DE69111917T2

DE69111917T2 - Druckwechsel-Adsorptionsverfahren zur Trennung von Gasgemischen.

Info

Publication number: DE69111917T2
Application number: DE69111917T
Authority: DE
Inventors: Robert C Gmelin; Norberto O Lemcoff
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1991-06-17
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2011-06-18
Also published as: EP0462778B1; KR920000361A; CN1026469C; AU649048B2; EP0462778A1; KR930012040B1; AU7914091A; IE71669B1; HK73596A; NO179129C; JPH04330913A; US5176722A; NO179129B; IE912084A1; NO912355D0; NO912355L; TR27242A; CA2044909A1; NZ238566A; CN1060792A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen einer gasförmigen Mischung, um ein angereichertes Gas zu erzeugen. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein verbessertes Druckschwungadsorptionsverfahren zum Trennen gasför- Iniger Mischungen gerichtet, welches einen Adsorptionsschritt, einen Druckausgleichschritt, einen Rückfüllschritt und einen Evakuierungs- und Reinigungsschritt umfaßt, und eine derartige Vorrichtung.
Druckschwungadsorption (PSA) ist ein gut bekanntes Verfahren zum Trennen gasförmiger Mischungen. Druckschwungadsorption bezieht es ein, daß eine gasförmige Mischung bei einem erhöhten Druck durch ein Bett eines Adsorptionsmittels geführt wird, welches selektiv eine oder mehrere der Komponenten der gasförmigen Mischung adsorbiert. Produktgas, das bezüglich der nicht adsorbierten gasförmigen Komponente(n) angereichert ist, wird dann aus dem Bett entzogen. Das Adsorptionsbett kann regeneriert werden, indem der Druck des Bettes reduziert wird.
Der Ausdruck "gasförmige Mischung" wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine gasförmige Mischung wie Luft, die primär aus zwei Komponenten mit verschiedener molekularen Größe zusammengesetzt ist. Der Ausdruck "angereichertes Gas" bezieht sich auf ein Gas, das aus der Komponente (den Komponenten) der gasförmigen Mischung zusammengesetzt ist, die nach dem Durchtritt der gasförmigen Mischung durch das Adsorptionsbett relativ unadsorbiert sind. Das angereicherte Gas muß im allgemeinen ein vorbestimmtes Reinheitsniveau einhalten, zum Beispiel von ungefähr 90 % bis ungefähr 99 % in der nicht adsorbierten Komponente (den nicht adsorbierten Komponenten). Der Ausdruck "Magergas" bezieht sich auf ein Gas, das aus dem Adsorptionsbett austritt, das daran scheitert, das vorbestimmte Reinheitsniveau, das für das angereicherte Gas festgesetzt ist, einzuhalten.
Die Selektivität des Adsorptionsmaterials kann von einer Differenz bezüglich entweder der Adsorptionskinetik oder dem Adsorptionsgleichgewicht abhängen. Die Selektivität der Kohlenstoffmolekularsiebe ist im allgemeinen durch das Volumen der Porengröße und die Verteilung dieser Porengröße in dem Adsorptionsmittel geregelt. Gasförmige Moleküle mit einem kinetischen Durchmesser kleiner als die oder gleich der Porengröße des Adsorptionsmittels werden adsorbiert und in dem Adsorptionsmittel zurückgehalten, während gasförmige Moleküle mit einem Durchmesser, der größer als die Porengröße des Adsorptionsmittels bzw. Adsorbens ist, durch das Adsorptionsmittel durchtreten. Das Adsorptionsmittel siebt so die gasförmigen Moleküle gemäß ihrer Molekulargröße. Das Adsorptionsmittel kann auch Moleküle gemäß ihrer verschiedenen Diffusionsraten in den Poren des Adsorptionsmittels trennen.
Zeolit-Molekularsiebe adsorbieren gasförmige Moleküle mit einiger Abhängigkeit von der kristallinen Größe. Im allgemeinen ist die Adsorption in Zeolit hinein schnell und das Gleichgewicht wird typischerweise in ein paar Sekunden erreicht. Die Siebungswirkung von Zeolit ist im allgemeinen von der Differenz bezüglich der Gleichgewichtsadsorption der verschiedenen Komponenten der gasförmigen Mischung abhängig. Wenn Luft durch ein Zeolitadsorbens getrennt wird, wird Stickstoff vorzugsweise über Sauerstoff adsorbiert und die Druckschwungadsorption kann verwendet werden, um ein Sauerstoff angereichertes Produkt zu erzeugen.
Die Siebwirkung von Kohlenstoffmolekularsieben ist im allgemeinen von den Differenzen bezüglich der Gleichgewichtsadsorption nicht abhängig, sondern statt dessen von Differenzen bezüglich der Rate der Adsorption der verschiedenen Komponenten der gasförmigen Mischung. Wenn Luft durch Kohlenstoffmolekularsiebe getrennt wird, wird Sauerstoff vorzugsweise adsorbiert gegenüber Stickstoff und das Druckschwungadsorptionsverfahren kann verwendet werden, um ein Stickstoff angereichertes Produkt zu erzeugen.
Wenn eine gasförmige Mischung durch ein Bett des Adsorptionsmittels tritt, treten die adsorbierbaren gasförmigen Komponenten der Mischung ein und füllen die Poren des Adsorptionsmittels. Nach einer Zeitperiode ist die Zusammensetzung des Gases, das das Adsorptionsbett verläßt, im wesentlichen die gleiche wie die Zusammensetzung, die in das Bett eintritt. Dies ist als der Durchbruchpunkt bekannt. Zu irgendeiner Zeit vor diesem Durchbruchpunkt muß das Adsorptionsmittelbett regeneriert werden. Die Regeneration zieht das Stoppen des Flusses der gasförmigen Mischung durch das Bett ein und das Reinigen oder Spülen des Bettes von den Adsorptionsmittelkomponenten, und zwar im allgemeinen, indem das Bett an die Atmosphäre belüftet wird.
