließt und die Druckneubeaufschlagung von Behälter 13 fährt fort, während Speiseluft weiter über das Ventil 5 und die Rohrverzweigung 9 in den Behälter strömt. Dieser Schritt kann 5 bis 40 Sekunden dauern und endet dann, wenn der Behälterdruck 0,90 bis 1,74 bar (13 bis 18 psia) erreicht. Wenn der Druck in dem Behälter ein Unterdruck ist, kann ein Teil oder die gesamte Speiseluft durch Atmosphärenluft geliefert werden, die nicht durch das Speisegebläse gegangen ist.
Schritt (5b): Speiseluft von dem Speisekompressor beginnt über das Ventil 5 und die Rohrverzweigung 9 in den Behälter 13 zu strömen, während das Ventil 23 öffnet, so dass Produktgas aus dem Tank 29 über die Rohrverzweigung 27 zugeführt wird. Dieser Schritt kann 0 bis 8 Sekunden dauern und endet, wenn der Behälterdruck 0,90 bis 1,86 bar (13 bis 27 psia) erreicht. Wenn der Druck in dem Behälter ein Unterdruck ist, kann ein Teil oder die gesamte Speiseluft durch Atmosphärenluft geliefert werden, die nicht durch das Speisegebläse gegangen ist. Der Schritt (5b) ist optional.
Schritt (5c): Das Ventil 23 schließt und die Speiseluft strömt weiter über das Ventil 5 und die Rohrverzweigung 9 in dem Behälter 13. Der abschließende Druckneubeaufschlagungsschritt kann 0 bis 20 Sekunden dauern und endet dann, wenn der Behälterdruck 1,10 bis 1,86 bar (16 bis 27 psia) erreicht. Wenn der Druck in dem Behälter ein Unterdruck ist, kann ein Teil oder die gesamte Speiseluft durch Atmosphärenluft geliefert werden, die nicht durch das Speisegebläse gegangen ist. Der Schritt (5c) ist optional.
Alternative Schritte zur Druckneubeaufschlagung können anstelle der oben genannten Schritte (5a), (5b) und (5c) verwendet werden, wobei eine Druckneubeaufschlagung durch irgendeine gewünschte Kombination aus Produktgas über das Ventil 23 und die Rohrverzweigung 27, Atmosphärenluft über das Ventil 5 und die Rohrverzweigung 9 und Speisegas über das Ventil 5 und die Rohrverzweigung 9 erreicht werden kann. Der Adsorberbehälter 15 verläuft durch dieselben Schritte, die oben beschrieben sind, jedoch um 180 Grad phasenverschoben, wie unten in Tabelle 2 gezeigt ist.
Der Ausdruck Atmosphärenluft, wie er hier verwendet wird, ist definiert als Umgebungsluft mit Umgebungsdruck, die nicht durch ein Gebläse oder einen Kompressor komprimiert oder mit Druck beaufschlagt worden ist.
Das folgende Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung, beschränkt die Erfindung jedoch nicht auf irgendwelche der hier beschriebenen spezifischen Einzelheiten oder Schritte.
