DE69514190T2 - Verbessertes Druckwechseladsorptionsverfahren - Google Patents

Verbessertes Druckwechseladsorptionsverfahren

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Abbrennen eines ersten Gases, z. B. Sauerstoffgas, aus einem gemischten Gas, beispielsweise Luft, das Sauerstoff und weitere selektiv adsorbierbare gasförmige Komponenten enthält.
  • Die Aufgabe besteht darin, ein effizienteres Druckwechseladsorptions(PSA)-Verfahren für die Herstellung eines konzentrierten Gases, wie beispielsweise Sauerstoff, aus einem Gasgemisch, wie beispielsweise Luft, zu schaffen, wobei dieses Verfahren das Adsorptionsmittel in effizienterer Weise (niedrigerer Bettgrößenfaktor) ausnutzt und weniger Energie als andere Verfahren gemäß dem Stand der Technik erfordert, um hochreines Gas aus Gasgemischen zu erzeugen.
  • Das PSA-Verfahren basiert auf der differenziellen Adsorption von selektiv adsorbierbaren Gasen und nicht bevorzugt adsorbierbaren Gasen aus Gemischen derselben auf herkömmlichen Adsorptionsbettmaterialien, wie beispielsweise Zeoliten. Bei dem bekannten Verfahren wird die Adsorptionsbetteinheit, oder die erste solche Betteinheit eines Systems mit zwei oder drei Betteinheiten, wobei jede eine untere Bettschicht zum Entfernen von Wasser und Kohlendioxid und eine obere oder stromabwärtige Bettschicht zum Absorbieren des selektiv adsorbierbaren Gases aus einem Vorrat eines durch die Betteinheit geleiteten Gasgemischs enthalten kann, auf einen hohen Druckwert aufgedrückt, um das selektive Entfernen von Wasser und Kohlendioxid und die selektive Adsorption des einen Gases zu bewirken, während das aufgedrückte, nicht selektiv adsorbierbare Gas nicht beeinflußt wird und durch eine Aufnahmeeinheit gelangt, welche die zweite Betteinheit des Systems sein kann. In einem solchen Fall wird die zweite Betteinheit durch das nicht adsorbierte Gas aufgedrückt, um sie für die Beaufschlagung mit einem Strom in dem nächsten Zyklus vorzubereiten. Die nächste Betteinheit, d. h. eine dritte Betteinheit oder die erste Betteinheit eines Zweibettsystems, wird mittels Rückstrom oder Gegenstromevakuierung gereinigt, indem ein Vorrat an unter mittlerem Druck stehendem Abgas oder Lückengas, das aus einem Ausgleichstank stammt oder aus der nach dem Erzeugen des nicht adsorbierten, konzentrierten Gases einer Druckabsenkung unterzogenen Betteinheit gespült wird, übergeleitet wird. Dadurch wird die Betteinheit für ein nachfolgendes Wiederaufdrücken und eine nachfolgende Produktion von konzentriertem Gas gereinigt. Nach einer festgelegten Zeitdauer wird die zweite Betteinheit in sequentielle Verwendung gebracht, die erste Betteinheit wird evakuiert und die zweite Betteinheit wird wieder aufgedrückt.
  • Obschon viele Modifikationen und Variationen des grundlegend PSA-Zyklus untersucht und auf kommerzielle Prozesse angewendet wurden, wie beispielsweise die Herstellung von Sauerstoff aus Luft, sind solche Systeme allgemein ineffizient und unökonomisch für die Produktion von hochreinem Sauerstoff für große Anlagen, verglichen mit dem alternativen Verfahren, welches Tieftemperaturdestillation verwendet. Folglich ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen hocheffizienten PSA-Prozess zum Erzeugen von großen Volumina von hochreinem Sauerstoff aus Luft mit einem niedrigeren Energiebedarf zu schaffen.
    • Diskussion des Stands der Technik
  • Der ursprüngliche PSA-Prozess wurde von Skarstrom, U.S.-Patent 2,944,627, entwickelt und besteht aus einem Zyklus mit den vier grundlegenden Schritten: (1) Adsorption, (2) Druckabsenkung, (3) Spülen, und (4) Wiederaufdrücken. Mehrere Variationen des Skarstrom-Zyklus wurden entwickelt. Ein solches System ist in dem U.S.-Patent 3,430,418 von Wagner beschrieben, wobei mindestens vier Betten erforderlich sind, um kontinuierlich Produkt zu erzeugen. Die zusätzlichen Kosten und die Komplexität des Vorsehens von vier Betten anstelle einer geringeren Anzahl macht das Wagner-System ökonomisch nicht durchführbar.
  • In U.S. 3,636,679, Batta, ist ein System beschrieben, bei welchem verdichtete Luft und Produktsauerstoff (welcher aus einem anderen Bett erhalten wird, welches sich in dem Ausgleichs-Absenkschritt befindet) gleichzeitig an entgegengesetzten Enden des gleichen Adsorptionsmittelbetts eingeführt werden. Ein anderes Verfahren zum Erzielen weiterer Einsparungen bei den Ausrüstungskosten unter Verwendung eines Zweibettsystems ist in U.S. 3,738,087, McCombs, beschrieben, wobei ein Adsorptionsschritt mit zunehmendem Druck verwendet wird, wobei Einsatzluft in ein teilweise aufgedrücktes Adsorptionsmittelbett eingeleitet wird. Entsprechend der Arbeit von McCombs ist in U.S. 5,223,004 (entsprechend WO-A-91/12874), Eteve et al., ein PSA-Prozess beschrieben, welcher die folgenden Schritte verwendet: (I) einen Gegenstrom-Produkt-Aufdrückschritt ausgehend von dem niedrigen Druckwert des Zyklus auf einen mittleren Druckwert, (2) ein Gleichstrom-Einsatz-Aufdrückschritt von dem mittleren Druckwert auf den Adsorptionsdruck ohne Gasablassen, (3) ein Produktionsschritt, in welchem Luft eingeleitet wird und Sauerstoff im Gleichstrom ausgeleitet wird, (4) ein Schritt, in welchem Sauerstoff mittels teilweiser Druckabsenkung im Gleichstrom ausgeleitet wird, wobei die Zuleitung von Luft unterbrochen wird, und (5) einen Desorptionsschritt mittels Gegenstrom-Entspannung auf den niedrigen Druckwert des Zyklus.
