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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Druckwechseladsorptionssysteme zur Luftzerlegung. Insbesondere befaßt sie sich
mit der Verwendung eines Einbett-Druckwechseladsorptionssystems
für die
Gewinnung von geringen Volumina an Sauerstoff aus Luft.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Das Druckwechseladsorptions(PSA)-Verfahren
und -System stellt einen kommerziell attraktiven Ansatz zum Abtrennen
und Reinigen mindestens einer Komponente eines Einsatzgasgemisches
dar, das mindestens eine weniger leicht adsorbierbare Komponente
und mindestens eine leichter adsorbierbare Komponente aufweist.
Die Adsorption erfolgt in einem Adsorptionsmittelbett bei einem
oberen Adsorptionsdruck, wobei die leichter adsorbierbare Komponente
danach aus dem Adsorptionsmittelbett desorbiert wird, indem der Druck
des Adsorptionsmittelbettes auf einen niedrigeren Desorptionsdruck
abgesenkt wird. Die Durchführung des
Adsorptions/Desorptions-PSA-Verfahrens ist bekannt und beispielsweise
in US-A-3 430 418 offenbart, die sich mit Druckwechseladsorptionssystemen
mit vier oder mehr Betten befaßt.
Wie in diesem Patent offenbart ist, wird der Druckwechseladsorptionsprozeß im allgemeinen
auf zyklischer Basis in einer Prozeßabfolge ausgeführt, bei
der in jedem Bett erfolgen: (1) eine Druckadsorption, bei der Einsatzgas
dem Einsatzende des Bettes zugeleitet wird und die weniger leicht
adsorbierbare Komponente als Produktgas von dem Produktende des
Bettes freigesetzt wird; (2) eine Gleichstrom-Druckminderung auf
einen Zwischendruck unter Freisetzung von Lückenvolumengas von dem Produktende
des Bettes; (3) eine Gegenstrom-Druckminderung auf einen niedrigeren
Desorptionsdruck, wobei die leichter adsorbierbare Komponente von
dem Einsatzende des Bettes freigesetzt wird; (4) optional ein Spülen bei
dem niedrigeren Desorptionsdruck, wobei Spülgas dem Produktende des Bettes
zugeleitet wird, um die Beseitigung der aus dem Adsorptionsmittelbett
desorbierten leichter adsorbierbaren Komponente von dem Einsatzende
des Bettes zu unterstützen;
und (5) ein Wiederaufdrücken von
dem niedrigeren Desorptionsdruck auf den oberen Adsorptionsdruck,
so daß der
Zyklus mit zusätzlichen Mengen
an Einsatzgas wiederholt werden kann, welche dem Bett zugehen. Das
während
des Gleichstrom-Druckminderungsschrittes freigesetzte Lückenvolumengas
wird im allgemeinen zum Zwecke des Druckausgleichs zwischen Betten
in dem Mehrbettsystem und zur Bereitstellung von Spülgas für ein Bett
bei dessen niedrigerem Desorptionsdruck benutzt. Abwandlungen einer
solchen Prozeßfolge
werden in der einschlägigen
Technik bei Systemen verwendet, die ein oder mehrere Adsorptionsmittelbetten
aufweisen.
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Bei zahlreichen chemischen Prozessen,
Raffinierverfahren, der Metallherstellung und anderen industriellen
Anwendungen werden häufig
hochreine Gasströme
für eine
Vielzahl von Zwecken benutzt. Bei spielsweise wird hochreiner Sauerstoff
in verschiedenen Industrien, wie bei chemischen Prozessen, Stahlwerken, Papierherstellungsverfahren
sowie in Blei- und Glasproduktionsvorgängen benutzt. Viele derartige
Anwendungen erfordern typischerweise Sauerstoffreinheiten im Bereich
von 90 bis 93% und mit Durchflußmengen
von bis zu 2800 m3/h (100 000 ft3/hr) oder mehr. Druckwechseladsorptionsverfahren
eignen sich gut für
die Luftzerlegung zum Erzeugen von Sauerstoff und Stickstoff durch
unterschiedliche Verfahrensabläufe,
wie dem oben geschilderten, und Variationen davon, insbesondere
bei Operationen von relativ geringer Größe, bei denen der Einsatz einer
Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage sich aus wirtschaftlichen Gründen verbieten
kann. Bei solchen Druckwechseladsorptionssystemen, die für die Gewinnung
von hochreinem Sauerstoffprodukt als der weniger leicht adsorbierbaren
Komponente von Luft ausgelegt sind, enthält ein derartiges Adsorptionsmittelbett
im allgemeinen ein Adsorptionsmittel, das in der Lage ist, Stickstoff
als die leichter adsorbierbare Komponente der Luft selektiv zu adsorbieren,
wobei der Stickstoff anschließend
desorbiert und aus dem Bett beseitigt wird, nachdem der Druck des
Bettes auf den niedrigeren Desorptionsdruck abgesenkt wurde, während die
zyklische Adsorptions/Desorptions-Abfolge in dem Druckwechseladsorptionssystem
durchgeführt
wird.
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Bei Druckwechseladsorptions-Sauerstoff-
und anderen Druckwechseladsorptions-Prozeß-Anwendungen ist es erwünscht, die
Entwicklungs-, Herstellungs-, Transport- und Anlagenkosten zu minimieren,
um niedrigere Kapitalkosten und erhöhte Systemverläßlichkeit
zu erzielen. Dementsprechend ist es erwünscht, Druckwechseladsorptionssysteme
und -prozesse zu verwenden, welche die Anzahl der Betriebskomponenten,
wie Adsorptionsmittelbehälter,
Adsorptionsmittelbestand, zugehörige
Tanks, Ventile, Kompressionsanlage, Prozeßleitungen und dergleichen
zu minimieren. Die mit dem Betrieb von Druckwechseladsorptionssystemen
verbundenen Kosten werden durch den Einsatz von Prozessen minimiert,
die weniger Energie pro Einheit des erzeugten Produkts erfordern.
Solche Prozesse für
die Herstellung von Sauerstoff sollen eine hohe Ausbeute an Sauerstoff
aus Einsatzluft aufweisen, während
sie es erlauben, niedrige Kompressionsverhältnisse in Verbindung mit der
zugehörigen
Kompressionsanlage zu verwenden. Druckwechseladsorptionssysteme,
die vier oder mehr Adsorptionsmittelbetten aufweisen, wie dies bei
der obengenannten US-A-3 430 418 der Fall ist, eignen sich für gewisse
Gaszerlegungsoperationen, insbesondere um einen Betrieb mit hohem
Volumen, hoher Reinheit und hoher Ausbeute zu erreichen. Bei anderen
Anwendungen ist es möglich
und erwünscht,
Zwei- oder Dreibett-Druckwechseladsorptionssysteme
einzusetzen. Beispielsweise erwies es sich als zweckmäßig, Zweibett-Druckwechseladsorptionssysteme
für verschiedene
praktische kommerzielle Druckwechseladsorptions-Sauerstoffanwendungen zu benutzen. Das
zu trennende Einlaßgasgemisch
wird normalerweise auf einen höheren
Druck, für
gewöhnlich
von mehreren Atmosphären,
komprimiert, bevor die gewünschte
selektive Adsorption erfolgt. Das resultierende Hochdruck-Produktgas,
z. B. die weniger leicht adsorbierbare Sauerstoffkomponente von
Einsatzluft, wird in eine Pipeline zur Verwendung an stromab liegender
Stelle eingebracht. Bei typischen Zweibett-Druckwechseladsorptionsoperationen
werden transatmosphärische
Druckbedingungen verwendet. So läuft
ein Teil des Zyklus bei Drücken über dem
Atmosphärendruck
ab, und ein Teil bei Drücken
unter dem Atmosphärendruck.