BEISPIEL
Ein Zweibett-VSA-Prozess unter Verwendung der oben beschriebenen Zyklussegmente 1 bis 5 wird abgesehen davon, dass Schritt (5b) nicht verwendet wird, entsprechend dem Prozessdurchflussplan von 1 und dem Zyklusschrittschema von 2 betrieben. Der Prozess zerlegt mit einem Druck von 1,48 bar (21,5 psia) zugeführte Speiseluft, um ein Sauerstoffprodukt zu liefern, das 93 Vol% Sauerstoff enthält. Die Adsorptionsbetten 13 und 15 enthalten einwertiges kationenausgetauschtes X-Zeolith. Die Zykluszeiten und die Drücke am Schrittende sind für das Beispiel in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Beziehung der Zyklusschritte zwischen den zwei Betten und die Ventilstellungen, die diesen Schritten entsprechen, sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 1 Zykluszeiten und Drücke für jedes Bett
Die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen verwenden zwei Adsorptionsbetten, wobei die Erfindung jedoch optional mit mehr als zwei Betten genutzt werden kann. Bei dieser Option wird Gas, das während des Gasübertragungssegments mit abnehmendem Druck übertragen wird, von einem gegebenen Bett mit höherem Druck in jedes der anderen Betten der Reihe nach mit niedrigeren Drücken übertragen. Gas, das während des Gasübertragungssegments mit zunehmendem Druck übertragen wird, wird aus jedem der anderen Betten der Reihe nach mit höheren Drücken in ein gegebenes Bett mit niedrigerem Druck übertragen.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein erstes Bett von dem Speiseende im Druck herabgesetzt werden kann, während Gas von dem Produktende zu dem Produktende eines zweiten Betts übertragen wird, das am Speiseende durch ein Vakuumgebläse evakuiert wird. Dies maximiert die Vakuumgebläseauslastung und spart Zykluszeit, da die Evakuierungszeit des ersten Betts als Folge einer früheren Druckherabsetzung verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Druckherabsetzung des ersten Betts während des Gasübertragungsschritts den Fortschritt der Desorptionsfront in Richtung des Produktendes eines Betts einschränkt, wodurch die Konzentration ungewollter Verunreinigungen in dem Gas, das zu dem zweiten Bett übertragen wird, eingeschränkt wird.

Claims

Vakuumschwingungs-Adsorptionsprozess zum Wiedergewinnen einer weniger stark adsorbierbaren Komponente aus einem Speisegasgemisch, das wenigstens eine weniger stark adsorbierbare Komponente und wenigstens eine stärker adsorbierbare Komponente enthält, wobei der Prozess das Ausführen zyklischer Prozessschritte in mehreren Adsorptionsbetten umfasst, wobei jedes Bett ein Speiseende und ein Produktende besitzt und Adsorptionsmaterial enthält, das wahlweise die stärker adsorbierbare Komponente adsorbiert, wobei jedes Bett seinerseits durch Segmente des zyklischen Prozesses verläuft, die ein Segment zur Produktherstellung mittels Adsorption, ein Gasübertragungssegment mit abnehmendem Druck, in dem ein Gas von einem Bett mit höherem Druck in ein oder mehr andere Betten mit niedrigerem Druck oder niedrigeren Drücken strömt, ein Regenerationssegment, ein Gasübertragungssegment mit zunehmendem Druck, in dem ein Gas in ein Bett mit niedrigerem Druck von einem oder mehreren anderen Betten mit höherem Druck oder höheren Drücken strömt, und ein abschließendes Druckneubeaufschlagungssegment umfassen, wobei das Gasübertragungssegment mit abnehmendem Druck (1) das Entnehmen eines ersten Abgasstroms aus dem Speiseende eines ersten Bettes, das Entnehmen eines Übertragungsgases aus dem Produktende des ersten Bettes und das Einleiten des Übertragungsgases in das Produktende eines zweiten Bettes sowie das Entnehmen eines zweiten Abgasstroms aus dem Speiseende des zweiten Bettes und unmittelbar danach (2) das Beenden des Entnehmens des zweiten Abgasstroms aus dem Speiseende des zweiten Bettes, das Entnehmen eines dritten Abgasstroms aus dem Speiseende des ersten Bettes, das Fortsetzen des Entnehmens des Übertragungsgases aus dem Produktende des ersten Bettes und das Fortsetzen des Einleitens des Übertragungsgases in das Produktende des zweiten Bettes umfasst.
Prozess nach Anspruch 1, das ferner unmittelbar nach (2) folgend den Schritt (3) des Einleitens des Speisegasgemisches in das Speiseende des zweiten Bettes, das Entnehmen eines vierten Abgasstroms aus dem Speiseende des ersten Bettes, das Fortsetzen des Entnehmens des Übertragungsgases aus dem Produktende des ersten Bettes und das Fortsetzen des Einleitens des Übertragungsgases in das Produktende des zweiten Bettes umfasst.