  • Viele weitere Variationen des ursprünglichen PSA-Zyklus finden sich in der Literatur. Beispielsweise beschreiben U.S. 4,194,891, 4,194,892 und 5,122,164 PSA-Zyklen, welche kurze Zyklusdauern verwenden, wobei Adsorptionsmittel mit kleinerer Teilchengröße verwendet werden, um den Diffusionswiderstand zu verringern; U.S. 4,340,398, Doshi et al., offenbart einen PSA-Prozess, welcher drei oder mehr Betten verwendet, wobei Lückengas vor der Bettregeneration zu einem Tank geleitet wird und später zum Wiederaufdrücken verwendet wird. Ferner ist eine Prozessmodifikation hinsichtlich eines Zweibett-PSA-Prozesses unter Verwendung von Ausgleich mittels eines Tanks in U.S. 3,788,036 und 3,142,547 offenbart, wobei das erhaltene Gas als das Spülgas für ein anderes Bett verwendet wird.
  • Das neuere U.S.-Patent 4,781,735, Tagawa et al., offenbart einen PSA-Prozess, welcher drei Adsorptionsmittelbetten verwendet, um Sauerstoff zu erzeugen, wobei eine verbesserte Sauerstoffausbeute erzielt wird, indem das Einsatzende des einen Betts mit dem Einsatzende des anderen Betts verbunden wird (Boden-Boden-Ausgleich) und für die gesamte oder einen Teil der Ausgleichszeit ein Oben-Oben- Bettausgleich gleichzeitig zu dem Boden-Boden-Ausgleich durchgeführt wird. Ferner beschreibt U.S. 5,328,503, Kumar et al., einen PSA-Prozess, welcher einen anfänglichen Entspannungsschritt verwendet, um ein Spülgas herzustellen, gefolgt von einem optionalen Bett-Bett-Ausgleichsschritt unter Druck. Gemäß diesem Patent werden mindestens zwei Adsorptionsmittelbetten verwendet, und eine Kombination aus Produkt- und Einsatzgas wird verwendet, um die Adsorptionsmittelbetten wieder aufzudrücken.
  • Suh und Wankat (AIChE J. Band 35, Seite 523, 1989) beschreiben die Verwendung von kombinierten Gleichstrom-Gegenstrom-Entspannungsschritten in PSA-Prozessen. Es wird beschrieben, dass für die Erzeugung von Sauerstoff aus Luft das Hinzufügen eines Gleichstrom-Entspannungsschritts nicht hilfreich ist. Liow und Kenny (AIChE J. Band 36, Seite 53, 1990) beschreiben einen "Rückfüllzyklus" für die Sauerstofferzeugung aus Luft mittels Computersimulation. Sie beschreiben, dass ein (bezüglich der Einsatzrichtung) im Gegenstrom stattfindender Produkt-Aufdrück-Schritt vorteilhaft ist, wenn er in den Zyklus zum Erzeugen eines angereicherten Sauerstoffprodukts eingefügt wird.
  • EP-a-0 641 591 beschreibt einen Druckwechseladsorptionsschritt, der in einem Einbett-Luftzerlegungs- PSA-System ausgeführt wird, welches einen externen Produktpufferbehälter verwendet, um dem Adsorptionsmittelbett Produktsauerstoff und Spülgas zuzuführen. Ein Ausgleichstank versorgt das Bett zwecks Wiederaufdrücken mit Lückengas. Die in diesem System ausgeführte Prozessabfolge umfaßt die folgenden Schritte: (I) Aufdrücken/Produktgewinnung, (2) teilweise Entspannung, (3) Evakuierung, (4) Spülen und (5) teilweises Aufdrücken.
  • EP-A-0 462 778 offenbart einen Zweibett-PSA-Prozess. Bei diesem Prozess wird angereichertes Gas aus dem ersten Adsorptionsbett in einen Produktvorratsbehälter geleitet, wobei das angereicherte Gas in nachfolgenden Prozess-Schritten sowohl zum Spülen des ersten Betts als auch zum Rückfüllen des zweiten Adsorptionsbetts verwendet wird.
  • U.S.-A-4,263,018 offenbart einen Druckwechseladsorptionsprozess, der in einem Druckwechseladsorptionssystem ausgeführt wird, welches mindestens zwei Adsorptionsbetten und ein abgetrenntes Speicheradsorptionsbett umfaßt, welches von einer direkten Verbindung mit dem Einsatzgasstrom abgeschnitten ist. Während des Prozesses werden die Drücke in den Adsorptionsbetten von deren Einsatzenden her am Ende der Adsorption in einem der Betten und nach dem Aufdrücken das anderen Bettes ausgeglichen. Das abgetrennte Speicheradsorptionsbett wird hinsichtlich seines Drucks mit einem einer Entspannung unterzogenen Adsorptionsbett ausgeglichen, und dann wird nach dem Spülen des Betts das abgetrennte Speicheradsorptionsbett mit diesem Adsorptionsbett nach dessen Wiederaufdrücken ausgeglichen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten PSA-Prozess zum Abtrennen eines ersten Gases, wie beispielsweise Sauerstoffgas, von Gasgemischen, welche das erste Gas und eines oder mehrere andere Gase enthalten, einschließlich Gasen, welche stärker bevorzugt adsorbierbar sind. Die vorliegende Erfindung beinhaltet neue Schritte, bei welchen gleichzeitiger Ausgleich und Evakuierung, gefolgt von gleichzeitigem Einsatz- und Produktgaswiederaufdrücken der PSA-Betten stattfindet. Dies führt zu einem insgesamt schnelleren und effizienteren Zyklus mit hundertprozentiger Ausnutzung eines Vakuum- oder Druckverringerungs-Gebläses und zu einer Verringerung des Energiebedarfs um etwa 15%.