Die Zerlegung erfolgt in der Regel bei Drücken, die sehr dicht bei einer Atmosphäre liegen,
und das Produktgas wird dann auf den gewünschten stromabwärtigen Druck
komprimiert. Dies erwies sich als eine kostensparende Betriebsart,
weil die notwendige Gaskompression im wesentlichen die für den Produktstrom,
und nicht für
den gesamten Einlaß-Einsatzgasstrom,
ist. Weil der Druckwechseladsorptions-Prozeßzyklus jedoch sowohl Überdruck-
als auch Unterdruck-Bedingungen einschließt, sind zwei Maschinen, nämlich ein
Einsatzgebläse
und ein Vakuumgebläse,
notwendig, um den Zyklus auszuführen.
Ein solches Zweibettsystem ist für
Sauerstoffanlagenkapazitäten
im Größenbereich
von 570 bis 1400 Standard m3/h (20000 NCFH
bis 50000 NCFH) oder mehr Sauerstoff kosteneffizient. Für Anwendungen
mit Durchsatzmengenerfordernissen, die unterhalb dieses Bereiches
liegen, machen die mit einem Zweibett-Vakuum-Druckwechseladsorptionssystem
(VPSA-System) verbundenen Kapitalkosten eine solche Arbeitsweise
unwirtschaftlich.
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Ein einzelnes Bett aufweisende Einmaschinen-Ausführungsformen
des VPSA-Systems wurden in der einschlägigen Technik vorgeschlagen,
um die Anfangskapitalkosten zu senken und das VPSA-System für Anwendungen
für niedrigere
Durchflußmengen
geeigneter zu machen. Weil ein großer Teil der mit einer VPSA-Sauerstoffanlage
verbundenen Kapitalkosten auf die Kosten von Luftgebläsen, der
Prozeßgefäße und des Adsorptionsmittels
zur Verwendung in diesen Gefäßen entfällt, versteht
es sich, daß die
Kapitalkosten wesentlich reduziert werden können, wenn die Anzahl der Gebläse und die
Anzahl der Adsorptionsmittelbehälter
in dem System halbiert wird, unabhängig davon, sei es für transatmosphärische Operationen
oder Systeme, bei denen keine Vakuumbedingungen benutzt werden.
Außerdem
verwendet ein Einbett-Druckwechseladsorptionssystem wesentlich weniger
Ventile als zum Betrieb von Mehrbett-Druckwechseladsorptionssystemen
benötigt
werden.
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Ein Einbett-Druckwechseladsorptionssystem
wurde in US-A-4 561 865 beschrieben. Bei diesem Ansatz öffnet ein
druckgesteuertes Ventil in der Auslaßleitung von dem oberen Ende
des Adsorptionsmittelbettes, wenn der Druck an dem oberen Ende des
einzigen Prozeßbehälters auf
einem bestimmten Wert liegt. Gas wird in der Auslaßleitung
unmittelbar zu einem externen Ausgleichstank geleitet. Es ist ferner
eine Umgehungsleitung vorgesehen, die von der Auslaßleitung
am Auslaß dieses
Drucksteuerventils abgeht, ein Rückschlagventil enthält und zu
einem Produktzwischentank führt.
Wenn der Druck in dem Produktzwischentank gleich dem Druck in dem
Ausgleichstank ist, öffnet
das Rückschlagventil,
und Produktgas wird gleichzeitig in den Ausgleichstank und den Produktzwischentank
eingespeist. Das Rückschlagventil
verhindert den Rückstrom
von dem Produktzwischentank in das Adsorptionsmittelbett, wenn der
Bettdruck unter den Druck des Produktzwischentanks absinkt. Bei
dieser Anordnung dient der Ausgleichstank als eine Erweiterung des
Produktzwischentanks, weil beide Tanks auf den gleichen oberen Druck
aufgedrückt
werden und Gas gleicher Reinheit enthalten. US-A-4 561 865 lehrt
ferner die Verwendung eines Entspannungsschrittes, um für eine Teilentspannung
des Adsorptionsbehälters
vor dem Evakuieren zu sorgen.
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DE-A-23 37 754 offenbart ein Druckwechseladsorptionsverfahren
zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft durch den Einsatz einer einzigen
Stickstoffadsorptionskolonne. Bei diesem bekannten Verfahren wird
für Entspannen-Spülen-Wiederaufdrücken durch
den Einsatz von zwei Druckausgleichstanks bei Zwischendrücken gesorgt.
Es kann ein zusätzlicher
Produkttank verwendet werden. Ein ähnliches Einbett-Stickstoffadsorptionsverfahren,
das nur einen Produktzwischentank und eine Pump/Vakuum-Anlage verwendet,
ist aus EP-A-0 123 911 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Entspannen
bei einem Zwischenwert dadurch bewirkt, daß die Adsorptionskolonne im
Gegenstrom zur Atmosphäre
hin ent lüftet
wird. Nach weiterer Druckminderung bei Vakuumbedingungen erfolgt
kein Spülen,
und Produktgas wird benutzt, um den überatmosphärischen Druck aufzubauen.
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Während
sich die zuvor genannten Literaturstellen mit der Notwendigkeit
eines Einbett-Druckwechseladsorptionssystems in der einschlägigen Technik
befassen, ist eine weitere Verbesserung erforderlich, damit ein
solcher Einbettbetrieb die Bedürfnisse
der einschlägigen
Technik mit Bezug auf Anwendungen mit niedriger Durehflußmenge befriedigen
kann. Insbesondere ist in der einschlägigen Technik eine höhere Produktdurchflußmenge im
Vergleich zu derjenigen erwünscht,
die mittels des Ansatzes gemäß US-A-4
561 865 und anderer solcher Einbett-Druckwechseladsorptionssysteme
erreichbar ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung,
einen verbesserten Niedrigvolumen-Druckwechseladsorptionsprozeß und eine
Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft für Anwendungen
mit geringen Volumina zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, ein verbessertes Einbett-Druckwechseladsorptionsverfahren
und eine entsprechende Vorrichtung zur Gewinnung von geringen Volumina
an Sauerstoff aus Luft bereitzustellen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist
die Schaffung eines Einbett-Niedrigvolumen-Druckweehseladsorptionsprozesses
und -systems für
eine verbesserte Durchflußmenge
an aus Luft gewonnenem Produktsauerstoff.
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Unter Berücksichtigung dieser und weiterer
Aufgaben ist die Erfindung nachstehend im einzelnen erläutert, und
ihre neuen Merkmale sind in den beiliegenden Ansprüchen herausgestellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist ein Verfahren gemäß Anspruch
1. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System
gemäß Anspruch
6.