Ein Druckschwungadsorptionssystem verwendet im allgemeinen zwei Adsorptionsbetten, die in Zyklen betrieben werden, welche in einer derartigen Sequenz liegen, um miteinander um 180º außer Phase zu liegen, so daß, wenn ein Bett in dem Adsorptionsschritt vorliegt, das andere Bett in dem Regenerationsschritt liegt. Die zwei Adsorptionsbetten können in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein. In einer Reihenanordnung tritt das Gas, das das Auslaßende des ersten Bettes verläßt, in das Einlaßende des zweiten Bettes. In einer parallelen Anordnung tritt die gasförmige Mischung in das Einlaßende von allen Betten, die das System umfaßt. Im allgemeinen wird eine serielle Anordnung von Betten bevorzugt, um ein Gasprodukt mit hoher Reinheit zu erhalten und eine Parallelanordnung von Betten wird bevorzugt, um eine große Menge einer gasförmigen Mischung in einem kurzen Zeitzyklus zu reinigen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck "Adsorptionsbett" auf entweder ein einzelnes Bett oder eine Serienanordnung von zwei Betten. Das Einlaßende eines Einzelbettsystems ist das Einlaßende des einzelnen Bettes, während das Einlaßende des Zweibettsystems (in Reihe angeordnet) das Einlaßende des ersten Bettes in dem System ist. Das Auslaßende eines Einzelbettsystems ist das Auslaßende des Einzelbettes und das Auslaßende des Zweibettsystems (in Reihe angeordnet) ist das Auslaßende des zweiten Bettes in dem System. Indem zwei Adsorptionsbetten parallel in einem System verwendet werden und indem (alternierend) zwischen den Adsorptionsbetten zykliert wird, kann Produktgas kontinuierlich erhalten werden.
Zwischen dem Adsorptionsschritt und dem Regenerationsschritt wird der Druck in den zwei Adsorptionsbetten im allgemeinen ausgeglichen, indem die Einlaßenden der zwei Betten und die Auslaßenden der zwei Betten zusammengeschaltet werden. Während des Druckausgleichs fließt das Gas innerhalb der leeren Räume des Adsorptionsbettes, welches gerade seinen Adsorptionsschritt (unter hohem Druck) abgeschlossen hat, in das Adsorptionsbett, welches seinen Regenerationsschritt (unter niedrigem Druck) gerade abgeschlossen hat, und zwar wegen des Druckdifferentials, welches zwischen den zwei Betten existiert. Dieser Druckausgleichsschritt verbessert die Ausbeute des Produktgases, weil das Gas innerhalb der Lückenräume der Betten, welches seinen Adsorptionsschritt gerade abgeschlossen hat, schon angereichert gewesen ist.
Die Gasseparation, d.h. die Gastrennung durch das Druckschwungadsorptionsverfahren wird in "Gas Separation by Adsorption Processes", Ralph T. Yang, Ed., Kapitel 7, "Pressure Swing Adsorption: Principles and Processes", Buttersworth 1987, vollständig beschrieben, welche Referenz hierin durch Bezugnahme eingegliedert wird.
US-A-4 376 640 ausgegeben an Vo offenbart ein Druckschwungadsorptionsverfahren zum Trennen einer gasförmigen Mischung, welches umfaßt, daß eine gasförmige Mischung in einem ersten Adsorptionsbett getrennt wird, ein zweites belüftetes und evakuiertes Adsorptionsbett mit Magergas aus dem ersten Adsorptionsbett bei höherem Druck unter Druck gesetzt wird, das zweite Bett isoliert wird, um dem unter Druck gesetzten Gefäß zu ermöglichen, bezüglich des Druckes durch die Adsorption des darin enthaltenen Gases abzunehmen, die gasförmige Mischung in einem zweiten Adsorptionsbett getrennt wird und das erste Adsorptionsbett regeneriert wird.
GB-2 195 097 A an Garrett offenbart ein Druckschwungadsorptionsverfahren zum Trennen einer gasförmigen Mischung, welches die Verbesserung umfaßt, daß man Gas aus dem Produktreservoir zu einem Adsorptionsbett immer dann fließen läßt, wenn der Druck in dem Produktreservoir jenen des Adsorptionsschrittes überschreitet.
JP-A-63-79714 an Hareuma offenbart ein Druckschwungadsorptionsverfahren zum Trennen einer gasförmigen Mischung, welches die Verbesserung umfaßt, daß drei Adsorptionsbetten in einer Zyklusweise unter sehr spezifischen Druckschwungadsorptionsbedingungen zykliert werden.
GB-A-2 154 465 an Matsui offenbart einen PSA-Prozeß, der zumindest drei Adsorptionsbetten und Säulen zum Trennen einer Gasmischung, die Wasserstoff umfaßt, verwendet, die miteinbezieht, daß sieben Operationsschritte durchgeführt werden, nämlich: Speisegas durch ein erstes Bett gespeist wird und Produktgas gesammelt wird; der Druck in dem ersten Bett mit jenem im zweiten Bett ausgeglichen wird; weiter der Druck in dem ersten Bett reduziert wird, indem Gas zu einem dritten Bett geführt wird; das erste Bett evaluiert wird; das erste Bett mit Gas aus dem zweiten Bett gereinigt wird, während die Evakuierung fortgesetzt wird; das erste Bett mit Produktgas unter Druck gesetzt wird; und der Druck in dem ersten Bett mit jenem in dem dritten Bett ausgeglichen wird. Entsprechende Schritte werden in geeigneter Sequenz von den zweiten und dritten Betten durchgeführt. Der Prozeß kann bei einem relativ niedrigen Adsorptionsdruck durchgeführt werden.
Die US-A-4 925 461 an Gamba offenbart ein Verfahren zur Trennung von Stickstoff aus einer Gasmischung, die überwiegend aus Stickstoff und Sauerstoff zusammengesetzt ist. Das Verfahren ist durch die Weise des Kommunizierens eines Adsorbers nach einem Adsorptionsschritt mit einem Adsorber nach einem Regenerationsschritt für den Gastransfer aus dem ersteren zu dem letzteren gekennzeichnete die Operation des Unterbrechens des Gastransfers vor der Herbeiführung des Druckausgleichs und die Regenerationsbegünstigung, indem Rückfluß aus Produkt gas verursacht wird.
