DE69213309T2

DE69213309T2 - Vorrichtung zur Trennung und Zurückgewinnung von Gasen

Info

Publication number: DE69213309T2
Application number: DE69213309T
Authority: DE
Inventors: Yasuyoshi C O Mitsubi Ishizaki; Jun Izumi; Yoshimi Kagimoto; Hideo C O Mitsubishi Ju Nawata; Kazuaki Ohshima; Kunio Saki; Sadamu Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-05-09
Filing date: 1992-05-07
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-05-08
Also published as: AU647617B2; US5248325A; DE69213309D1; EP0512534B1; AU1610192A; EP0512534A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Gastrennanlage und eine Gasrückgewinnungsanlage. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Gastrennanlage des Druckwechsel-Typs (nachstehend gelegentlich PSA-Anlage genannt), die, wie aus EP-0 107 179 A2 bekannt, zum Reinigen und Rückgewinnen von Gasen verwendet wird.
Eine herkömmliche PSA-Anlage umfaßt einen mit einem Adsorbens gefüllten Absorber. Unbehandeltes Gas wird in den Absorber eingeleitet, in dem ein bestimmter Bestandteil im Gas (z.B. CO&sub2;, NH&sub3;, O&sub2;, unerwünschte Beimengungen usw.) an das Adsorbens adsorbiert wird. Als Ergebnis kann behandeltes Gas erzielt werden, das durch den Absorber geströmt ist, ohne an das Adsorbens adsorbiert zu werden.
Durch Wiederholen des vorstehend genannten Zyklus wird eine bestimmte Gaskomponente im unbehandelten Gas rückgewonnen oder es wird eine bestimmte Gaskomponente gereinigt.
Die vorstehend beschriebene herkömmliche PSA-Anlage hat, wie nachstehend angegeben, einige Nachteile, weil die Adsorptions- und Desorptionsprozesse wiederholt werden und diese Prozesse im absatzweisen Betrieb mittels vieler Ventile durchgeführt werden. Die Nachteile sind folgende:
1) Es werden große Mengen Adsorbens benötigt, weil ein Zyklus mehrere Minuten dauert.
2) Eine Gaszuführvorrichtung für unbehandeltes Gas und eine Abführvorrichtung (Vakuumpumpe) sind sich ständig drehende Turbomaschinen, die nicht auf den absatzweisen Betrieb abgestimmt sind, daher geringen Wirkungsgrad bieten. Insbesondere die Abführvorrichtung arbeitet im Adsorptionsprozeß, die Gaszuführvorrichtung dagegen im Desorptionsprozeß unwirtschaftlich.
3) Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der PSA-Anlage sind vergrößerte Mengen Absorbens und viele Ventile großer Abmessungen sowie die Öffnungs/Schließsteuerung erforderlich, wodurch sich höherer Kosten ergeben.
4) Das Schlaggeräusch beim Öffnen/Schließen der Ventile und das bei abrupter Änderung des Gasdruckes entstehende Geräusch in der Anlage sind stark.
Auch wurde bisher eine Rotations-Gasrückgewinnungsanlage gemäß Fig. 1 bis 4 benutzt.