  • Der Kern der Erfindung umfaßt das Überlappen der verschiedenen Schritte des PSA-Zyklus, um die Gesamtzykluszeit zu vermindern und auf diese Weise die Produktivität zu verbessern. Die weiteren wichtigen Parameter umfassen die Wahl der Betriebsbedingungen (hoher Druck, niedriger Druck, Druck am Ende des Ausgleichs-Abfall-Schritts sowie Menge des hochreinen Produkts, welches in dem Produkt- Aufdrückschritt verwendet wird), der jedem Schritt zugeordneten Zeiten, die Reihenfolge, in welcher jeder Schritt des Zyklus ausgeführt wird, sowie die Verwendung von Ausgleichs-Abfall-Gas, um das Gas bereitzustellen, welches als Rückfluss und für den Ausgleichs-Anstiegs-Schritt erforderlich ist. Der einzigartige Schritt in dem Zyklus ist der Schritt des gleichzeitigen Evakuierens des dem Ausgleichs- Anstiegs-Schntt unterzogenen Betts, während das andere Bett dem Ausgleichs-Abfall-Schritt unterzogen wird. Die diesem Schritt zugeordnete Zeit muß so gewählt werden, dass am Ende diese Schritts das erstere Bett gespült wurde und ebenfalls teilweise aufgedrückt wurde. Der nächste Schritt in dem Zyklus besteht in dem gleichzeitigen Produkt- und Einsatz-Aufdrücken an entgegengesetzten Enden des Betts, gefolgt von einem Einsatz-Aufdrücken auf den gewünschten Adsorptionsdruck. Andere wichtige Merkmale der Erfindung sind die folgenden: (a) das in dem Schritt des gleichzeitigen Einsatz- und Produktaufdrückens verwendete Produktgas stammt gewöhnlich aus dem Produkttank oder aus einem anderen Bett, welches sich in dem Produktionsschritt befindet; und (b) das Gas in dem Gleichstrom-Entspannungs- oder Druckausgleichs-Abfall-Schritt gelangt entweder zu dem stromabwärtigen Ende eines anderen Betts oder zu einem zweiten Speichertank. In letzterem Fall ist keine Bett-Bett-Verbindung erforderlich, was zu einer erhöhten Flexibilität beim Steuern des PSA-Prozesses führt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 veranschaulicht die Schritte eines Doppeladsorptionskolonnenzyklus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 ist ein Stromdiagramm für den Doppelbettzyklus von Fig. 1;
  • Fig. 3 ist eine grafische Zeit/Druck-Darstellung, welche die Entwicklung des Drucks in einem Bett während der verschiedenen Schritte eines kompletten Zyklus veranschaulicht;
  • Fig. 4 ist ein Stromdiagramm für einen Doppelbettzyklus ohne Bett-zu-Bett-Verbindung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
  • Fig. 5 veranschaulicht die Schritte des Zyklus des in Fig. 4 veranschaulichten Systems;
  • Fig. 6 und 7 veranschaulichen die Ströme bzw. den Kolonnenzyklus für einen Einzelbettprozess gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
  • Fig. 8 veranschaulicht zu Vergleichszwecken die Schritte eines Standardadsorptionskolonnenzyklus gemäß dem Stand der Technik.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Der neue Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine neuartige Abfolge von Betriebsschritten in dem PSA-Zyklus, wobei die lastfreien Zeiten für Rotationsmaschinen (z. B. Kompressoren und Vakuumpumpen) minimiert werden, die Produktausbeute verbessert wird, der Bettgrößenfaktor (BSF) vergleichbar oder niedriger als bei PSA-Zyklen gemäß dem Stand der Technik ist und der Energieverbrauch 5 bis 20% niedriger als bei PSA-Zyklen gemäß dem Stand der Technik ist. Die Betriebsschritte bei dem erfindungsgemäßen PSA-Zyklus sind wie folgt:
  • (I) Gleichzeitiges Einleiten von Einsatzgasgemisch (z. B. Luft) und Gasprodukt, welches konzentriert wird (z. B. Sauerstoff), an entgegengesetzten Enden des Betts zwecks teilweisem Wiederaufdrücken auf einen mittleren Druckwert. In diesem Schritt stammt das Produktgas gewöhnlich aus dem Produkttank oder einem anderen in dem Produktionsschritt befindlichen Bett.
  • (IIa) Einsatz-Aufdrücken (im Gleichstrom) von dem mittleren Druckwert auf den Adsorptionsdruck in dem ersten Teil von Schritt 2.
  • (IIb) Adsorption und Rohprodukterzeugung, zweiter Teil von Schritt 2.
  • (III) Gleichstromentspannung, wobei das Gas direkt oder indirekt, d. h. über einen Ausgleichstank, zu einem anderen Bett übergeleitet wird, das aufgedrückt und gleichzeitig evakuiert wird. In dem indirekten Modus gelangt das Gleichstromentspannungsgas zu einem zweiten Speichertank. In diesem Fall ist keine Bett-Bett-Verbindung erforderlich.
  • (IV) Evakuierung oder Abstrom-Entspannung (im Gegenstrom), während das andere Bett für einen Zweibett-PSA-Prozess einem gleichzeitigen Einsatz- und Produktaufdrücken unterzogen wird.
  • (V) Weitere Evakuierung oder Abstrom-Entspannung. Dieser Schritt ist der gleiche wie der vorhergehende Schritt für das erste Bett. Jedoch wird das andere Bett diesem Schritt einer Adsorption und Rohprodukterzeugung unterzogen (siehe Fig. 1).
  • (VI) Gleichzeitiges Aufdrücken (im Gegenstrom) und Evakuieren, wobei das Rückstromgas einem anderen Bett, das eine Gleichstromentspannung durchläuft (Schritt 3), oder von dem zweiten Speichertank zugeführt wird, welcher verwendet wurde, um Gleichstrom-Entspannungs-Gas aufzufangen.