Während die obigen Druckschwungadsorptionsverfahren Verbesserungen bezüglich der Trennung gasförmiger Mischung vorsehen, sind diese Verfahren nicht vollständig befriedigend. Allgemeine Probleme mit Druckschwungadsorptionsverfahren umfassen niedrige Produktausbeute, niedrige Produktreinheit, den Bedarf nach großen Mengen an Adsorptionsmittel und energieineffiziente Regenerationsverfahren. Daher gibt es einen Bedarf nach verbesserten Druckschwungadsorptionsverfahren.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Druckschwungadsorptionsverfahren und eine Vorrichtung für die Trennung gasförmiger Mischungen in hoher Ausbeute und hoher Reinheit zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Adsorptionsverfahren zum Trennen einer gasförmigen Mischung in einer Vielzahl von Adsorptionsbetten, die außer Phase miteinander betrieben werden, um ein angereichertes Gas mit einer vorbestimmten Reinheit zu erzeugen, die Schritte, daß:
a) die gasförmige Mischung in ein Einlaßende eines Adsorptionsbettes bei einem Adsorptionsdruck in dem Bereich von ungefähr 104 x 10³ Pa (15 psig) bis ungefähr 3,448 x 10&sup6; Pa (500 psig) geführt wird, während angereichertes Gas aus dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes entzogen wird und das angereicherte Gas als Produkt gesammelt wird;
b) wenn die Reinheit des angereicherten Gases aus dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes unter ungefähr 0,1 % bis ungefähr 10 % unter die vorbestimmte Reinheit fällt, wodurch es Magergas wird, der Fluß der gasförmigen Mischung in das eine Adsorptionsbett beendet wird und das Magergas aus dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes in das Einlaßende des anderen Adsorptionsbettes geführt wird, welches gerade Schritt c) abgeschlossen hat, bis der Druck des anderen Adsorptionsbettes in dem Bereich von ungefähr 25 % bis ungefähr 50 % des Adsorptionsdruckes liegt;
c) der Fluß von Magergas aus dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes beendet wird und das eine Adsorptionsbett von dem Einlaßende zu einem Desorptionsdruck von ungefähr 3,33 x 10³ Pa (25 Torr) zu ungefähr 465,1 x 10³ Pa (350 Torr) evakuiert wird, während das eine Adsorptionsbett gereinigt wird, indem angereichertes Gasprodukt in das Auslaßende des einen Adsorptionsbettes geführt wird;
d) partiell das eine Adsorptionsbett unter Druck gesetzt wird, indem Magergas aus dem Auslaßende des anderen Adsorptionsbettes geführt wird, welches gerade Schritt a) abgeschlossen hat, und zwar zu dem Einlaßende des einen Adsorptionsbettes, bis der Druck in dem einen Adsorptionsbett in dem Bereich von ungefähr 25 % bis ungefähr 50 % des Adsorptionsdruckes liegt;
e) weiter das eine Adsorptionsbett unter Druck gesetzt wird, indem angereichertes Gas in das Auslaßende des einen Adsorptionsbettes geführt wird, um das eine Adsorptionsbett zurückzufüllen, bis der Druck des zurückgefüllten Adsorptionsbettes in dem Bereich von ungefähr 50 % bis ungefähr 100 % des Adsorptionsdrukkes liegt;
f) weiter das eine Adsorptionsbett unter Druck gesetzt wird, indem die gasförmige Mischung in das Einlaßende des einen Adsorptionsbettes bei einem Adsorptionsdruck in dem Bereich von ungefähr 104 x 10³ Pa (15 psig) zu ungefähr 3,448 x 10&sup6; Pa (500 psig) geführt wird; und
g) die obigen Schritte in einem kontinuierlichen Zyklus wiederholt werden, der ein anderes Adsorptionsbett in der Vielzahl von Adsorptionsbetten wie das eine Adsorptionsbett behandelt.
In einer Modifikation des obigen Verfahrens wird Schritt c) ausgeführt, indem das Magergas aus dem Auslaßende des ersten Adsorptionsbettes in sowohl das Einlaßende als auch das Auslaßende des zweiten Bettes simultan geführt wird, um den Druck des ersten Adsorptionsbettes und des zweiten Adsorptionsbettes im wesentlichen auszugleichen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielsweise beschrieben werden, wobei Bezug auf die Figuren der begleitenden diagrammatischen Zeichnungen genommen wird, in welchen:
Figur 1 eine schematische Zeichnung einer Zweibettdruckschwungadsorptionsvorrichtung ist, die zum Trennen gasförmiger Mischungen gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Figur 2 in graphischem Format das spezifische Produkt von erhaltenem Stickstoff gegen Sauerstoffkonzentration veranschaulicht, wenn Luft getrennt wird, wobei verschiedene Druckschwungadsorptionsverfahren verwendet werden (Beispiele 1-5);
Figur 3 in graphischem Format die Produktausbeute von erhaltenem Stickstoff gegen Sauerstoffkonzentration veranschaulicht, wenn Luft getrennt wird, wobei verschiedene Druckschwungadsorptionsverfahren verwendet werden (Beispiele 1-5);
Figur 4 in graphischem Format das spezifische Produkt von erhaltenem Stickstoff gegen Sauerstoffkonzentration veranschaulicht, wenn Luft unter Verwendung des Druckschwungadsorptionsverfahrens der vorliegenden Erfindung bei Zykluszeiten von 180 Sekunden und 240 Sekunden getrennt wird (Beispiel 1); und