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Die Erfindung sieht einen Einbett-PSA-
oder -VPSA-Prozeß und
eine entsprechende Vorrichtung unter Verwendung von zwei externen
Zwischentanks vor. Bei einem solchen Tank handelt es sich um einen
externen Produktzwischentank, der gewünschtes Produkt liefert und
der ferner Spülgas
für das
Adsorptionsmittelbett während
des Evakuierungsschrittes des PSA- oder VPSA-Prozeßzyklus
bereitstellt. Der zweite Zwischentank, der als Ausgleichstank dient,
wird benutzt, um Lückenvolumengas
zu sammeln, das aus dem Bett während dessen
Entspannung abgezogen wird, und um Lückenvolumengas von dem Tank
an das Adsorberbett während
dessen Wiederaufdrücken
zu liefern.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Die Erfindung ist nachstehend im
einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert, bei
der es sich um ein schematisches Fließbild einer besonderen Ausführungsform
der Einbett-Einmaschinen-VPSA-Vorrichtung für die Herstellung von Sauerstoff
aus Luft handelt.
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Detailbeschreibung
der Erfindung
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Die Ziele der Erfindung werden unter
Verwendung eines Einzeladsorptionsmittelbett-PSA- oder -VPSA-Systems
erreicht, das eine einzelne Verarbeitungsmaschine, d. h. einen Kompressor
zum Aufdrücken
und zum Entspannen des einzelnen Adsorptionsmittelbettes während des
Prozeßzyklus,
aufweist. Es wird ein konventioneller Produktzwischentank zusammen
mit einem Ausgleichstank verwendet, der so betrieben wird, daß die Produktausbeute
und der Energiebedarf des Systems verbessert werden. Durch Anwendung
der Erfindung wird eine signifikante Verbesserung des Betriebsverhaltens
im Vergleich zu bekannten Einbett-Druckwechseladsorptions(PSA)-Systemen
erreicht, wie sie durch US-A-4 561 865 repräsentiert werden.
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Bezugnehmend auf die Zeichnung liegen
in der Leitung 1, die der Zufuhr von Einsatzluft zu der
Einsatzgebläse/Vakuumgebläse-Einheit 2 dient,
eine Staubfilter-Gasgeräuschdämpfer-Einheit 3 und
ein Ventil 4, wobei eine von der Einheit 2 abgehende
Leitung 5 mit Leitungen 6 und 7 verbunden
ist. In der Leitung 6 liegen ein Ventil 8 und
eine Auslaß-Druckschwingungsdämpfer-Einheit 9,
aus der Gas über
eine Leitung 10 abgeführt wird.
In der Leitung 7 liegen eine Auslaß-Druckschwingungsdämpfer-Einheit 11,
ein Nachkühler 12 zum
Kühlen
von Einsatzgas und ein Ventil 13. Eine Auslaßleitung 14,
in der sich ein Ventil 15 befindet, ist mit der Leitung 7 verbunden.
Eine Leitung 16, in der ein Ventil 17 liegt, steht
mit der Leitung 1 stromab von dem Ventil 4 in Verbindung.
Die Leitungen 7 und 16 sind beide an eine Leitung 18 angeschlossen,
die zu dem unteren Teil eines einzelnen Adsorptionsmittelbettes 19 in
einem zweckentsprechenden Adsorptionsbehälter führt. Von dem oberen Ende des
Adsorptionsmittelbettes 19 geht eine Leitung 20 ab,
die mit einer ein Ventil 22 aufweisenden und zu einem Ausgleichstank 23 führenden
Leitung 21 und mit einer Leitung 24 verbunden
ist, in der ein Rückschlagventil 25 liegt
und die zu einem Produktzwischentank 26 führt. Produktsauerstoff
wird aus dem Produktzwischentank 26 über eine Leitung 27 für seine
bestimmungsgemäße Verwendung
in Operationen an stromab liegender Stelle abgezogen. Die Leitung 20 steht
ferner mit einer Leitung 28 in Verbindung, in der ein Ventil 29 liegt
und die zu dem Zwischentank 26 führt.
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Im Betrieb eines Druckwechseladsorptionsprozesses
unter Verwendung des in der Zeichnung veranschaulichten Systems
wird zweckmäßigerweise
ein Fünf-Schritt-Arbeitszyklus
benutzt. Ein solcher Zyklus umfaßt die nachstehende Prozeßabfolge:
(1) Aufdrücken/Produktgewinnung;
(2) Teilentspannung; (3) Evakuieren; (4) Spülen und (5) teilweises Wiederaufdrücken.
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Im Betrieb einer speziellen Ausführungsform
dieser Prozeßabfolge
wird mit dem ersten Schritt begonnen, nachdem das Adsorptionsmittelbett 19 gerade
auf einen ersten Zwischendruck von etwa 0,69 bar (10 psia) teilweise
wieder aufgedrückt
wurde. Einsatzluft wird von dem Einsatzgebläse 2 aus zugeführt, wobei
die Ventile 4 und 13 offen und die Ventile 8, 15, 17, 22 und 29 geschlossen
sind. Das Rückschlagventil 25 ist
so ausgerichtet, daß es öffnet, wenn
der Druck in dem Adsorptionsmittelbett 19 größer als
der Druck in dem Produktzwischentank 26 wird.
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Während
Einsatzluft in den das Adsorptionsmittelbett 19 enthaltenden
Behälter
eingeleitet wird, steigt der Druck in dem Behälter, bis ein Punkt erreicht
ist, bei dem der Druck gleich dem Druck in dem Produktzwischentank 26 ist,
wobei dieser Druck typischerweise bei etwa 1,22 bar (18 psia) liegt.
Das Rückschlagventil 25 öffnet dann,
und Produktgas, d. h. Sauerstoff, wird in den Produktzwischentank 26 ein geleitet.
Die Größe des Produktzwischentanks
hängt von
dem gewünschten
Produktstrom und dem Druck der Auslaß-Pipeline 27 ab, sie
muß jedoch
ausreichend bemessen sein, um den Strom an Produktgas von dem Adsorptionsmittelbett 19 ohne
große
Druckänderung,
z. B. nicht mehr als 0,28 bis 0,34 bar (4 bis 5 psi) aufzunehmen.
Sie muß ferner so
bemessen sein, daß der
gleichzeitige Spülgasstrom
von dem Zwischentank 26 zurück zu dem Adsorptionsmittelgefäß 19 während des
Spülschrittes
möglich
ist, ohne daß der
Produktstrom in der Pipeline 27 unterbrochen wird. Diese
Einspeisung von Produktgas dauert an, bis der Druck am oberen Ende
des Behälters
für das Adsorptionsmittelbett 19 einen
oberen Adsorptionsdruck erreicht, der typischerweise bei etwa 1,55
bar (22,5 psia) liegt. Jetzt geht der Prozeßzyklus zu dem zweiten Schritt
der Verarbeitungsabfolge über.
Als Alternative kann anstelle des Rückschlagventils ein Drucksteuerventil
vorgesehen und derart betrieben werden, daß ein konstanter Behälterdruck
während
des Produktherstellungsteils des Zyklusschrittes aufrecht erhalten
wird, um den Prozeß weiter
zu verbessern.