Prozess nach Anspruch 2, bei dem das Verhältnis der Menge des ersten Abgasstroms zur Gesamtmenge des ersten, des dritten und des vierten Abgasstroms im Bereich von etwa 0,15 bis etwa 0,30 liegt.
Prozess nach Anspruch 1, bei dem das Speisegasgemisch Luft ist und der Druck in dem zweiten Bett unter dem Atmosphärendruck liegt, so dass Atmosphärenluft in das Speiseende des zweiten Bettes strömt.
Prozess nach Anspruch 4, bei dem die Abgasströme in Bezug auf Luft mit Stickstoff angereichert sind.
Prozess nach Anspruch 4, bei dem der erste Abgasstrom durch Abführen aus einem Überatmosphärendruck in dem ersten Bett direkt in die Atmosphäre entnommen wird und bei dem der dritte Abgasstrom aus dem ersten Bett durch ein Vakuumgebläse entnommen wird.
Prozess nach Anspruch 1, bei dem: (a) der Schritt des Herstellens eines Produkts mittels Adsorption das Bereitstellen eines Speisegases auf einem Überatmosphärendruck und das Einleiten des Speisegases in das Speiseende eines ersten Adsorbers, das wahlweise Adsorbieren eines Anteils der stärker adsorbierbaren Komponente des adsorbierenden Materials und das Entnehmen eines mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente angereicherten Produktgases aus dem Produktende des ersten Adsorbers; (b) das Regenerationssegment das Beenden des Entnehmens des Übertragungsgases aus dem Produktende des ersten Adsorbers und das Entnehmen eines dritten Abgases aus dem Speiseende des ersten Adsorbers umfasst; und (c) das abschließende Druckneubeaufschlagungssegment das Beaufschlagen des ersten Adsorbers mit Druck durch irgendeine Kombination aus (c1) dem Einleiten von Speisegas in sein Speiseende; (c2) dem Einleiten von Produktgas in sein Produktende und (c3) dem Einleiten von Speisegas in sein Förderende und das Einleiten von Produktgas in sein Produktende umfasst.
Prozess nach Anspruch 7, bei dem das Speisegas Luft ist, die wenigstens eine weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist und die wenigstens eine stärker absorbierbare Komponente Stickstoff ist, der erste Abgasstrom von dem ersten Adsorber direkt an die Atmosphäre abgeführt wird und der dritte Abgasstrom aus dem ersten Adsorber durch Evakuierung mit einem Vakuumgebläse entnommen wird.
Prozess nach Anspruch 7, bei dem das Segment zur Produktherstellung mittels Adsorption ferner das Entnehmen eines Anteils des Produktgases aus dem ersten Adsorber und das Verwenden dieses Anteils des Gases zum Spülen des zweiten Adsorbers umfasst.
Prozess nach Anspruch 8, der ferner den dem Schritt (3) unmittelbar folgenden zusätzlichen Schritt des Entnehmens eines fünften Abgasstroms aus dem Speiseende des ersten Adsorbers, des Unterbrechens der Strömung von Übertragungsgas von dem Produktende des ersten Adsorbers zu dem Produktende des zweiten Adsorbers und des Einleitens von Speisegas in das Speiseende des zweiten Adsorbers umfasst.
Prozess nach Anspruch 10, bei dem der erste Abgasstrom von dem ersten Adsorber direkt an die Atmosphäre abgeführt wird und der dritte, der vierte und der fünfte Abgasstrom aus dem ersten Adsorber durch Evakuierung mit einem Vakuumgebläse entnommen werden.
Prozess nach Anspruch 11, bei dem das Speisegasgemisch Luft ist, der Druck in dem zweiten Adsorber unter Atmosphärendruck liegt und das Einleiten des Speisegasgemisches in das Speiseende des zweiten Adsorbers durch Atmosphärenluft erfolgt, die in das Speiseende des zweiten Adsorbers strömt.