Figur 5 in graphischem Format die Produktausbeute von erhaltenem Stickstoff gegen Sauerstoffkonzentration zeigt, wenn Luft unter Verwendung des Druckschwungadsorptionsverfahrens der vorliegenden Erfindung bei Zykluszeiten von 180 Sekunden und 240 Sekunden getrennt wird (Beispiel 1).
Der Anmelder hat gefunden, daß die Kombination eines spezifischen Druckausgleichschrittes, eines Evakuierungs- und Produktgasreinigungsschrittes und eines Produktgasrückfüllschrittes ein Druckschwungadsorptionsverfahren schafft, welches angereicherte Gase in hoher Ausbeute und in hoher Reinheit ergibt. Die Kombination des Druckausgleichschrittes, die Evakuierung und der Reinigungsschritt und der Rückfüllschritt verstärken die Reinheit des Produktgases und regenerieren das Adsorptionsbett effizienter. Spezifischerweise desorbiert das Evakuieren und Reinigen des Adsorptionsbettes, das zu regenerieren ist, mit angereichertem Gas aus dem Produktreservoir mehr adsorbiertes Gas, was erlaubt, daß das Bett mehr Gas in dem nächsten Zyklus adsorbiert. Ausgleichen des Druckes der Adsorptionsbetten, indem Magergas aus dem Auslaßende des ersten Adsorptionsbettes in das Einlaßende des zweiten Adsorptionsbettes oder in sowohl das Einlaßende als auch das Auslaßende des zweiten Adsorptionsbettes geführt wird, verwendet simultan schon angereichertes Gas, wodurch die Reinheit und die Ausbeute des Produktes verbessert werden. Rückfüllen des Adsorptionsbettes, das zu regenerieren ist, mit Produktgas nach dem Druckausgleichsschritt aus dem Auslaßende verdrängt das Magergas tiefer in das Bett, sieht höher angereichertes Gas bei der Oberseite des Bettes vor, so daß das erste aus dem Bett zu entziehende Gas von höchster Reinheit ist und das Gas in dem Produktreservoir nicht mit Unreinheiten kontaminiert.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt das Druckschwungadsorptionsverfahren zum Trennen einer gasförmigen Mischung, um ein angereichertes Gas mit einer vorbestimmten Reinheit zu erzeugen, die Schritte, daß a) die gasförmige Mischung in ein Einlaßende eines ersten Adsorptionsbettes bei einem Adsorptionsdruck in dem Bereich von ungefähr 104 x 10³ Pa (15 psig) bis ungefähr 3,448 x 10&sup6; Pa (500 psig) geführt wird, b) angereichertes Gas aus einem Auslaßende des ersten Adsorptionsbettes entzogen wird und das angereicherte Gas in ein Produktreservoir geführt wird, c) wenn die Reinheit des angereicherten Gases aus dem Auslaßende des ersten Adsorptionsbettes von ungefähr 0,1 % zu ungefähr 10 % unter die vorbestimmte Reinheit fällt, wodurch es Magergas wird, das Magergas aus dem Auslaßende des ersten Adsorptionsbettes in ein Einlaßende eines zweiten Adsorptionsbettes geführt wird oder simultan in einen Einlaß und einen Auslaß eines zweiten Bettes, um den Druck des ersten Adsorptionsbettes und des zweiten Adsorptionsbettes im wesentlichen auszugleichen, worin der Druck des zweiten Adsorptionsbettes in dem Bereich von ungefähr 25 % bis ungefähr 50 % des Adsorptionsdruckes liegt, d) der Fluß von Magergas aus dem Auslaßende des ersten Adsorptionsbettes beendet wird und das erste Adsorptionsbett aus dem Einlaßende zu einem Desorptionsdruck von ungefähr 3,33 x 10³ Pa (25 Torr) bis ungefähr 465,1 x 10³ Pa (350 Torr) evakuiert wird, während das erste Adsorptionsbett gereinigt wird, indem angereichertes Gas aus dem Produktreservoir in das Auslaßende des ersten Adsorptionsbettes geführt wird, e) weiter das zweite Adsorptionsbett unter Druck gesetzt wird, indem angereichertes Gas aus dem Produktreservoir in das Auslaßende des zweiten Adsorptionsbettes geführt wird, um das zweite Adsorptionsbett zurückzufüllen, worin der Druck des zurückgefüllten zweiten Adsorptionsbettes in dem Bereich von ungefähr 50 % bis ungefähr 100 % des Adsorptionsdruckes liegt, f) weiter das zweite Adsorptionsbett unter Druck gesetzt wird, indem die gasförmige Mischung in das Einlaßende des zweiten Adsorptionsbettes bei einem Adsorptionsdruck in dem Bereich von ungefähr 104 x 10³ Pa (15 psig) bis ungefähr 3,448 x 10&sup6; Pa (500 psig) geführt wird, und g) die obigen Schritte in einem kontinuierlichen Zyklus wiederholt werden, der das zweite Adsorptionsbett wie das erste Adsorptionsbett und das erste Adsorptionsbett wie das zweite Adsorptionsbett behandelt.
Das Druckschwungadsorptionsverfahren der vorliegenden Erfindung, das die neuartige Kombination eines Druckausgleichsschrittes, eines Evakuierungs- und Reinigungsschrittes und eines Rückfüllschrittes verwendet, kann besser durch Bezug auf die Vorrichtung in Figur 1 verstanden werden. Eine gasförmige Mischung einschließlich von, aber nicht begrenzt auf Luft (Stickstoff und Sauerstoff), Methan und Kohlendioxid und Wasserstoff und Kohlenmonoxid kann durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung getrennt werden. Der Einfachheit halber wird das vorliegende Verfahren in Verbindung mit der Trennung von Luft beschrieben werden, obwohl das Verfahren verwendet werden kann, um andere gasförmige Mischungen zu trennen, die normalerweise durch das Druckschwungadsorptionsverfahren getrennt werden.