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Es sollte festgestellt werden, daß während der
restlichen Schritte der Prozeßabfolge
der Produktzwischentank 26 Produktsauerstoff zur Verwendung
an stromab liegender Stelle unabhängig von dem Behälter für das Adsorptionsmittelbett 19 oder
andere diesem zugeordnete Prozeßanlagenteile
liefert. Eine typische Schrittdauer für den ersten Schritt des Prozesses
liegt bei etwa 18 bis 25 Sekunden. Die Einsatzlufttemperaturen entsprechen
der Umgebungstemperatur; im allgemeinen hat jedoch das Einsatzgas
in das Adsorptionsmittelbett 19 eine Temperatur, die 17
bis 22°C
(30 bis 40°F) über der
Umgebungstemperatur liegt, und das Temperaturprofil in dem Adsorptionsmittelbehälter ist
so beschaffen, daß die
Temperatur am Boden des Adsorptionsmittelbettes in dem Behälter näherungsweise
6 bis 11°C
(10 bis 20°F)
unter der Umgebungstemperatur liegt, die Temperatur in der Mitte
des Adsorptionsmittelbettes näherungsweise
gleich der Umgebungstemperatur ist oder bis zu etwa 5,6°C (10°F) über der
Umgebungstemperatur liegt, und die Temperatur an der Oberseite des
Adsorptionsmittelbettes näherungsweise
17 bis 22°C
(30 bis 40°F) über der
Umgebungstemperatur liegt. Diese Temperaturen können während der Prozeßabfolge
leicht variieren. Die vorgesehene Einsatzluft/Durchflußmenge steht
in unmittelbarer Beziehung zu der gewünschten Produkt-Durchflußmenge.
Bei einer Sauerstoffausbeute von 50% im Falle einer Produktreinheit
von 90% ist die Einsatzluft/Durchflußmenge im allgemeinen etwa
9,5-mal größer als
die entsprechende Sauerstoffprodukt-Durchflußmenge.
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Wenn der zweite Schritt der Prozeßabfolge,
d. h. die Teilentspannung, beginnt, schließt das Ventil 13, und
das Ventil 15 öffnet.
Dies erlaubt eine Entlastung des Einsatzgebläses 2, d. h. dieses
nimmt Luft von der Atmosphäre
auf und gibt sie zurück
zur Atmosphäre.
Das Ventil 22 öffnet,
und das Adsorptionsmittelbett 19 beginnt, sich von dem
in dem ersten Schritt der Prozeßabfolge
erreichten oberen Adsorptionsdruck zu entspannen. Lückenvolumengas
wird auf diese Weise aus dem Lückenvolumen
des Adsorptionsmittelbettes 19 verdrängt und über die Leitung 21 zu
dem Ausgleichstank 23 geleitet. Die Größe dieses Tanks hängt von
der gewünschten
Anlagengröße ab, d.
h. dem Produktstrom; der Ausgleichstank 23 muß jedoch
ausreichend groß sein,
um dieses Lückenvolumengas
aus dem Behälter
des Adsorptionsmittelbettes bei einem Druck von etwa 1,0 bis 1,03
bar (14,5 bis 15 psia) aufzunehmen. Die Sauerstoffkonzentration
in diesem Tank liegt typischerweise bei etwa 85 bis 89% Sauerstoff.
Das Rückschlagventil 25 schließt, weil
der Druck des Behälters
für das Adsorptionsmittelbett 19 unter
den Druck des Produktzwischentanks 26 absinkt. Die Ventile 8, 17 und 29 bleiben
während
des Prozeßschrittes
ge schlossen, der andauert, bis der Behälterdruck auf einen zweiten
Zwischendruck, z. B. 1,10 bar (16 psia), absinkt, wobei der Druck
in dem Ausgleichstank 23 auf einen Druck von 1,0 bis 1,03
bar (14,5 bis 15 psia) ansteigt. Die Zyklusschrittdauer für diesen
zweiten Schritt, den Teilentspannungsschritt, liegt bei näherungsweise
4 bis 7 Sekunden. Die Prozeßabfolge
geht dann auf den dritten Schritt der Prozeßabfolge über. Die Temperaturen des Behälters für das Adsorptionsmittelbett 19 während des
zweiten Schrittes sind ähnlich
denjenigen, die für
den oben erläuterten
ersten Schritt genannt sind.
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Der Prozeßzyklus geht zu dem dritten
Schritt der Prozeßabfolge,
d. h. dem Evakuieren des Behälters, über, nachdem
der Behälter
für das
Adsorptionsmittelbett 19 einen Teil des Lückenvolumengases
in den Ausgleichstank 23 abgegeben hat und der Druck in
dem Behälter
des Adsorptionsmittels auf den zweiten Zwischendruck von näherungsweise
1,10 bar (16 psia) abgesunken ist. Für den dritten Prozeßschritt
werden die Ventile 8 und 17 geöffnet und die Ventile 4, 15, 13, 22 und 29 sowie
das Rückschlagventil 25 werden
geschlossen. Infolgedessen wird in dem Behälter des Adsorptionsmittels 19 befindliches
Gas über
den Boden dieses Behälters 19 umgeleitet,
und es gelangt über
das Ventil 17 in der Leitung 16 zu dem Einlaß des Gebläses 2. Dieses
Lückenvolumengas
wird über
den Auslaßgeräuschdämpfer 19 in
die Atmosphäre
ausgetragen. Diese Rohrleitungs- und Ventilanordnung erlaubt es
dem Gebläse 2,
den Behälter 19 auf
einen unter dem Atmosphärendruck
liegenden Druck zu evakuieren. Die näherungsweise Zusammensetzung
des Evakuierungsgases, gemittelt über den Evakuierungsteil des
Prozeßzyklus,
beträgt
90% Stickstoff und 10% Sauerstoff. Um das Kombinations-Gebläseverhalten
zu verbessern, wenn das Gebläse
zum Evakuieren benutzt wird, kann am Einlaß des Gebläses Dichtwasser eingebracht
werden, um Zwischenräume
in den Zähnen
oder Nocken des Gebläses 2 abzudichten.
Diese Wasserdichtanordnung erlaubt es dem Gebläse, im Vakuumeinsatz mit verbesserter
Leistung zu arbeiten. Der Behälter
wird unter den Atmosphärendruck
evakuiert, um für
die Differenz der Partialdrücke
in dem Stickstoffgas in den Lückenräumen des
Adsorptionsmittels zu sorgen und von der Adsorptionsmitteloberfläche zu desorbieren,
wodurch das Adsorptionsmittel regeneriert wird, um das Adsorptionsmittel
auf die erneute Adsorption von Stickstoff aus zusätzlichen
Mengen an Einsatzluft für
den halbkontinuierlichen Fluß von
Produktsauerstoff zur Verwendung an stromab liegender Stelle vorzubereiten.
Dieser Schritt der Behälterevakuierung
findet statt, bis der Druck in dem Behälter einen erwünschten
niedrigeren Desorptionsdruck, wie z. B. einen Vakuumdesorptionsdruck,
beispielsweise etwa 0,34 bar (5 psia), erreicht. Die Schrittdauer
für diesen
Zyklusschritt beträgt
etwa 30 bis 40 Sekunden. Der Prozeßzyklus geht dann zu dem vierten
Schritt der Gesamtprozeßabfolge über.
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Der vierte Prozeßschritt ist ein Behälterspülschritt
bei dem niedrigeren Desorptionsdruck. Für diesen Zweck öffnet das
Ventil 29, und ein kleiner Nebenstrom an Produktgas aus
dem Produktzwischentank 26 wird in das obere Ende des Einzeladsorptionsmittelbehälters 19 umgeleitet.