  • Die obigen Schritte sind schematisch in Fig. 1 für einen Zweibett-PSA-Prozess gezeigt. Fünf Aspekte sind hinsichtlich dieses Zyklus bemerkenswert: (a) ein Bett-Bett-Ausgleichsschritt wird einem Spülschritt überlagert, wobei das Bett, welches einem Ausgleichs-Anstieg unterzogen wird, auch gleichzeitig evakuiert wird, (b) das gesamte zum Spülen des Bettes während der Regeneration benötigte Rückstromgas wird von dem Lückengas gebildet, welches von einem anderen Bett während des Gleichstrom- Entspannungs(Ausgleichs-Abfall)-Schritt erhalten wird, (c) eine Überlappung der Produkt- und Einsatz- Aufdrückschritte, gefolgt von Einsatz-Aufdrücken allein auf den Adsorptionsdruck, wird verwendet, um höhere Produktstromraten zu erzielen, (d) eine Abnahme der Gesamtzykluszeit aufgrund der Überlagerung von einzelnen Schritten führt zu einem niedrigeren Bettgrößenfaktor (BSF), und (e) es besteht kein lastfreier Zeitraum für die Vakuumpumpe (siehe Fig. 1), d. h. die Vakuumpumpe wird zu 100% ausgenutzt.
  • Bei dem neuartigen Zyklus gemäß der vorliegenden Erfindung liefert das Ausgleichs-Abfall-Gas das gesamte von einem anderen Bett, welches gleichzeitig einem Ausgleichs-Anstieg und einer Evakuierung unterzogen wird, benötigte Gas. Somit überlappt dieser Schritt den Ausgleichsschritt mit dem Spülschritt, wodurch der herkömmliche Spülschritt und der herkömmliche Ausgleichsschritt, wie sie bei PSA-Zyklen gemäß dem Stand der Technik verwendet werden, modifiziert werden. Ferner wird das gesamte Rückstromgas, welches erforderlich ist, um die Stickstoffwellenfront aus dem Bett herauszuschieben, von dem anderen Bett zur Verfügung gestellt, welches den Ausgleichs-Abfall-Schritt durchläuft. In diesem Betriebsmodus wird Gas niedrigerer Reinheit für die kombinierten Spül- und Ausgleichs-Anstiegs-Schritte verwendet. Der nächste Schritt in dem Zyklus (Produkt-Aufdrücken, im Gegenstrom) verwendet hochreines Produktgas, üblicherweise aus dem Produkttank, um die Kolonne an dem Produktende aufzudrücken, während Einsatzgas gleichzeitig an dem anderen Ende des Bettes eingespeist wird. Die Überlappung der einzelnen Schritte führt zu schnelleren PSA-Zyklen mit höherer Sauerstoffproduktionsrate (niedrigerer BSF). Da dieser Zyklus keinen herkömmlichen Spülschritt verwendet, wird ferner kein Produktgas für das Spülen des Adsorptionsmittelbetts verbraucht. Ferner muss während dem gleichzeitigen Evakuieren und Ausgleichs-Anstieg der Bettdruck am Ende des Schritts höher als der Druck in dem vorhergehenden Schritt (Evakuierungsschritt) sein. Somit müssen sowohl die Durchflussrate des einströmenden Gases als auch die diesem Schritt zugeordnete Zeit sorgfältig ausgewählt werden, so dass am Ende dieses Schritts das Bett gespült und teilweise aufgedrückt ist.
  • Somit besteht die Erfindung in dem Überlapp der verschiedenen Schritte in dem PSA-Zyklus, um die Gesamtzyklusdauer zu vermindern und somit die Produktivität zu erhöhen, der Wahl der Betriebsbedingungen (hoher Druck, niedriger Druck, Druck am Ende des Ausgleichs-Abfall-Schritts sowie Menge an hochreinem Produkt, das in Schritt 1 von Fig. 1 verwendet wird), den jedem Schritt zugeordneten Zeiten, der Reihenfolge, in welcher jeder Schritt des Zyklus ausgeführt wird, sowie der Verwendung von Ausgleichs-Abfall-Gas, um das für den Rückstrom und den Ausgleichs-Anstieg erforderliche Gas bereitzustellen. Der einzigartige Schritt in dem Zyklus ist der Schritt III (siehe Fig. 1), in welchem das Bett, welches dem Ausgleichs-Abfall-Schritt unterzogen wird, zu einem anderen Bett geöffnet wird, welches gleichzeitig aufgedrückt und evakuiert wird. Die diesem Schritt zugeordnete Zeit muss so gewählt werden, dass am Ende dieses Schritts das zweite Bett gespült und teilweise aufgedrückt ist. Der nächste Schritt in dem Zyklus besteht in einem gleichzeitigen Produkt- und Einsatz-Aufdrücken an gegenüberliegenden Enden des zweiten Betts, gefolgt von einem Einsatz-Aufdrücken auf den Adsorptionsdruck, Schritt IIA, Fig. 3.
  • Um die vorliegende Erfindung für Produktsauerstoff auszuführen, können beispielsweise die folgenden Schütte durchgeführt werden:
  • (I) Der mittlere Druckwert, bei welchem sowohl Einsatz als auch Produkt an gegenüberliegenden Enden des Betts zwecks teilweisem Aufdrücken eingeleitet werden, wird zwischen 0,5 und 1,2 bar (0,5 bis 1,2 atm (1,0 atm = 14,696 psi)) und vorzugsweise zu etwa 0,9 bar (0,9 atm) gewählt, während der hohe Druckwert zwischen 1, 2 und 2,0 bar (1, 2 bis 2,0 atm) und vorzugsweise zu etwa 1,44 bar (1,42 atm) gewählt wird. Der niedrige Druckwert wird zwischen 0,30 und 0,46 bar (0,30 bis 0,45 atm) und vorzugsweise zu etwa 0,36 bar (0,35 atm) gewählt.
  • (II) Der Druck während des Produktionsschritts kann von dem mittleren Druckwert von etwa 0,9 bar (0,9 atm) (dem Druck am Ende des gleichzeitigen Produkt- und Einsatz-Schritts) auf den Adsorptionsdruck von etwa 1,44 bar (1,42 atm) ansteigen. Alternativ findet ein Einsatz- Aufdrücken ohne Ablassen nach dem gleichzeitigen Produkt- und Einsatz-Aufdrücken statt, um den Adsorptionsdruck zu erreichen, wobei sich dann ein Steuerventil öffnet, um Produkt zu erzeugen. In diesem letzteren Fall ist der Druck während des Produktionsschritts konstant.