Nach Figur 1 werden zwei druckresistente Säulen 1 und 2 mit Betten aus Adsorptionsmitteln 3 bzw. 4 gefüllt. Die Betten können zum Beispiel mit Kohlenstoffmolekularsiebadsorptionsmitteln gefüllt sein, die für die Fraktionierung einer gasförmigen Mischung geeignet sind, wie Stickstoff aus Luft. Säule 1 enthält das erste Adsorptionsbett und Säule 2 enthält das zweite Adsorptionsbett. Säulen 1 und 2 sind einander im wesentlichen identisch wie es die Betten von Adsorptionsmitteln 3 und 4 sind. Während Figur 1 Säule 1 und 2 in einer vertikalen Position zeigt, können die Säulen auch in einer horizontalen Position verwendet werden.
Umgebungsluft wird durch eine Luftspeiseleitung 5 zum Kompressor 6 gespeist. Kompressor 6 komprimiert die Luft zu dem Adsorptionsdruck, welcher dann in das Einlaßende von Säule 1 oder Säule 2 über Lufteinlaßleitungen 7 und das Stopventil (An-Aus-Stopventil) 8 oder 9 respektive eingeführt wird. Stopventil 8 führt Speiseluft in das Einlaßende bei dem Boden von Säule l ein und Stopventil 9 führt Speiseluft in das Einlaßende bei dem Boden von Säule 2 ein.
Die Speiseluft kann vor dem Durchtritt in Adsorptionssäule 1 oder 2 modifiziert werden, indem die Luft durch einen Kondensor geführt wird, um Überschußfeuchtigkeit zu entfernen (eine relative Feuchtigkeit von 40 % oder weniger wird bevorzugt). Ein Filter oder Scrubber kann auch verwendet werden, um Gase wie Kohlendioxid, Schwefeldioxid oder Stickoxide aus der Speiseluft zu entfernen. Diese Reinigungsschritte sind fakultativ und verbessern die Reinheit des Produktgases und verlängern auch das nützliche Leben der Adsorptionsbetten.
Speiseluft, die an Säule 1 oder Säule 2 zugelassen wird, wird in jedes Bett des Adsorptionsmittels 3 oder 4 respektive adsorbiert, um selektiv Sauerstoff auszusieben. Produktgas, das bezüglich Stickstoff angereichert ist, wird aus Säule 1 oder Säule 2 über Sperrventil 12 oder Sperrventil 13, d.h. Stoppventil 13, respektive und Auslaßleitung 10 in Produktreservoir 11 entzogen. Produktgas aus Reservoir 11 kann auf ähnliche Weise in Säule 1 oder Säule 2 über Leitung 10 und Sperrventil 12 oder Sperrventil 13 respektive zurückgefüllt werden.
Das Produktreservoir 11 weist eine Auslaßleitung 14 und ein Stopventil 15 auf, um Produktgas zu belüften. Die instantane Stickstoffflußrate wird durch ein Massenflußmeter gemessen und der Sauerstoffgehalt des angereicherten Gases wird stromaufwärts von dem Produktreservoir analysiert.
Für die Evakuierung von Säulen 1 oder 2 werden das Einlaßende von Säule 1 und das Einlaßende von Säule 2 zuerst zur Atmosphäre belüftet und dann mit der Vakuumpumpe 17 über Auslaßleitung 16 und Sperrventil 18 und Sperrventil 19 respektive verbunden. Für den Druckausgleich wird das Auslaßende von Säule 1 mit dem Einlaßende von Säule 2 über Leitung 20 und Sperrventile 21 und 24 verbunden oder sowohl das Einlaßende als auch das Auslaßende von Säule 2 über Sperrventile 21, 23 und 24 und die entsprechenden Leitungen. In entsprechender Weise wird das Auslaßende von Säule 2 mit dem Einlaßende von Säule 1 über Leitung 20 verbunden und Sperrventile 23 und 22 oder mit sowohl dem Einlaßende als auch dem Auslaßende von Säule 1 über Sperrventile 21, 22 und 23 und die entsprechenden Leitungen.
Zum Beginn des Druckschwungadsorptionszyklus wird Speiseluft aus Leitung 5 in Kompressor 6 zu dem Adsorptionsdruck komprimiert und dann zu dem Einlaßende von Säule 1 und Adsorptionsbett 3 über Leitung 7 und das offene Sperrventil 8 geführt. Der Adsorptionsdruck liegt in dem Bereich von ungefähr 104 x 10³ Pa (15 psig) bis ungefähr 3,448 x 10&sup6; Pa (500 psig), vorzugsweise von ungefähr 346 x 10³ Pa (50 psig) bis ungefähr 1,38 x 10&sup6; Pa (200 psig). Adsorptionsbett 4 in Säule 2 wird simultan evakuiert. Die Speiseluft wird im Adsorptionsbett 3 adsorbiert, um selektiv Sauerstoff zu sieben. Produktgas, das bezüglich Stickstoff angereichert ist und eine vorbestimmte Reinheit aufweist, wird aus dem Auslaßende von Säule 1 über das offene Sperrventil 12 und Aus laß leitung 10 entzogen und in Produktreservoir 11 geführt. Die vorbestimmte Reinheit des Produktgases wird im allgemeinen von ungefähr 90 % bis ungefähr 99,9 % betragen.
Wenn die Reinheit des angereicherten Gases aus dem Auslaßende von Säule 1 unter ungefähr 0,1 % bis ungefähr 10 % unter die vorbestimmte Reinheit fällt, wodurch es Magergas wird, werden die Sperrventile 8 und 12 geschlossen, was die Produktion von Produktgas beendet. Sperrventile 21 und 24 werden dann geöffnet und gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Magerluft dann aus dem Auslaßende von Säule 1 zu dem Einlaßende von Säule 2 über Leitung 20 geführt, um im wesentlichen den Druck von Säule 1 und Säule 2 auszugleichen. Der Druck von Säule 2 liegt in dem Bereich von ungefähr 25 % bis ungefähr 50 %, vorzugsweise von ungefähr 35 % bis ungefähr 45 % des Adsorptionsdruckes.
Wenn der Druckausgleichsschritt abgeschlossen ist, werden die Sperrventile 21 und 24 dann geschlossen und Sperrventil 13 wird geöffnet. Produktgas aus Reservoir 11 wird dann in das Auslaßende von Säule 2 geführt, um Säule 2 zurückzufüllen. Der Druck der zurückgefüllten Säule 2 liegt im allgemeinen im Bereich von ungefähr 50 % bis ungefähr 100 %, vorzugsweise von ungefähr 60 % bis ungefähr 80 % des Adsorptionsdruckes.
Wenn der Rückfüllschritt abgeschlossen ist, wird das Sperrventil 9 geöffnet, um Speisegas aus Kompressor 6 zu dem Einlaßende von Säule 2 einzulassen und der Zyklus wird wiederholt.