Dieser Strom hat eine Sauerstoffkonzentration von 90 bis 93%, und
er wird benutzt, um einen großen
Teil des verbleibenden Lückenvolumengases in
dem Behälter
herauszuspülen,
der an dieser Stelle hauptsächlich
aus desorbiertem Stickstoff besteht. Der Spülgasstrom verdrängt das
desorbierte Gas, das sich in dem Lückenvolumen im Behälter 19 befindet,
und weil der Spülstrom
keine hohe Stickstoffkonzentration hat, wird das Lückenvolumengas
nicht erneut in die Oberfläche
des Adsorptionsmittels adsorbiert, wenn der Druck in dem Behälter zu
steigen beginnt, weil das Adsorptionsmittel keine selektive Affinität für Sauerstoff
hat. Dieser Behälterspülschritt
erfolgt bei einem konstanten Unterdruck (Vakuum) oder einem anderen Desorptionsdruckpegel
in dem Behälter,
wobei die Ventile 8 und 17 offenbleiben, das Steuerventil 29 öffnet und
alle weiteren Ventile geschlossen sind. Wenn der größte Teil
des desorbierten Gases in den Lückenräumen des
Adsorptionsmittels im Behälter
durch Produktgas ersetzt ist, geht die Prozeßabfolge zu dem fünften Prozeßschritt über, dem
Schritt des teilweisen Wiederaufdrückens. Die mittlere Zeitdauer
für den
vierten Schritt, d. h. den Behälterspülschritt,
beträgt
typischerweise etwa 7 bis 10 Sekunden. Um den Vakuumpegel für diesen
Behälterevakuierschritt
im wesentlichen konstant zu halten, ist die Durchflußmenge für das desorbierte
Gas, welches den Behälter
verläßt, näherungsweise
gleich der Evakuier-Durchflußmenge
bei beispielsweise 0,34 bar (5 psia).
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Der fünfte Schritt der Prozeßabfolge
ist ein Teilwiederaufdrückschritt,
bei dem die Ventile 8, 17 und 29 geschlossen
werden und die Ventile 4 und 15 geöffnet werden,
so daß das
Gebläse 2 unbelastet
laufen kann. Das Steuerventil 22 wird bis zu einer eingestellten
Ventilposition geöffnet.
Lückenvolumengas,
das in dem Ausgleichstank 23 während des zweiten Schrittes
der Prozeßabfolge,
dem Teilentspannungsschritt, angesammelt wurde, wird benutzt, um
den Adsorptionsmittelbehälter 19 auf
einen ersten Zwischendruckwert, beispielsweise 0,69 bar (10 psia),
während
dieses Teilwiederaufdrückschrittes
wieder aufzudrücken.
Der Druck in dem Ausgleichstank 23 fällt bei einer typischen VPSA-Anwendung
von etwa 1.03 auf 0.66 bar (von 15 psia auf 9,5 psia). Die Zeitdauer
für diesen
Schritt ist im wesentlichen die gleiche wie die Schrittdauer für den Teilentspannungsschritt,
beispielsweise 4 bis 7 Sekunden. Wenn der Behälter 19 auf diesen
ersten Zwischendruck wieder aufgedrückt ist, ist die Prozeßabfolge
voll durchlaufen, und der Zyklus geht zu seinem ersten Schritt über; die
Prozeßabfolge
wird wiederholt, während
der kontinuierliche Betrieb des vorliegenden PSA- oder VPSA-Prozesses mit
zusätzlichen
Mengen an Einsatzluft fortgesetzt wird.
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Die näherungsweisen Druckwerte in
dem Adsorptionsmittelbett 19, dem Produktzwischentank 26 und dem
Ausgleichstank 23 am Ende jedes der fünf Schritte der Prozeßabfolge
sind für
eine spezielle Ausführungsform
der Erfindung in der nachstehenden Tabelle angegeben.
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Tabelle
Druckwerte
am Ende jedes Prozeßschrittes
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Durch die Verwendung des gesonderten
Gasausgleichstanks für
Wiederaufdrückgas
wird insbesondere bei VPSA-Prozeßvorgängen die Produktausbeute verbessert;
ferner wird der Energiebedarf vermindert. Wenn sich der Adsorptionsmittelbehälter auf
seinem oberen Adsorptionsdruck befindet und die Teilentspannung
des Behälters
eingeleitet wird, wird das aus dem Adsorptionsmittelbett herausgetriebene
Gas in dem Ausgleichstank aufgefangen. Bei dem aufgefangenen Gas
handelt es sich um Lückenvolumengas,
d. h. jedes beliebige Gas, das in auf Adsorptionsmittelzwischenräume zurückzuführende Lückenvolumina
des Adsorptionsmittels in dem Behälter enthalten ist, und um
Stickstoffgas, das von der Oberfläche des Adsorptionsmittels desorbiert
wurde, wenn der Bettdruck abgesenkt wurde. Die Reinheit des Lückenvolumengases
in dem Ausgleichstank unterscheidet sich von der in dem Produktzwischentank,
weil das Lückenvolumengas
eine höhere Konzentration
an Stickstoffgas hat, da ein Teil des in dem Ausgleichstank aufgefangenen
Gases desorbierter Stickstoff ist. Im allgemeinen liegt die Sauerstoffreinheit
in dem Ausgleichstank bei näherungsweise
85 bis 89% Sauerstoff im Gegensatz zu der höheren Reinheit, typischerweise
90 bis 93% Sauerstoff, des Produktgases in dem Produktzwischentank.
Nachdem der Adsorptionsmittelbehälter
evakuiert wurde und sich auf einem unter dem Atmosphärendruck
liegenden Druckwert befindet, wird der Behälter mit Lückenvolumengas von diesem Ausgleichs-
oder Speichertank auf einen Druck von etwa 0,69 bar (10 psia) teilweise
wieder aufgedrückt. Durch
Zurückführen des
Lückenvolumengases
von dem Teilentspannungsschritt, statt Abblasen des Lückenvolumengases
bis herab zu Atmosphärendruck,
wie dies bei bekannten Ansätzen
der Fall ist, werden mehr der in das System eingebrachten Sauerstoffmoleküle gewonnen,
wodurch die Produktausbeute verbessert wird. Die Steigerung der
Produktausbeute bedeutet, daß bei
gleichem Einlaßluftstrom
der Produktsauerstoffstrom erhöht
wird. Diese Steigerung des Produktstroms führt zu einem niedrigeren Einheitsenergieverbrauch
für das Druckwechseladsorptionssystem.
Die Einfügung
des Ausgleichstanks in den PSA-, insbesondere den VPSA-Prozeß, dient
auf diese Weise der Verbesserung der Produktausbeute und der Einsparung
von Energie pro Produkteinheit, zwei bedeutenden Prozeßvorteilen
angesichts der relativ geringen Kosten für den Ausgleichstank.