  • (III) Das Einleiten von Einsatz wird beendet und die Kolonne wird im Gleichstrom entspannt, um das Lückengas und die leichte Komponente, die auf dem Adsorptionsmittel ko-adsorbiert ist, zu gewinnen. Der Druck während dieses Schrittes nimmt von dem Adsorptionsdruck von etwa 1,44 bar (1,42 atm) auf etwa 1,11 bar (1,10 atm) ab. Das in diesem Schrift gesammelte Gas wird im folgenden als "Lückengas" bezeichnet. Dieses Gas kann in einem zweiten Speicherbehälter (Ausgleichstank) gespeichert werden oder es kann direkt in das Produktende eines anderen Betts eingespeist werden, welches gleichzeitig Ausgleichs-Anstiegs- und Evakuierungsschritten unterzogen wird. In letzterem Fall ist das Bett am Ende dieses Schritts gespült und teilweise aufgedrückt. Somit ist die diesem Schritt zugeordnete Zeit entscheidend, da ein Teil des Lückengases als Rückstromgas verwendet wird, um die Stickstoff (schwere Komponente)- Wellenfront aus dem Bett über das Einsatzende hinaus zu bewegen, während das verbleibende Lückengas für ein teilweises Produkt-Aufdrücken verwendet wird. Der Druck in dem Bett steigt während dieses Schritts von etwa 0,36 bar (0,35 atm) auf etwa 0,61 bar (0,60 atm) an.
  • (IV) und (V) Desorptionsphase mittels Gegenstromentspannung auf den niederen Druckwert von etwa 0,36 bar (0,35 atm).
  • (VI) Der erste Teil des Aufdrückens findet statt, während das Bett immer noch evakuiert wird. Das für diesen Schritt erforderliche Gas wird von einem anderen Bett, welches dem Ausgleichs-Abfall- Schritt unterzogen wird, oder von einem zweiten Tank erhalten, der für das Speichern von von einem anderen Bett während dem Ausgleichs-Abfall-Schritt erhaltenen Lückengas verwendet wurde. Während dieses Schritts steigt der Druck in dem Bett, welches Lückengas aufnimmt, von etwa 0,36 bar (0,35 atm) auf etwa 0,61 bar (0,60 atm).
  • Die grundlegenden Merkmale der Erfindung können durch das Beschreiben eines PSA-Prozesses mit zwei Betten A und B, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, veranschaulicht werden. Es sollte sich jedoch verstehen, dass ein Bett oder mehr als zwei Betten und andere Betriebsbedingungen (z. B. andere Druckbereiche) gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Zweibett- PSA-Prozesses, der aus den beiden Adsorptionsbetten A und B von Fig. 1, einem Einsatzkompressor oder Gebläse bzw. mehreren Einsatzkompressoren oder Gebläsen 11, einer oder mehreren Vakuumpumpen 13, einem Produktspeichertank 18 und Verbindungsleitungen und -ventilen besteht. Fig. 3 zeigt die Entwicklung des Drucks während des Ausführens der verschiedenen Schritte des Zyklus, wobei der Zyklus nach dem Schritt 6 in Fig. 1 startet. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 ist der PSA-Prozess für einen kompletten Zyklus offenbart. Der PSA-Prozess von Fig. 2 besteht aus zwei Betten (A und B), die mit Adsorptionsmitteln gefüllt sind, wobei jedes Bett ein Einlaßventil 33 bzw. 35 sowie ein Auslaßventil 34 bzw. 36 aufweist. Die Einsatzeinlassventile 33 und 35 sind mit einer Luftzufuhrleitung 10 über ein Gebläse oder einen Kompressor 11 verbunden; wohingegen die Abgasauslaßventile 34 und 36 mit einer Vakuumabgasleitung 12 verbunden sind, die eine Vakuumpumpe 13 umfaßt. Die Bettauslassleitungen 14 und 15 stehen in Verbindung mit Ventilen 5 und 6 vor einer Produktionsleitung 16 über ein Steuerventil 17, welches mit einem Produktspeichertank 18 verbunden ist. Ventile 10A und 12A erlauben eine Verbindung zwischen den beiden Betten, falls ein Spülgasschritt in dem Zyklus enthalten ist. Beispielsweise erlaubt es das Ventil 12A im geöffneten Zustand einem Teil des Produktgases von dem Bett A, dem Bett B einen Spülstrom zuzuführen. In ähnlicher Weise erlaubt es das Ventil 10A, wenn es geöffnet ist, dass ein Teil des Produktgases aus dem Bett B dem Bett A als Spülgas zugeführt wird. Die Auslaßleitungen 14 und 15 sind miteinander über Ventile 2 und 4 verbunden. Alle Ventile in dem Diagramm werden elektronisch über ein Computersystem und eine Programmlogik betätigt. Die Leitung 19 ist mit dem Produktspeichertank verbunden und führt Produktgas über Ventile 8 und 9 zwecks Aufdrücken der Betten B bzw. A zu. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird der neue VPSA-Sauerstoffprozess für ein Zweibettsystem nun beschrieben, um das Öffnen und Schließen der Ventile für jeden Schritt des Zyklus zu veranschaulichen. Außer den in jedem Schritt angegebenen Ventilen sind alle Ventile geschlossen. Bei diesem Beispiel beträgt die Zyklusdauer etwa 60 Sekunden und der Druck variiert zwischen einem unteren Wert von 0,36 bar (0,35 atm) und einem oberen Wert von 2,0 bar (2,0 atm).
  • Schritt I: Einsatz (Luft) über eine Leitung 10 und Produkt (Sauerstoff) aus einem Tank 18 werden gleichzeitig an gegenüberliegenden Enden des Betts eingeleitet. In dem Fall von Bett A sind Ventile 33 und 9 geöffnet, um Einsatz- bzw. Produktgas den Eintritt in das Bett zu erlauben. Während dieser Zeit ist das Ventil 36 geöffnet und das andere Bett B durchläuft eine Evakuierung.