In Fig. 1 bezeichnet 401 eine obere feste Abdichtplatte, 402 eine untere feste Abdichtplatte, 403 und 404 an den Abdichtplatten angeordnete Lager, 405 eine sich drehende Welle, die in den Lagern drehbar gelagert ist, 406 einen an der sich drehenden Welle angeordneten Klotz, 407 eine Rotations-Adsorptions/Desorptionsvorrichtung, die mit den Klötzen 406 mit der sich drehenden Welle 405 drehfest verbunden ist und sich zwischen der oberen festen Abdichtplatte 401 und der unteren festen Abdichtplatte 402 dreht, 408 eine Rohgaszuführöffnung, die in der oberen festen Abdichtplatte 401 angeordnet ist, 409 eine Ablaßöffnung für bestimmtes Gas, die in der oberen festen Abdichtplatte 401 angeordnet ist, 410 eine Produktgasauslaßöffnung, die in der unteren festen Abdichtplatte 402 angeordnet ist, 411 ein in der unteren festen Abdichtplatte angeordnetes kleines Loch zum Zuführen von Spülgas, 412 eine Vielzahl von Kammern, die sich axial durch die Rotations-Adsorptions/Desorptionsvorrichtung erstrecken, 413 ein in jede Kammer eingebrachtes Adsorbens, 414 einen Gasverdichter zum Zuführen des Rohgases unter Druck durch die Rohgaszuführöffnung 408, 415 eine Vakuumpumpe, die mit der Ablaßöffnung für bestimnmtes Gas verbunden ist und das bestimmte Gas zum Ausleiten und Rückgewinnen drucklos macht und ansaugt, 416 eine Dichtfläche zwischen der oberen festen Abdichtplatte 401 und der Rotations-Adsorptions/Desorptionsvorrichtung 407, und 417 eine Dichtfläche zwischen der unteren festen Abdichtplatte 402 und der Rotations-Adsorptions/Desorptionsvorrichtung 407.
Bei der vorstehend beschriebenen Anlage wird das Rohgas vom Gasverdichter 414 durch die Rohgaszuführöffnung 408 in die Kammern 412 der Rotations-Adsorptions/Desorptionsvorrichtung abgegeben. In den Kammern 412 wird ein bestimmtes Gas an das Adsorbens 413 in der Kammer 412 adsorbiert, und das Gas, das nicht adsorbiert wurde, das heißt das Produktgas, wird durch die Produktgasauslaßöffnung abgegeben. Wenn durch die Drehung der Adsorptions/Desorptionsvorrichtung 407 die Kammer, die mit dem Adsorbens gefüllt ist, an das ein bestimmtes Gas adsorbiert wurde, in Verbindung mit der Ablaßöffnung 409 für bestimmtes Gas kommt, wird das bestimmte Gas vom Adsorbens 413 durch die Saugwirkung der Vakuumpumpe 415 entfernt und zur Rückgewinnung ausgeleitet. Bei diesem Prozeß wird ein Spülgas durch das kleine Loch für Spülgaszuführung in der unteren festen Abdichtplatte 402 zugeführt. Somit wird das Produktgas erzeugt, und das bestimmte Gas wird durch die Drehung der Adsorptions/Desorptionsvorrichtung 407 ständig rückgewonnen.
Bei der vorstehend beschriebenen Anlage dreht sich die Adsorptions/Desorptionsvorrichtung 407 und die oberen und unteren Abdichtplatten 401, 402 sind fest. Die Berührungsflächen können daher nicht vollständig verbunden werden, und es sind Dichtflächen mit einem Spalt vorhanden, so daß das Rohgas an der Dichtfläche 416 austritt. Bei der Rückgewinnung des bestimmten Gases strömt externes Gas an der Dichtfläche 416 ebenfalls in die Ablaßöffnung 409 für bestimmtes Gas. Das Leckgas stellt kein Problem der Verschlechterung der Anlagenleistung dar, wenn es 1% oder weniger des zugeführten Gases beträgt. Wenn jedoch die Anlagenleistung erhöht wird, nimmt die Fertigungsgenauigkeit an den Abdichtplatten 401, 402 ab und folglich vergrößern sich die Spalte an den Dichtflächen 416, 417. Folglich verschlechtert die Zunahme des Leckgases die Anlagenleistung. Weil die Menge des Leckgases der dritten Potenz des Spalts proportional ist, ist die Spaltwirkung sehr groß. Außerdem wird durch Abnutzung der Dichtfläche der Spalt größer, so daß sich die Anlagenleistung mit der Zeit verschlechtert. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit ist eine häufige Wartung notwendig, wodurch die Betriebskosten der Anlage erhöht werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Gastrennanlage und einer Gasrückgewinnungsanlage (einschließlich einer PSA-Anlage), welche die vorstehend genannten Nachteile beseitigen.
Eine erfindungsgemäße Gastrennanlage des Druckwechsel-Typs, die zur Lösung dieser Schwierigkeit geeignet ist, ist im beigefügten Anspruch definiert.