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Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal
der Erfindung ist die Verwendung von Produktsauerstoff von dem Produktzwischentank
als Spülgas
während
des Evakuierungsschrittes. Wenn der Adsorptionsmittelbehälter beispielsweise
subatmosphärischen
Bedingungen ausgesetzt wird, desorbiert auf der Adsorptionsmitteloberfläche adsorbiertes
Stickstoffgas aufgrund der Partialdruckdifferenzen. Der desorbierte
Stickstoff verbleibt in dem Behälter
in den Lückenvolumina
des Adsorptionsmittels. Es ist erwünscht, die Hauptmenge des so
desorbierten Stickstoffs aus dem Adsorptionsmittelbehälter zu
entfernen, weil, sobald der Druck in dem Behälter ansteigt, Partialdrücke das
verbliebene Stickstoffgas in dem Behälter veranlassen, erneut in
der Oberfläche
des Adsorptionsmittels adsorbiert zu werden, so daß das Adsorptionsmittel
nie voll regeneriert wird. Durch Einleiten eines Spülgasstroms
von dem Produktzwischentank, der Sauerstoff mit einer Reinheit von
90 bis 93% aufweist, wird das in dem Behälter verbliebene Stickstoffgas
aus den Hohlräumen
herausgespült
und durch Produktsauerstoffgas ersetzt. Wenn das Bett dann wieder
aufgedrückt
wird, besteht das Lückenvolumengas hauptsächlich aus
Sauerstoff, der nicht adsorbiert wird, wenn der Druck in dem Behälter zu
steigen beginnt, so daß die
Adsorptionsmitteloberflächen
in Vorbereitung auf den nächsten
Einsatzgaseinleitungsschritt voll regeneriert bleiben. Je höher die
Sauerstoffreinheit in dem Spülgas
ist, desto effektiver wird im allgemeinen der Spülschritt, weil je mehr Stickstoffgas
in dem Behälter
verbleibt, desto mehr solches Gas auf der Adsorptionsmitteloberfläche während des
Schrittes des teilweisen Wiederaufdrückens erneut adsorbiert wird,
wodurch die Regeneration der Adsorptionsmitteloberfläche weniger
effektiv wird. Wenn das in den Behälter eingeleitete Spülgas den
geringstmöglichen
Wert an Stickstoffkonzentration hat, wird die gewünschte Luftzerlegung
verbessert.
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Bei dem praktischen Einsatz der Erfindung
zeigte es sich, daß eine
Produktdurchflußmengenverbesserung
von 20 bis 25% im Vergleich zu dem bekannten Vorgehen erreicht wird,
bei dem Produktgas als eine Quelle für Bettwiederaufdrückgas benutzt
wird. Die Verwendung von Produktgas zum Wiederaufdrücken kann zur
Folge haben, daß nur
ein geringer Teil der Gesamtmenge des Produktgases zur Verwendung
an stromab liegender Stelle verfügbar
ist. Durch die Verwendung von Lückenvolumengas
für das
teilweise Wiederaufdrücken
des Behälters
ist das gesamte Produktgas, das durch den erfindungsgemäßen Prozeß erzeugt
wird, für den
gewünschten
Einsatz des Produktgases an stromab liegender Stelle verfügbar. Dies
stellt einen wesentlichen Vorteil hinsichtlich des Betriebsverhaltens
auf dem Gebiet von Einbett-Druckwechseladsorptionsverfahren dar.
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Beim praktischen Einsatz der Erfindung
kann jedes zweckentsprechende Adsorptionsmittel benutzt werden,
das in der Lage ist, selektiv Stickstoff aus Luft zu permeieren.
Beispielsweise können
bekannte Molekularsiebe, wie die Zeolith-Molekularsiebe 5A und 13X,
mit Vorteil eingesetzt werden.
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Während
konventionelle zeolithische Molekularsiebe als das Adsorptionsmittel
bei der praktischen Durchführung
der Erfindung verwendet werden können,
lassen sich auch verschiedene speziell modifizierte Materialien
für die
gewünschte
selektive Adsorption von Stickstoff aus Einsatzluft und die Gewinnung
der weniger leicht adsorbierbaren Sauerstoffkomponente der Einsatzluft
als das gewünschte
Produktgas einsetzen. So lassen sich als das Adsorptionsmittel in
besonderen Ausführungsformen
die Lithiumkationenformen von Zeolith X oder Mischkationenformen
derselben, z. B. Lithium- und Kalzium-Formen, benutzen. Ein solches
Lithium-X-, d. h. LiX-, Adsorptionsmittel hat, wie gefunden wurde,
eine in hohem Maße
erwünschte
Kapazität und
Selektivität
hinsichtlich der Adsorption von Stickstoff aus Luft oder anderen
Strömen,
die weniger polare oder weniger polarisierbare Molekülarten,
wie Sauerstoff, enthalten.
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Die LiX-Adsorptionsmittel, die zweckmäßigerweise
bei der praktischen Durchführung
der Erfindung verwendet werden, sind die Lithiumkationenformen von
Zeolith X, bei denen das Gerüst
ein Si/Al2-Molverhältnis von etwa 2,0 bis etwa
3,0, vorzugsweise von 2,0 bis 2,5, hat und bei denen mindestens
etwa 88%, vorzugsweise mindestens 90% und stärker bevorzugt mindestens 95%
der AlO2-Tetrahedraleinheiten mit Lithiumkationen
assoziiert sind. Die Stickstoffadsorptionseigenschaften von solchen
hoch ausgetauschten Formen von LiX lassen sich aus den Ergebnissen,
die erzielt werden können,
wenn LiX-Materialien eingesetzt werden, bei denen 86 Äquivalentprozent
oder weniger der Kationen Lithium sind und es sich bei dem Rest
hauptsächlich um
Natriumkationen handelt, in keiner Weise voraussagen. Es wurde ferner
gefunden, daß eine
Steigerung des relativen Anteils der AlO2-Tetrahedraleinheiten
in dem Zeolith-X-Gerüst
von 44,4% der insgesamt vorhandenen Tetrahedraleinheiten auf 50%
der insgesamt vorhandenen Einheiten, verbunden mit einem entsprechenden
Anstieg an Li+-Ionen, d. h. dem gleichen äquivalenten
Prozentsatz an Li+-Ionen in jedem Fall, gleichfalls die Adsorptionskapazität und -se lektivität des Zeolithen
für Stickstoff
steigert, wobei diese Werte weitaus größer sind als diejenigen, die
einfach mit der genannten Zunahme der Anzahl an Kationen in dem
LiX-Material verknüpft
sind.
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Bei der Herstellung der LiX-Materialien
zur Verwendung bei der praktischen Durchführung der Erfindung lassen
sich konventionell verfügbare
Zeolith-X-Ausgangsstoffe verwenden. Zwei dieser Materialien sind Zeolith-X
mit SiO2/Al2O3-Verhältnissen
von 2,5 und 2,0, die hauptsächlich
Natriumkationen aufweisen, d. h. NaX-Material. Das 2,5-NaX kann
entsprechend den Lehren der US-A-2 882 244 bei einer Temperatur
von etwa 100°C
hydrothermisch synthetisiert werden, wobei Natriumsilikat und Natriumaluminat
sowie Wasser als die Reaktionsmittel verwendet werden und wobei
das Reaktionsgemisch, ausgedrückt
in molaren Oxidverhältnissen,
die folgende Zusammensetzung hat: 3,5 Na2O
: Al2O3 : 3,0 SiO2 : 144 H2O Das 2,0
NaX-Material kann in der Natrium-Kalium-Mischform synthetisiert
werden, indem beispielsweise zunächst
208 g Al (OH)3 in 267 g einer wäßrigen 50%-NaOH-Lösung unter
Erwärmen
und Rühren
aufgelöst
werden, um eine erste Lösung,
d. h. die Lösung
(a) zu bilden. Eine Lösung
(b) wird zubereitet, indem 287 g 85,3% KOH-Pellets in 1000 g Wasser gelöst werden,
worauf die so gebildete Lösung
mit 671 g einer wäßrigen 50%
NaOH-Lösung
gemischt wird. Die Lösung
(a) wird der Lösung
(b) langsam zugesetzt, um eine Lösung
(c) zu bilden, die auf 4°C
bis 12°C gekühlt wird.