  • Schritt II: Bei dem Einsatz-Aufdrück- und Rohprodukt-Herstellungsschritt sind die Ventile 33 und 5 geöffnet und das Bett A erfährt weiter ein Einsatz-Aufdrücken. Die Programmlogik für das Steuerventil 17 bestimmt, wann dieses Ventil geöffnet wird, um den Eintritt von Produktgas in den Produkttank 18 von dem Bett A zu erlauben. Falls beispielsweise konstanter Druck während der Produktherstellungsschritte erforderlich ist, öffnet sich das Steuerventil 17 nur, wenn das Bett A einen vorbestimmten Druckwert erreicht, um den Eintritt von Produkt in den Produkttank 18 zu ermöglichen. Während des Produktaufdrück- und Produktherstellungsschrifts (Schritt 2) für das Bett A, durchläuft das Bett B eine Evakuierung über das Ventil 36.
  • Schritt III: Gleichstrom-Einspannung. Bei einer Version dieser Erfindung ist das Ventil 33 geschlossen und das Ventil 4 ist geöffnet, um Lückengas aus dem Bett A zu gewinnen und es in das Bett B zu leiten, um das Bett B teilweise aufzudrücken (Ausgleichsanstieg für Bett B) sowie als Rückstromgas zu dienen, um die Stickstoffwellenfront in dem Bett B zu dessen Einsatzende hin zu schieben. Während dieser Zeit ist das Ventil 36 immer noch geöffnet, wodurch Bett B gleichzeitig einem Ausgleichsanstieg und einer Evakuierung unterworfen ist. Bei einer anderen Version dieser Erfindung wird das Ausgleichsanstiegs- Lückengas in einem separaten Speichertank zwecks Zufuhr zu dem Bett B gesammelt. In letzterem Fall ist keine Verbindung zwischen den Betten erforderlich.
  • Schritt IV: Das Ventil 34 ist nun geöffnet, um das Bett A im Gegenstrom zu evakuieren, und die Ventile 35 und 8 sind geöffnet, so dass das Bett B gleichzeitig einem Aufdrücken mit Einsatz und Produkt von gegenüberliegenden Enden unterworfen ist.
  • Schritt V: Das Ventil 34 ist immer noch geöffnet, wobei das Bett A weiter einer Evakuierung unterworfen ist, während die Ventile 35 und 6 geöffnet sind, so dass das Bett B mit Einsatz auf den Adsorptionsdruck aufgedrückt wird. Die Logik für das Steuerventil 17 bestimmt, wann Produktgas von dem Bett B in den Produkttank 18 eintritt.
  • Schritt VI: Das Ventil 35 ist geschlossen und das Bett B durchläuft eine Entspannung über das Ventil 2, welches es mit dem Bett A oder einem zweiten Speichertank verbindet, was wiederum für das Druckanstiegsspülen von Bett A sorgt. Während dieser Zeit befindet sich das Ventil 34 immer noch in der geöffneten Stellung, wodurch ermöglicht wird, dass das Bett A gleichzeitig einem Ausgleichsanstieg und einer Evakuierung unterworfen ist.
  • Basierend auf dem oben in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Zyklus können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, um einen oder mehrere der Schritt zu verändern, ohne von der Anwendung oder den allgemeinen Funktionen dieser Schritt abzuweichen. Beispielsweise kann dem Gegenstrom-Entspannungsschritt IV ein Öffnen gegenüber Luft vorangehen, bis der Druck in dem Bett auf 1,0 bar (1,0 atm) abfällt, wobei dann die Evakuierung beginnt.
  • Der Zweibett-Prozess von Fig. 2, welcher die Schritte von Fig. 1 verwendet, kann eine im Vergleich zu dem in Fig. 8 gezeigten Standardprozess vergleichbare Sauerstoffreinheit und -ausbeute mit niedrigerer Bettgröße und niedrigerem Energiebedarf erzeugen. Ferner wird bei diesem Prozess die Vakuumpumpe durchgängig von dem einen oder dem anderen Bett während jedes Schritts des Zyklus genutzt. Die Bettgrößenverringerung und Energieverbrauchsverringerung, wie sie erzielt werden, liegen in dem Bereich von etwa 5 bis 20%.
  • Die Fig. 4 und 5 zeigen ein alternatives System zum Ausführen eines Zweibett-PSA-Prozesses, welches einen Produktspeicherbehälter 18 und einen Ausgleichstank 20 verwendet. Die Durchführung der verschiedenen Schritte, einschließlich dem Öffnen und Schließen der Ventile, ist ähnlich zu der obigen bezüglich Fig. 2 gegebenen Beschreibung. Jedoch erlaubt die Verwendung von zwei Speicherbehältern eine größere Flexibilität in dem Prozess. Beispielsweise müssen die einzelnen Schritte in dem in Fig. 5 gezeigten Zyklus nicht feste Zeitperioden einnehmen. Auf diese Weise können physikalische Variablen, wie beispielsweise Druck und Zusammensetzung, leicht verwendet werden, um die jedem Schritt zugeordnete Zeit zu bestimmen, wodurch der Prozess hinsichtlich Änderungen bezüglich Temperatur, Druck und sich änderndem Produktbedarf angepaßt werden kann. Da kein Transfer von einem Bett zu einem anderen Bett erforderlich ist, ist es möglich, jedes Bett unabhängig zu betreiben, und der Prozess kann als Ansammlung von Einzelbetteinheiten betrachtet werden. Für eine ordnungsgemäße Dimensionierung und Aufteilung des Kompressors bzw. der Kompressoren und der Vakuumpumpe bzw. den Vakuumpumpen ist eine gewissen Synchronisierung des Gesamtzyklus eines jeden Betts mit den Zyklen der anderen Betten erforderlich.