Säule 1 wird regeneriert, indem die Stopventile 12 und 18 geöffnet werden und Säule 1 an Atmosphäre belüftet wird. Säule 1 wird dann von dem Einlaßende über das Sperrventil 18 zu dem Desorptionsdruck evakuiert, während angereichertes Gas aus Produktreservoir 11 oder in alternativer Weise aus der erzeugenden Säule 2 bei der Produktgasspülrate in das Auslaßende von Säule 1 über Sperrventil 12 geführt wird. Im allgemeinen beträgt der Desorptionsdruck von ungefähr 3,33 x 10³ Pa (25 Torr) bis ungefähr 465 x 10³ Pa (350 Torr), vorzugsweise von ungefähr 6,67 x 10³ Pa (50 Torr) bis ungefähr 33,3 x 10³ Pa (250 Torr). Im allgemeinen liegt die Produktgasreinigungsrate von ungefähr 0,01 1/1/Zyklus bis ungefähr 2 1/1/Zyklus, vorzugsweise von ungefähr 0,1 1/1/Zyklus bis ungefähr 0,8 1/1/Zyklus.
Somit wird, wenn ein Adsorptionsbett Gas erzeugt, das andere Adsorptionsbett regeneriert. Im allgemeinen liegt die Zeit, um einen Zyklus (Zykluszeit) abzuschließen, in dem Bereich von ungefähr 30 Sekunden bis ungefähr 600 Sekunden, vorzugsweise ungefähr 45 Sekunden bis ungefähr 300 Sekunden.
In dem Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung, das oben beschrieben ist, wird der Ausgleich des Drucks in Säulen 1 und 2 dem Abschluß des Stickstoffproduktionsschrittes folgend bewirkt, indem Gas aus der Säule übertragen wird, welche gerade die Produktion abgeschlossen hat, und zwar über ihren Auslaß, und in die Säule, welche gerade die Regeneration abgeschlossen hat, und zwar über ihren Einlaß (Auslaß zu Einlaßdruck- Ausgleich). Zum Beispiel wird, wenn Säule 1 ihren Produktionszyklus abgeschlossen hat und Säule 2 ihren Regenerationszyklus, Ausgleich von Säulen 1 und 2 ausgeführt, indem Gas aus Säule 1 zu Säule 2 durch Ventil 21, Leitung 20 und Ventil 24 transferiert wird.
Es passiert manchmal, daß der Fluß von Ausgleichgas in die Säule, welche gerade ihren Evakuierungsschritt abgeschlossen hat, das Adsorptionsbett in dieser Säule signifikant stört. Dies resultiert, weil das plötzliche Eindringen von Gas mit hohem Druck in das evakuierte Bett heftige Levitation des Bettes, das heißt Anhebung verursacht. Dies ist besonders der Fall, wenn das Verhältnis des Säulendurchmessers zu seiner Höhe klein ist. Das folgende alternative Ausführungsbeispiel der Erfindung minimiert die Störung der Betten in Säulen mit einer derartigen Konfiguration. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Druckausgleich zwischen den zwei Säulen, der dem Druckschwungadsorptionsschritt folgt, durch eine Variation des oben beschriebenen Verfahrens ausgeführt.
Gemäß dem Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wird der Druckausgleich der Gefäße 1 und 2 erreicht, indem Gas aus der Säule übertragen wird, die gerade ihren Produktionsschritt abgeschlossen hat, und zwar zu der Säule, die gerade ihren Evakuierungsschritt abgeschlossen hat, indem das Gas dazu veranlaßt wird, aus der ersteren Säule durch ihr Auslaßende auszutreten und in die letztere Säule einzutreten, indem es durch sowohl ihr Einlaßende als auch ihr Auslaßende (Auslaß zu Einlaß und Auslaß-Druckausgleich) fließt. Der simultane Fluß von unter Druck setzendem Gas in sowohl das Auslaßende als auch das Einlaßende der Säule, die das Gas empfängt, kann für die gesamte Dauer der Druckausgleichsperiode oder nur während eines Teils dieser Periode stattfinden. Zum Beispiel kann das Gas kontinuierlich in die zweite Säule durch sowohl ihr Einlaßende als auch ihr Auslaßende für die gesamte Druckausgleichsperiode fließen oder sie kann in die Säule durch sowohl ihr Einlaßende als auch ihr Auslaßende für einen Teil der Druckausgleichsperiode fließen und durch entweder ihr Einlaßende oder das Auslaßende für den Rest der Ausgleichsperiode. Jede Kombination von Flüssen ist erlaubbar, solange wie Fluß sowohl zu dem Säuleneinlaßende als auch dem Auslaßende während einigen Teils der Druckausgleichsperiode auftritt.
Mit Bezug auf Figur 1 kann der modifizierte Druckausgleich dieses Ausführungsbeispiels wie folgt fortschreiten. Nachdem Säule 1 ihren Produktionsschritt abgeschlossen hat und Säule 2 ihren Evakuierungsschritt abgeschlossen hat, kann Druckausgleich von Gefäßen 1 und 2 erreicht werden, indem Sperrventil 8 und 12 geschlossen werden und Sperrventile 21, 23 und 24 geöffnet werden. Magergas fließt dann aus Gefäß 1 durch ihr Auslaßende, durch das offene Ventil 21 und in Gefäß 2, und zwar durch beide offene Ventile 23 und 24 simultan. In dem alternierenden Zyklus, wenn Gefäß 2 gerade seinen Produktionsschritt abgeschlossen hat und Gefäß 1 seinen Evakuierungsschritt, werden Sperrventile 9 und 13 geschlossen und Sperrventile 21, 22 und 23 werden geöffnet. Dies erlaubt Gas aus Gefäß 2 durch sein Auslaßende zu fließen, und zwar durch das offene Ventil 23 und in Gefäß 1 durch beide offene Ventile 21 und 22 simultan. Das modifizierte Verfahren dieses Ausführungsbeispiels weist den Vorteil auf, daß es den schnellen Ausgleich von Gefäßen 1 und 2 mit sehr wenig oder gar keiner Störung des Bettes erlaubt, das das unter Druck setzende Gas empfängt.
Die vorliegende Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, welche zum Demonstrieren aber nicht zum Begrenzen des Verfahrens dieser Erfindung präsentiert werden.