Eine Lösung
(d) wird zubereitet, indem 453,25 g Natriumsilikat der Güteklasse 40 (9,6%
Na2O; 30,9% SiO2)
mit 1131,7 g Wasser verdünnt
werden. Die gekühlte
Lösung
(c) wird der Lösung
(d) in einem Mischer zugesetzt und bei niedriger Geschwindigkeit
3 Minuten lang gemischt. Das Kühlen
und die Vermeidung der Ausbildung von übermäßigen Mengen an mechanischer
Energie beim abschließenden
Mischen stellen wichtige Faktoren für die Zubereitung eines Produkts
hoher Güte
dar. Eine Gelbildung sollte nicht vor Ablauf von etwa 4 Minuten
eintreten. Das Gel wird bei 36°C
zwei bis drei Tage lang gealtert und bei 70°C 16 Stunden lang aufgeschlossen.
Der erwünschte
Zeolith wird dann durch Filtrieren isoliert, und der Filterkuchen
wird mit wäßriger NaOH-Lösung (mit
einem PH-Wert von 12) in einer Menge entsprechend dem siebenfachen
des Volumens der Mutterlauge gespült. Das gespülte Produkt
wird erneut in vier Litern einer NaOH-Lösung (mit einem PH-Wert von
10) aufgeschlämmt
und dann durch Filtration gewonnen und mit Wasser gespült. Das
Wiederaufschlämmen
wird zweckmäßigerweise
zwei weitere Male wiederholt, und das isolierte Produkt wird in
Luft getrocknet. Das getrocknete Produkt wird in 100 ml einer 1%
NaOH-Lösung
aufgeschlämmt
und in der Aufschlämmung
bei 90°C
21 Stunden lang gehalten. Nach Filtrieren wird der Kuchen mit 1000
ml NaOH-Lösung (mit
einem PH-Wert von 12) bei 60°C
30 Minuten lang aufgeschlämmt
und filtriert. Der Wiederaufschlämm-Prozeß wird zweckmäßigerweise
zwei weitere Male wiederholt; dann werden die Feststoffe durch Filtrieren
gewonnen und mit wäßriger NaOH-Lösung (mit
einem PH-Wert von 9) gewaschen sowie in Luft getrocknet.
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Unter Verwendung des in der oben
geschilderten Weise zubereiteten 2,5 NaX kann ein Zeolith-„Rohling"-Agglomerat hergestellt
werden, indem die Ausgangs-Zeolithkristalle zunächst mit einer wäßrigen kaustischen
Lösung
mit einem PH-Wert von 12, im wesentlichen bestehend aus Natriumhydroxid
und Wasser, gewaschen werden, worauf ein Waschen mit Wasser bis
zu einem PH-Wert von 9 erfolgt. Die gewaschenen Zeolithkristalle
werden dann mit Avery-Ton, einem kommerziell verfügbaren Kaolinton,
in den Anteilen von 80 Gew.% Zeolith und 20 Gew.% Ton gemischt.
Das Zeolith-Ton-Gemisch wird dann mit ausreichend Wasser kombiniert,
um eine extrudierfähige
Masse von ausreichender Grünfestigkeit
zu erhalten, damit die extrudierten Pellets dem anschließenden etwa
einstündigen
Brennvorgang bei etwa 650°C
unterzogen werden können, bei
dem der Kaolinton in eine aktive Metakaolinform umgewandelt wird.
Nach dem Brennen werden die gebundenen Agglomerate gekühlt und
in eine wäßrige kaustische
Lösung
bei etwa 100°C
eingebracht und dort aufgeschlossen, um die Masse des Meta-Kaolins
in Zeolithkristalle, in erster Linie Zeolith-X-Kristalle, umzusetzen. Die
aufgeschlossenen Agglomerate werden aus der kaustischen Aufschlußlösung entfernt,
wiederum mit einer frischen wäßrigen NaOH-Lösung mit
einem PH-Wert von 9 bis 10 gewaschen sowie in Luft getrocknet. Die
getrockneten Produktpellets werden aufgebrochen und gesiebt, um
Teilchen mit einer zweckentsprechenden Größe, beispielsweise einer Teilchengröße von 0,42
mm bis 1,19 mm (16 × 40
mesh) zu erhalten.
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Die derart bemessenen Teilchen können aktiviert
werden, indem sie in einem Vakuum bei einer Temperatur von 375°C für eine Zeitdauer
von etwa 2,5 Stunden erhitzt werden. Diese Aktivierung wird auf
diese Weise sorgfältig
durchgeführt,
damit die Zeolith-NaX-Kristalle keinen übermäßigen hydrothermischen Beanspruchungen
durch den Dampf ausgesetzt werden, der von eingeschlossenem und/oder
adsorbiertem Wasser gebildet wird. Bei dem so gebildeten aktivierten
Material handelt es sich um ein aktiviertes 2,5 NaX-Material. Bei
der Herstellung des LiX-Materials können nicht aktivierte Teilchen
einer Ionenaustauschprozedur unterzogen werden, wobei die Teilchen
in einer Glaskolonne mit einem Strom aus 1,0 molarem wäßrigem Lithiumchlorid,
der unter Verwendung von LiOH auf einen PH-Wert von 9,0 eingestellt
ist, bei einer Temperatur von 80°C in
Kontakt gebracht werden. Es wird eine solche Menge an Lithiumchloridlösung benutzt,
daß die
Zeolithteilchen zweckmäßig mit
einem vierfachen stöchiometrischen Überschuß an Lithiumionen über eine
Zeitspanne von etwa 14 Stunden hinweg in Kontakt kommen. Die die
Kolonne verlassende Ionenaustauschlösung wird nicht zurückgeführt. Das
erhaltene, ionenausgetauschte Produkt wird mit Wasser gewaschen
und unter Verwendung von LiOH auf einen PH-Wert von 9 eingestellt.
Es zeigte sich, daß es
zu 94% ionenausgetauscht ist.
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Bei Verwendung des in der oben geschilderten
Weise hergestellten Niedersilika-2,0-NaKX-Materials können die
Alkalimetallkationen, falls erwünscht,
durch Ionenaustausch mit einer wäßrigen Lithiumchloridlösung (mit
einem unter Verwendung von LiOH auf 9 eingestellten PH-Wert) durch
Lithiumkationen in einem Ausmaß von
mehr als 99 Äquivalentprozent
ersetzt werden. Dieses Material weist in pulvriger Form 2,0 LiX
(99%) Material auf.