  • Während die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise zylindrische Adsorptionsmittelbetten mit flachen schalenförmigen Köpfen an der Oberseite und der Unterseite sowie Gasstrom in der Axialrichtung verwendet, können andere Bettkonfigurationen verwendet werden. Beispielsweise können radiale Betten verwendet werden, um eine Verringerung der Druckverluste mit einer einhergehenden Verringerung des Energieverbrauchs zu erzielen. Ferner können geschichtete Betten mit an verschiedenen Stellen in dem Bett gepackten unterschiedlichen Adsorptionsmitteln verwendet werden. Beispielsweise kann aktiviertes Aluminiumoxid an das Einsatzende des Betts platziert werden, um Wasser und Kohlendioxid aus dem Einsatzstrom zu entfernen, und Li-X-Zeolit kann oben auf dem aktivierten Aluminiumoxid platziert werden, um die Zerlegung von Luft in ein mit Sauerstoff angereichertes Produkt durchzuführen.
  • Das Zweibettsystem und der Zweibettprozess von Fig. 4 und 5 liefern Verbesserungen, welche zu den von dem System und dem Prozess von Fig. 1, 2 und 3 gelieferten vergleichbar sind, wobei jedoch eine leichte Verbesserung bei der Produktausbeuterate erzielt wird.
  • Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen die Verwendung eines Einzelbettprozesses, welcher einen Produkttank 18 und einen Ausgleichstank 20 verwendet. Um die gleiche Maschinenausnutzung zu erzielen, zeigt der Prozess von Fig. 6 einen einzelnen Kompressor bzw. Gebläse 11, um die Aufdrück- und Evakuierungsschritte durchzuführen, die in Fig. 7 veranschaulicht sind. Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 werden die Schritte in dem Zyklus kurz beschrieben.
  • Unter der Annahme, dass der Zyklus mit einem gleichzeitigen Einsatz- und Produktaufdrücken beginnt (siehe Fig. 6 und 7), sind die Ventile 9, 10 und 33 geöffnet und die anderen Ventile sind geschlossen. Das Ventil 17 ist ein Differentialdruckrückschlagventil, das sich nur öffnet, wenn der Druck in dem Adsorptionsmittelbehälter C größer als der Druck in dem Produkttank 18 wird. Nach einer bestimmten Zeit schließt sich das Ventil 9 und der Schritt 2 beginnt. Während des Schritts 2 setzt sich das Einsatzaufdrücken über die Ventile 10 und 33 fort, das Differentialrückschlagventil 17 öffnet sich und Produktgas tritt in den Produktspeichertank 18 ein. Am Ende von Schritt 2 wird das Ventil 33 geschlossen und das Ventil 36 öffnet sich, um den Kompressor 11 zu entlasten. Während dieser Zeit durchläuft das Bett eine Gleichstromentspannung, wobei das Ventil 4 geöffnet ist, um das Lückengas in dem Ausgleichstank 20 zu sammeln. Es sei angemerkt, dass das Rückschlagventil 17 während des Gleichstromentspannungsschritts (Schritt III) geschlossen ist, da der Druck des Adsorptionsmittelbetts C unter denjenigen des Produkttanks 18 fällt. Während der Ausführung des Schritts III befinden sich die Ventile 9, 10 und 33 in geschlossener Stellung. Nach dem Ende des Schritts III befinden sich die Ventile 12 und 34 in der geöffneten Stellung, während die Ventile 4, 9, 10, 17, 33 und 36 geschlossen sind. Während dieses Schritts (Schritt IV) verläßt Gas über das Ventil 34 den Adsorptionsmittelbehälter C und tritt in den Einlaß des Kompressors ein.
  • Der nächste Schritt (Schritt V), der in Fig. 7 veranschaulicht ist, ist nur eine Fortsetzung des Schritts N (Evakuierungsschritt). Der abschließende Schritt (Schritt VI) wird ausgeführt, während die Ventile 12 und 34 immer noch geöffnet sind. Während dieses Schritts wird das Ventil 4 geöffnet und das Gas aus dem Ausgleichstank 20 liefert das Rückstromgas, um das adsorbierte Gas zu desorbieren und das Bett C teilweise aufzudrücken.
  • Obschon nur ein Beispiel eines Einzelbettprozesses beschrieben ist, können andere Modifikationen des Einzelbettprozesses leicht erhalten werden, ohne dass von den grundlegenden Merkmalen der Erfindung abgewichen wird.
  • Fig. 8 veranschaulicht einen herkömmlichen PSA-Prozess, welcher einen Zyklus gemäß dem Stand der Technik mit einer Zykluszeit verwendet, die etwa 10 bis 20% länger als diejenige der vorliegenden Erfindung ist. Bei dieser Figur haben die Symbole die folgende Bedeutung: AD = Adsorption und Rohprodukterzeugung, PG = Spülen, EQ = Ausgleich und EV = Evakuierung.
  • Es sei angemerkt, dass der herkömmliche Zyklus gemäß dem Stand der Technik mehr Energie als der erfindungsgemäße Zyklus verbraucht. Der erfindungsgemäße Prozess (Fig. 1) sorgt für eine signifikante Verringerung des Energiebedarfs (mehr als 15%) im Vergleich zu einem Zyklus gemäß dem Stand der Technik (fig. 8), welcher das gleiche Adsorptionsmittel verwendet. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Zyklus (Fig. 1) gegenüber dem Standardausgleichszyklus (Fig. 8) besteht darin, dass er eine hundertprozentige Ausnutzung der Vakuumpumpe erlaubt.