BEISPIELE 1 - 7

Diese Beispiele veranschaulichen die Trennung einer gasförmigen Mischung, um angereichertes Gas über herkömmliche Druckschwungadsorptionsverfahren zu bilden und das Druckschwungadsorptionsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Luft wurde getrennt, um angereicherten Stickstoff über das Druckschwungadsorptionsverfahren bei einem Adsorptionsdruck von 698 x 10³ Pa (100 psig) zu bilden, einem Desorptionsdruck von 18 x 10³ Pa (135 Torr), einer Zykluszeit von 240 Sekunden und einer spezifische Produktgasreinigungs- bzw. -spülrate von 0./25 1/1/Zyklus (Liter Gas/Liter Adsorptionsmittel/Zyklus).
Wenn Luft gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung getrennt wurde (Auslaßende-Einlaßende-Druckausgleichsschritt, Rückfüllschritt und Evakuierungs- und Reinigungsschritt) bei 99 % Stickstoffreinheit, war das spezifische Produkt, das erhalten wurde, 129,2 1/h und die Ausbeute des Produktes betrug 66,5 %, Beispiel 1, siehe Figuren 2 - 3. Wenn Luft in der oben dargelegten Weise getrennt wurde, außer daß der Reinigungsschritt ohne Evakuierung durchgeführt wurde, aber nur mit Belüftung an Atmosphärendruck, betrug das spezifische Produkt, das erhalten wurde, 72,2 1/h und die Ausbeute des Produktes betrug 52 %, Beispiel 2, siehe Figuren 2 - 3. Wenn Luft in der oben dargestellten Weise getrennt wurde, außer daß der Druckausgleichschritt ausgeführt wurde, indem Oberseite-Oberseite (Auslaßende-Auslaßende) und Boden-Boden (Einlaßende-Einlaßende) verbunden wurden, betrug das spezifische Produkt 117,6 1/h und die Ausbeute des Produktes betrug 63,7 %, Beispiel 3, siehe Figuren 2 - 3. Wenn Luft in der dargestellten Weise getrennt wurde, außer daß der Druckausgleichsschritt ausgeführt wurde, indem Oberseite-Oberseite (Auslaßende-Auslaßende) und Boden-Boden (Einlaßende-Einlaßende) verbunden wurden und der Reinigungsschritt ohne Evakuierung, sondern nur mit Belüftung an Atmosphärendruck ausgeführt wurde, betrug das spezifische Produkt, das erhalten wurde, 81,7 1/h und die Ausbeute des Produktes betrug 55,5 %, Beispiel 4, siehe Figuren 2 -3. Wenn Luft in der dargestellten Weise getrennt wurde, außer daß der Druckausgleichsschritt ausgeführt wurde, indem Oberseite-Oberseite (Auslaßende-Auslaßende) und Boden-Boden (Einlaßende-Einlaßende) verbunden wurde, der Reinigungsschritt ohne Evakuierung, sondern nur mit Belüftung an Atmosphärendruck ausgeführt wurde und der Unter-Drucksetz-Sschritt nur unter Verwendung von Magerluft und nicht mit einem Rückfüllschritt ausgeführt wurde, betrug das spezifische Produkt, das erhalten wurde, 77,1 1/h und die Ausbeute des Produktes betrug 54,4 %, Beispiel 5, siehe Figuren 2 - 3.
Wenn der Unter-Druck-Setzschritt ausgeführt wurde, wobei nur Magergas verwendet wurde, wie in der US-A-4 376 640 beschrieben und das unter Ultradruck gesetzte Gefäß isoliert wurde, dann belüftet und evakuiert, betrug das spezifische Produkt 125,2 1/h und die Ausbeute des Produktes betrug 62,6 %.
Wenn die Zyklus zeit für das Verfahren von Beispiel 1 von 240 Sekunden zu 180 Sekunden abnahm, erhöhte sich das spezifische Produkt, das bei 99 % Stickstoffreinheit erhalten wurde, zu 150,2 1/h und die Produktausbeute nahm zu 65,3 % ab, siehe Figuren 4 - 5.
Beispiel 6 veranschaulicht die Trennung von Luft durch das Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welcher der Ausgleichsschritt durchgeführt wird, indem Gas aus der Säule übertragen wird, die gerade ihren Produktschritt abschließt, und zwar durch ihren Auslaß und in die Säule, die gerade ihren Evakuierungsschritt abschließt, durch sowohl ihren Einlaß als auch ihren Auslaß.
Luft wurde getrennt, um angereicherten Stickstoff über Druckschwungadsorption zu bilden, bei einem Adsorptionsdruck von 698 x 10³ Pa (100 psig), einer Zykluszeit von 240 Sekunden, einer spezifischen Produktgasreinigungsrate von 0,5 1/1/Zyklus und mit Desorption bei Atmosphärendruck. Das spezifische Produkt und die Produktausbeute waren respektive 26,5 % und 12,3 % größer als das spezifische Produkt und die Produktausbeute, die erhalten wurde, wenn das Experiment unter identischen Bedingungen ausgeführt wurde, außer daß der Ausgleich der Säulen ausgeführt wurde, indem Gas aus dem Auslaßende der Säule übertragen wurde, die gerade ihren Produktionsschritt abgeschlossen hatte und in nur das Einlaßende der Säule, die gerade ihren Evakuierungsschritt abgeschlossen hat.
In Beispiel 7 wurde das Verfahren von Beispiel 6 wiederholt, außer daß die Desorption bei einem Druck von 40 x 10³ Pa (300 Torr) durchgeführt wurde. Der Anstieg bezüglich des spezifischen Produktes und der Produktausbeute verglichen mit dem spezifischen Produkt der Produktausbeute, die durch nur Auslaßende-Zu-Einlaßende Druckausgleich erhalten wurden, betrugen 4,4 % und 5,2 % respektive.
Demgemäß schafft das verbesserte Druckschwungadsorptionsverfahren zum Trennen gasförmiger Mischungen gemäß beiden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung angereicherte Gase in hoher Ausbeute und hoher Reinheit.