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Für
den Fachmann versteht es sich, daß verschiedene Änderungen
und Modifikationen hinsichtlich der Einzelheiten der LiX-Zubereitungsprozeduren
oder der Zubereitung der Mischkationenadsorptionsmittel getroffen
werden können,
die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden, die sich mit
verbesserten PSA-Prozessen und -Systemen befaßt. Unter dieser Voraussetzung
sei beispielsweise festgestellt, daß ein 2,5 NaX-Material unter
Anwendung der oben beschriebenen Volumentechnik mit einer wäßrigen Lithiumchloridlösung (deren
PH-Wert mit LiOH auf 9 eingestellt ist) mit weniger oder mehr als
der vierfachen Menge an LiCl ionenausgetauscht werden kann, so daß Produkte
mit verschiedenen Mengen an Lithiumkationen gebildet werden. Es
versteht sich ferner, daß zweckentsprechendes
LiX-Material durch einen solchen Ionenaustausch zubereitet werden
kann, bei dem anstelle von Lithiumchlorid Lithiumkarbonat oder ein
anderes derartiges Lithiumsalz verwendet wird. Ferner können die
resultierenden LiX-Materialien oder Mischkationen-Materialien, wie
LiCaX-Materialien, die geeignete Adsorptionsmittel zur Verwendung
bei bestimmten Ausführungsformen der
Erfindung bilden, unter einer Vielzahl von Arbeitsbedingungen eingesetzt
werden, die den praktischen Arbeitserfordernissen einer gegebenen
Anwendung entsprechen, beispielsweise einem bestimmten Druck oder Temperaturzustand
des Einsatz- oder
Produktgases, und/oder dem gewünschten
Grad der Zerlegung und Ausbeute einer gegebenen Anwendung.
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Üblicherweise
wird ein zylindrisch ausgebildeter Adsorptionsmittelbehälter mit
flachen gewölbten
Köpfen
am oberen und unteren Ende verwendet, wobei Gas in axialer Richtung
durch den Behälter
hindurchströmt. Alternativ
kann ein Adsorptionsmittelbehälter
benutzt werden, bei dem die Gasströmung radial ist, d. h. bei
dem der Strom am zylindrischen Außenumfang eintritt und sich
in den inneren Zylinder bewegt, wo der Produktstrom aufgefangen
wird. Weil der Strömungsquerschnitt
sich dabei über
den Strömungsweg
hinweg ändert, werden
die mit der Strömung
verbundenen Druckverluste verringert, wodurch der Energieverbrauch
weiter herabgesetzt wird. Ferner kann die axiale Länge des
Adsorptionsmittelbehälters
sehr lang gewählt
werden, um mehr Adsorptionsmittel unterzubringen und dadurch mehr
Produkt zu erzeugen; die Strömungsweglänge bleibt
jedoch der Radius des Behälters,
und der mit dem Radialstrom verbundene Druckabfall ändert sich
nicht. Bezogen auf einen Bett-Größen-Faktor
(BSF) von 500 kg (1000 lb) Molekularsieb/Tonne pro Tag (TPD) Produktstrom,
wäre der
Durchflußmengenbereich
für diese
Art von Behälterkonfiguration
bei 425 bis 2265 Standard-m3/h (15000 bis
80000 NCFH) Sauerstoffdurchflußmenge
im Falle von 6800 bis 36300 kg Molekularsieb-Adsorptionsmittel in
dem Adsorptionsbehälter.
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Es sei erwähnt, daß VPSA-Anlagen, bei denen mit
Lithium ausgetauschte Adsorptionsmittel verwendet werden, unter
Warmwetterbedingungen sehr gut arbeiten, wenn die Einlaßtemperaturen
mit Kühlwasser
in dem Einsatz-Nachkühler
gesteuert werden können.
Bei kaltem Wetter, wenn die Umgebungstemperaturen nahe bei oder
unter dem Gefrierpunkt liegen, werden jedoch die Adsorptionsmitteltemperaturen
abgesenkt, und die Adsorptionsmittelleistung scheint bei Verwendung
von lithiumausgetauschten Adsorptionsmitteln vermindert zu sein.
Um die Temperatur in dem Adsorptionsmittelbehälter zu erhöhen, kann die dem Behälter zugehende
Einsatzluft auf einen Wert angewärmt
werden, der weitgehend demjenigen bei warmen Außenbedingungen entspricht.
Für diesen
Zweck kann am Einlaß des
Gebläses
anstelle eines Einsatz-Nachkühlers
ein Vorwärmer
in Klimazonen zusätzlich
vorgesehen werden, wo die Sommer-Umgebungstemperaturen nicht über 24 bis
27°C (75
bis 80°F)
liegen.
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Um eine Produktstromeinheit kosteneffektiver
zu machen, können
bei speziellen Ausführungsformen der
Erfindung der Einsatz-Nachkühler
und der Vorerhitzer weggelassen werden. Die Verminderung der Produktausbeute
aufgrund von variierenden Umgebungsbedingungen und der resultierenden
Behältertemperaturen
ist möglicherweise
nicht von ausreichender Bedeutung, um die Verwendung solcher zusätzlicher
Komponenten bei dem PSA- oder VPSA-System zu rechtfertigen. Es liegt
ferner im Rahmen der Erfindung, die Verwendung von Einlaßluf-Geräuschdämpfern/Druckschwingungsdämpfern zu
vermeiden. In Anbetracht von Gaspulsationseffekten ist ein solches
Weglassen nicht für
großdimensionierte
Anlagen zu empfehlen; es kann aber bei kleineren Produktdurchflußmengen,
d. h. im Sauerstoffproduktbereich von 4,5 bis 9,1 Tonnen pro Tag (5–10 TPD)
vorgesehen werden. Eine Kombination der Ein satz/Vakuum-Auslaßgeräuschdämpfer, d.
h. der Komponenten 9 und 11, dient gleichfalls
einer Vereinfachung des PSA- oder VPSA-Systems und sorgt bei praktischen
kommerziellen Ausführungsformen
der Erfindung für
Gesamtkosteneinsparungen.
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In Fällen, wo eine höhere Produktreinheit
erwünscht
ist, kann ein sechster Schritt, d. h. ein Sekundärwiederaufdrückschritt,
verwendet werden. Nachdem dem Behälter ein Aufdrückgas von
dem Ausgleichstank mit einer Sauerstoffreinheit von 85 bis 89% zugeführt wurde,
würde im
Zuge des sechsten Schrittes ein kleiner Spülstrom von dem Produktzwischentank
benutzt werden, um Sauerstoffgas mit höherer Reinheit, beispielsweise
90 bis 93% Reinheit, in die Lückenvolumenbereiche
des Adsorptionsbehälters
einzubringen. Auf diese Weise wird die mittlere Reinheit in den
Lückenräumen gesteigert,
und ein Sauerstoffprodukt höherer
Reinheit kann erzeugt werden, ohne für eine solche Steigerung der
Sauerstoffproduktreinheit die Produktdurchflußmenge herabzusetzen, obwohl
dies mit einer gewissen Einbuße
an Produktausbeute verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine wesentliche Verbesserung bei Einbett-PSA- und -VPSA-Prozeßvorgängen dar.
Durch Erzielung von verbesserten Produktdurchflußmengen und Steigerung des
Adsorptionsvermögens
des einzelnen Adsorptionsmittelbettes verbessert die Erfindung Einbett-Operationen,
und sie bietet einen Anreiz, kostengünstige Einbett-PSA- und -VPSA-Systeme
bei praktischen Luftzerlegungen einzusetzen.