Die Verwendung von drehbaren Ventilplatten verringert den Adsorbensverbrauch, erhöht den Wirkungsgrad der Gastrennanlage, wodurch die Kosten reduziert werden, und mindert das Geräusch. Somit können die Nachteile der herkömmlichen Gasrückgewinnungsanlage beseitigt werden.
Die Adsorptions- und Desorptionsprozesse werden aufeinanderfolgend und kontinuierlich in den Adsorptionsabschnitten durch die Drehung der Ventilplatte des Wählventils durchgeführt. Daher können nachstehend angegebene Wirkungen erzielt werden:
1) Weil die Ventilplatte eine Drehbewegung mit kleinem Drehradius ausführt, kann die Gleitgeschwindigkeit der Ventilplatte relativ zum ersten und zum zweiten Verteiler verringert, dadurch die erforderliche Antriebskraft herabgesetzt werden.
2) Die Öffnungen im ersten und im zweiten Verteiler und in der Ventilplatte sind nicht notwendigerweise radial angeordnet, was einen größeren Freiheitsgrad bei der Anordnung bietet, wodurch die Anlage kompakter wird.
3) Die Zykluszeit kann verkürzt werden, und die Menge des Adsorbens, mit dem die Adsorptionsabschnitte gefüllt sind, kann verkleinert werden.
4) Der Leistungsverlust ist niedrig, und der Wirkungsgrad der Gastrennung kann erhöht werden, weil die Gaszuführeinrichtung und die Ableiteinrichtung keine unwirtschaftlichen Wartezeiten verbringen.
5) Es kann eine Anlage hoher Leistung und niedriger Kosten auf einfache Weise vorgesehen werden, weil anstelle des herkömmlichen Ein-Aus-Ventils eine drehbare Ventilplatte verwendet wird.
6) Die Verwendung großer Dichtglieder ist nicht nötig, weil die Dichtung für jeden Adsorptionsabschnitt oder für jede Öffnung des ersten Verteilers unabhängig auf der Seite des Adsorptionsabschnitts angeordnet werden kann.
Die Erfindung wird im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine senkrechte Schnittansicht einer herkömmlichen Rotations-Gasrückgewinnungsanlage,
Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene der Linie L-L in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt in der Ebene der Linie M-M in Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt in der Ebene der Linie N-N in Fig. 1,
Fig. 5 eine senkrechte Schnittansicht mit der Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 eine Schnittansicht des Hauptteils der Ausführungsform gemäß Fig. 5,
Fig. 7 eine Anordnung von Öffnungen im zweiten Verteiler und in der Ventilplatte der Ausführungsform gemäß Fig. 5, und
Fig. 8 eine Ansicht mit der Darstellung der Beziehung zwischen Öffnungen im zweiten Verteiler und in der Ventilplatte gemäß Fig. 5.
Eine Ausführungsform dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis 8 beschrieben. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen zylindrischen Adsorptionsturm mit vier senkrecht unterteilten Adsorptionsabschnitten 12', die mit einem Adsorbens 11 gefüllt sind. Unter dem Adsorptionsturm ist ein scheibenförmiger erster Verteiler 14 angeordnet. Der erste Verteiler 14 weist kreisrunde Öffnungen 14a auf, die am unteren Teil der Adsorptionsabschnitte 12' münden, und kreisrunde Öffnungen 14b auf der außengelegenen Seite der Öffnung 14a; die Öffnung 14b ist mit einem Rohr 13 verbunden, das mit dem oberen Teil des Adsorptionsabschnitts 12' in Verbindung steht. In der radialen Richtung des Adsorptionsturms sind den Adsorptionsabschnitten 12' entsprechende vier Satz Öffnungen 14a, 14b angeordnet.
Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen scheibenförmigen zweiten Verteiler, der parallel unterhalb des ersten Verteilers 14 angeordnet ist. Der zweite Verteiler 15 weist kreisrunde Öffnungen 15a, 15b, 15c, 15d auf, die gemäß Fig. 8 in dieser Reihenfolge von innen nach außen in der radialen Richtung des Adsorptionsturms 12 angeordnet sind. Diese Öffnungen entsprechen den Öffnungen 14a, 14b des ersten Verteilers, die dem Adsorptionsabschnitt 12' entsprechen. Die Öffnungen 15a, 15b sind unter der Öffnung 14a des ersten Verteilers und die Öffnungen 15c, 15d sind unter der Öffnung 14b des ersten Verteilers angeordnet.
Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine zwischen dem ersten und dem zweiten Verteiler 14 bzw. 15 gleitend angeordnete Ventilplatte. Die Ventilplatte 16 wird durch Exzenterscheiben 17a, 17b drehangetrieben, die sich in gleicher Richtung mit der gleichen Außermittigkeit r um Wellen 17'a, 17'b drehen, die an beiden zur Mitte des Adsorptionsturms 12 entgegengesetzten Enden rechtwinklig zur Ventilplatte 16 angeordnet sind. Die Ventilplatte weist ebenfalls kreisrunde Öffnungen 16a, 16b in der radialen Richtung des Adsorptionsturms 12 auf. Die Öffnungen 16a, 16b bewegen sich so, daß sie während der Drehung der Ventilplatte an der Innenseite der Öffnungen 14a, 14b des ersten Verteilers 14 tangential sind, und weisen denselben Durchmesser auf wie die Öffnungen 15a bis 15d des zweiten Verteilers 15. Beim Drehen der Ventilplatte 16 öffnen sich die Öffnungen 16a und 16b nacheinander in die entsprechenden Öffnungen 15a, 15b sowie 15c, 15d des zweiten Verteilers 15, wie dies in Fig. 7 und 8 dargestellt ist.
Die Öffnung 15a des zweiten Verteilers 15 ist mit einer Vakuumquelle verbunden, die Öffnung 15b mit einer Quelle unbehandelten Gases, die Öffnung 15c mit einer Raffiniergasquelle und die Öffnung 15d mit einer Quelle behandelten Gases.
In Fig. 7 bezeichnen α, β, γ, δ die den Adsorptionsabschnitten 12' entsprechenden Sektoren. Im Adsorptionsabschnitt 12' unterscheidet sich der Winkel, der von dem von den Öffnungen 16a, 16b der Ventilplatte 16 zum virtuellen Drehpunkt gerichteten Vektor und dem von der Öffnung 15a zur 15b und von 15c zur 15d gerichteten Vektor gebildet ist, um jeweils π/2 Radiant. Bei dieser Ausführungsform, in der der Adsorptionsabschnitt gevierteilt ist, ist es am besten, den Winkel um π/2 zu ändern, jedoch ist im allgemeinen, wenn der Adsorptionsabschnitt in n Teile geteilt ist, die Änderung des Winkels um 2π/n am besten.
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Öffnung 16a der Ventilplatte 16 und den Öffnungen 15a, 15b für einen bestimmten Adsorptionsabschnitt 12'. In Fig. 8 ist die Beziehung für jedes Zyklusachtel durch (A) bis (I) dargestellt. In der Figur ist der Zustand, in dem die Öffnung 16a über der Öffnung 15a oder 15b liegt, durch Schraffierung angegeben, und die Bewegungsrichtung der Öffnung 16a ist durch den Pfeil a angegeben. Die Beziehung zwischen der Öffnung 16b der Ventilplatte 16 und den Öffnungen 15c, 15d des zweiten Verteilers 15 ist (A) bis (I) in Fig. 8 ähnlich, jedoch in den Zeichnungen nicht dargestellt. Gemäß Fig. 8 führt die Öffnung 16a durch den Pfeil a angegebene Kreisbewegungen mit dem Radius r um den virtuellen Mittelpunkt 0 aus, wenn sich die Ventilplatte 16 dreht.