Claims

1. Ein Adsorptionsverfahren zum Trennen einer gasförmigen Mischung in einer Vielzahl von Adsorptionsbetten, die außer Phase miteinander betrieben werden, um ein angereichertes Gas mit einer vorbestimmten Reinheit zu erzeugen, welches die Schritte umfaßt,

a) die gasförmige Mischung in ein Einlaßende eines Adsorptionsbettes bei einem Adsorptionsdruck in dem Bereich von 104 x 10³ Pa (15 psig) bis ungefähr 3,448 x 10&sup6; Pa (500 psig) geführt wird, während angereichertes Gas aus dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes entzogen wird und das angereicherte Gas als Produkt gesammelt wird;

b) wenn die Reinheit des angereicherten Gases aus dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes zu ungefähr 0,1 % bis ungefähr 10 % unter die vorbestimmte Reinheit fällt, wodurch es Magergas wird, der Fluß der gasförmigen Mischung in das eine Adsorptionsbett gestoppt wird und das Magergas aus dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes in das Einlaßende eines anderen Adsorptionsbettes geführt wird, welches gerade Schritt c) abgeschlossen hat, bis der Druck des anderen Adsorptionsbettes in dem Bereich von ungefähr 25 % bis ungefähr 50 % des Adsorptionsdruckes liegt;

c) der Fluß von Magergas aus dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes beendet wird und das eine Adsorptionsbett von dem Einlaßende zu einem Desorptionsdruck von ungefähr 3,33 x 10³ Pa (25 Torr) bis ungefähr 465 x 10³ Pa (350 Torr) evakuiert wird, während das eine Adsorptionsbett gereinigt wird, indem angereichertes Gasprodukt in das Auslaßende des einen Adsorptionsbettes hineingeführt wird;

d) das eine Adsorptionsbett partiell unter Druck gesetzt wird, indem Magergas aus dem Auslaßende eines anderen Adsorptionsbettes, welches gerade Schritt a) abgeschlossen hat, zu dem Einlaßende des einen Adsorptionsbettes geführt wird, bis der Druck in dem einen Adsorptionsbett in dem Bereich von ungefähr 25 % bis ungefähr 50 % des Adsorptionsdruckes liegt;

e) weiter das eine Adsorptionsbett unter Druck gesetzt wird, indem angereichertes Gas in das Auslaßende des einen Adsorptionsbettes geführt wird, um das eine Adsorptionsbett zurückzufüllen, bis der Druck des zurückgefüllten Adsorptionsbettes in dem Bereich von ungefähr 50 % bis ungefähr 100 % des Adsorptionsdruckes liegt;

f) das eine Adsorptionsbett unter Druck gesetzt wird, indem die gasförmige Mischung in das Einlaßende des einen Adsorptionsbettes bei einem Adsorptionsdruck in dem Bereich von ungefähr 104 x 10³ Pa (15 psig) bis ungefähr 3,448 x 10&sup6; Pa (500 psig) geführt wird; und

g) die obigen Schritte in einem kontinuierlichen Zyklus wiederholt werden, der ein anderes Adsorptionsbett in der Vielzahl von Adsorptionsbetten wie das eine Adsorptionsbett behandelt.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, in welchem bei Schritt d) das partielle Unter-Druck-Setzen des einen Adsorptionsbettes erreicht wird, indem Magergas aus dem Auslaßende eines anderen Adsorptionsbettes geführt wird, welches gerade Schritt a) abgeschlossen hat, und zwar sowohl zu dem Einlaßende als auch dem Auslaßende des einen Adsorptionsbettes, bis der Druck in dem einen Adsorptionsbett in dem Bereich von ungefähr 25 % bis ungefähr 50 % des Adsorptionsdruckes liegt.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Adsorptionsbetten Kohlenstoffmolekularsiebe umfassen, die gasförmige Mischung Luft ist und das angereicherte Gas Stickstoff ist.

4. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, in welchem die vorbestimmte Reinheit zwischen ungefähr 90 % bis ungefähr 99,9 % liegt.

5. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem in Schritt a) der Adsorptionsdruck in dem Bereich von ungefähr 346 x 10³ Pa (50 psig) bis ungefähr 3,448 x 10&sup6; Pa (500 psig) liegt.

6. Ein Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welchem in Schritt b) der Druck des anderen Adsorptionsbettes nach dem Druckausgleichschritt in dem Bereich von ungefähr 35 % bis ungefähr 45 % des Adsorptionsdruckes liegt.

7. Ein Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welchem in Schritt c) das eine Adsorptionsbett von dem Einlaßende zu einem Desorptionsdruck von ungefähr 6,67 x 10³ Pa (50 Torr) zu ungefähr 33,3 x 10³ Pa (250 Torr) evakuiert wird.

8. Ein Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welchem in Schritt c) das eine Adsorptionsbett gereinigt wird, indem angereichertes Gasprodukt in das Auslaßende des einen Adsorptionsbettes bei einer Reinigungsrate von ungefähr 0,01 1/1 Zyklus bis ungefähr 2 1/1 Zyklus geführt wird.

9. Ein Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welchem der Druck des einen Adsorptionsbettes beim Ende von Schritt e) in dem Bereich von ungefähr 60 % bis ungefähr 80 % des Adsorptionsdrukkes liegt.

10. Ein Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welchem der Druck des einen Adsorptionsbettes beim Ende von Schritt f) in dem Bereich von ungefähr 6,67 x 10³ Pa (50 psig) bis ungefähr 1,38 x 10&sup6; Pa (200 psig) liegt.