Unter den Bedingungen von (B) bis (D) in Fig. 8, unter denen die Öffnung 16a mit der Öffnung 15b in Verbindung steht (zu diesem Zeitpunkt steht auch die Öffnung 16b mit der Öffnung 15d in Verbindung), wird der Adsorptionsprozeß durchgeführt: Das unbehandelte Gas wird in den Adsorptionsabschnitt 12' durch die Öffnungen 15b, 16a und 14a eingeleitet. Im Adsorptionsabschnitt 12' wird eine bestimmte Komponente im unbehandelten Gas an das Adsorbens 11 adsorbiert, und das behandelte Gas wird durch das Rohr 13 und die Öffnungen 14b, 16b und 15d ausgeleitet. Unter den Bedingungen von (F) bis (H) in Fig. 8, unter denen die Öffnung 16a mit der Öffnung 15a in Verbindung steht (zu diesem Zeitpunkt steht auch die Öffnung 16b mit der Öffnung 15c in Verbindung), wird der Desorptionsprozeß ausgeführt: Das Raffiniergas wird in den Adsorptionsabschnitt 12' durch die Öffnungen 15c, 16b und 14b und das Rohr 13 eingeleitet, während der Adsorptionsabschnitt 12' an eine Vakuumquelle über die Öffnungen 14a, 16a und 15a angeschlossen ist, so daß die an das Adsorbens 11 adsorbierte bestimmte Komponente aus dem Adsorptionsabschnitt 12' ausgeleitet wird. (A), (E) und (I) sind neutrale Prozesse zwischen den vorstehend beschriebenen Adsorptions- und Desorptionsprozessen. Die vorstehend beschriebenen Prozesse werden mehrmals ausgeführt, mit jeweils einem Zyklus je Drehbewegung der Ventilplatte 16.
In den Adsorptionsabschnitten 12' werden die vorstehend beschriebenen Adsorptions-, Desorptions- und Neutralprozesse mit, gemäß Fig. 7, einer Phasenversetzung um 1/4 ausgeführt, so daß die Adsorption durch das Adsorbens 11 und die Desorption in einigen Adsorptionsabschnitten 12' gleichzeitig ausgeführt werden.
Die Bewegung der Ventilplatte 16 bei der Durchführung der vorstehend genannten Prozesse ist eine Drehbewegung aufgrund der Drehbewegung der Exzenterscheiben 17a, 17b mit einer Außermittigkeit r. Die Außermittigkeit r, die der Drehradius der Drehbewegung ist, kann ausreichend klein sein; die Gleitgeschwindigkeit der Ventilplatte 16 kann daher bei dieser Ausführungsform verringert werden, verglichen mit der PSA- Anlage mit drehbarem, sich um eine Achse drehenden Ventil, wodurch die erforderliche Antriebskraft reduziert wird.

Claims

Gastrennanlage des Druckwechsel-Typs mit Adsorptionsabschnitten (12'), die mit einer Gaszuführquelle und einer Vakuumquelle über ein Schaltventil verbunden sind, bei der das Schaltventil einen ersten Verteiler (14) aufweist, der mit mit den Adsorptionsabschnitten verbundenen Öffnungen versehen ist, einen zweiten Verteiler (15), der mit mit einer Gaszuführquelle verbundenen Öffnungen und mit mit einer Vakuumquelle verbundenen Öffnungen versehen ist, und eine Ventilplatte (16), die zwischen dem ersten Verteiler (14) und dem zweiten Verteiler (15) angeordnet ist und mit den Öffnungen (14a, 14b) im ersten Verteiler (14) verbundene Öffnungen (16a, 16b) aufweist, wobei die Ventilplatte (16) in einem Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Verteiler angeordnet ist und zur Herstellung von Verbindungen mit der Gaszuführquelle und der Vakuumquelle segmentweise gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte in derselben Richtung mit gleichem Drehradius um zwei parallele Achsen von zur Ventilplatte (16) normalen Wellen (17'a, 17'b) drehbar ist, so daß ihre Öffnungen nacheinander mit den an die Gaszuführquelle angeschlossenen Öffnungen und mit den an die Vakuumquelle angeschlossenen Öffnungen im zweiten Verteiler (15) verbunden werden.