  • Obschon der neue Zyklus in Bezug auf VPSA-Sauerstoffprozesse beschrieben wurde, wobei spezielle Ausführungsformen der Erfindung gezeigt wurden, sind andere Ausführungsformen mit Abwandlungen der offenbarten Merkmale möglich, insoweit sie im Rahmen der Ansprüche liegen. Beispielsweise ist der neue Zyklus nicht auf transatmosphärische Vakuumdruckwechseladsorptions(VPSA)-Zyklen beschränkt, und es können superatmosphärische oder subatmosphärische Druckwechseladsorptionszyklen verwendet werden. Demgemäß werden die Begriffe "aufgedrückt", "hoher Druck", "mittlerer Druck", "Entspannung", etc. hier und in den Ansprüchen als relative Begriffe verwendet, welche sowohl negative als auch positive Drücke einschließen. Somit ist Gas unter einem kleinen Vakuumdruck "aufgedrückt" oder bei einem "hohen Druck" relativ bezüglich Gas unter einem stärkeren Vakuum oder einem stärker negativen Druck. Ferner kann der neue Zyklus bei der Zerlegung von anderen Gemischen verwendet werden, beispielsweise N&sub2;/CH&sub4;-Trennung aus Deponiegas, und für andere Gasgemische, beispielsweise Einsätzen, welche Wasserstoff als die nicht bevorzugt adsorbierte Produktkomponente und verschiedene Verunreinigungen als selektiv adsorbierbare Komponenten enthalten. Diese umfassen leichte Kohlenwasserstoffe, CO, CO&sub2;, NH&sub3;, H&sub2;S, Argon und Wasser. Wasserstoffreiches Einsatzgas, welches mindestens eine dieser adsorbierbaren Komponenten enthält, ist beispielsweise: Abgas aus katalytischen Reformern, Methanolsynthese- Schleifenspülgas, dissoziierter Ammoniak und Demethanisator-Überkopfgas, dampfreformierte Kohlenwasserstoffe, Ammoniaksynthese-Schleifenspülgas, elektrolytischer Wasserstoff und Quecksilberzellenwasserstoff. Die Erfindung ist auch nützlich, um einen oder alle der oben erwähnten adsorbierbaren Stoffe aus Gasgemischen abzutrennen, in welchen Stickstoff oder Helium der Hauptbestandteil ist.
  • Zusammenfassend ergibt sich für den Fachmann, dass die vorliegende Erfindung einen neuartigen Vakuumdruckwechseladsorptionsprozess zum Erzeugen eines konzentrierten Gases aus Gasgemischen schafft, wobei die neuartigen Schritte des gleichzeitigen Ausgleichs und der Evakuierung des Adsorptionsbetts in einem Schritt, gefolgt von dem gleichzeitigen Produkt- und Einsatz-Wiederaufdrücken des Adsorptionsbetts in einem anderen Schritt verwendet werden, was zu einem insgesamt schnelleren und effizienteren Prozess führt, bei welchem das Vakuumgebläse über die gesamte Zeit ausgenutzt wird und der Energieverbrauch um etwa 15% verringert wird. Der neuartige erfindungsgemäße Prozess kann bei überatmosphärischen, transatmosphärischen oder subatmosphärischen Druckwerten ausgeführt werden und ist auf die Trennung von Gasen im allgemeinen unter der Verwendung von PSA-Prozess-Systemen anwendbar.
  • Es versteht sich, dass die obige Beschreibung die Erfindung nur veranschaulichen soll. Verschiedene Alternativen, Modifikationen und andere Prozessbedingungen (beispielsweise Betriebsdruckbereiche) können von dem Fachmann festgelegt werden, ohne dass von der Erfindung abgewichen wird. Die vorliegende Erfindung soll alle solchen Alternativen, Modifikationen und Varianten umfassen, insoweit sie unter den Rahmen der anhängenden Ansprüche fallen.

Claims (7)

1. Druckwechseladsorptionsverfahren zum Abtrennen mindestens eines nicht bevorzugt adsorbierbaren ersten Gases von einem Gasgemisch, welches dieses erste Gas und ein oder mehrere selektiv adsorbierbare(s) zweite(s) Gas(e) enthält, wobei das Gasgemisch mindestens einer Adsorberbetteinheit zugeführt wird, die in der Lage ist, das (die) zweite(n) Gas(e) bei erhöhtem Druck selektiv zu adsorbieren, während das erste Gas durch diese hindurch zu einem Aufnahmetank gelangt, wobei im Zuge des Verfahrens das Gasgemisch unter Druck zu dem stromauf liegenden Ende und gleichzeitig das erste Gas unter Druck zu dem stromab liegenden Ende der Adsorberbetteinheit geleitet wird, um das Aufdrücken der Betteinheit zu beschleunigen; die Zufuhr des ersten Gases unterbrochen wird, während die Zufuhr des unter Druck stehenden Gasgemisches fortgesetzt wird, um einen hohen Adsorptionsdruck innerhalb der Adsorberbetteinheit zu entwickeln; das nicht adsorbierte erste Gas von der Adsorberbetteinheit in den Aufnahmetank abgeführt wird; die Zufuhr des Gasgemisches zu der Adsorberbetteinheit unterbrochen und die Adsorberbetteinheit im Gleichstrom entspannt wird, indem Lückengas von der Adsorberbetteinheit in eine Druckausgleichseinheit abgelassen wird und anschließend die Adsorberbetteinheit im Gegenstrom weiter entspannt wird; und Lückengas von der Druckausgleichseinheit erneut zu dem stromab liegenden Ende der Adsorberbetteinheit geleitet wird, um die Druckausgleichseinheit auf einen niedrigen Druck zu entspannen und gleichzeitig die Adsorberbetteinheit im Gegenstrom zu spülen und zu reinigen und die Adsorberbetteinheit vor dem nächsten Zyklus teilweise wieder aufzudrücken, um für einen schnelleren und effizienteren Betriebszyklus zu sorgen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem als die Druckausgleichseinheit eine zweite Adsorberbetteinheit benutzt wird, und die zweite Adsorberbetteinheit gespült und erneut aufgedrückt wird, indem das Lückengas von der ersten Adsorberbetteinheit zu der zweiten Adsorberbetteinheit abgeführt wird, um die erste Adsorberbetteinheit zu entspannen und gleichzeitig die zweite Adsorberbetteinheit teilweise aufzudrücken, um für einen schnelleren und effizienteren Betriebszyklus zu sorgen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem als die Druckausgleichseinheit ein Druckausgleichstank benutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Adsorberbetteinheit auf einen hohen Adsorptionsdruck zwischen etwa 1,2 bar und 2,0 bar (1,2 atm. und 2,0 atm.) aufgedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Adsorberbetteinheit auf einen hohen Adsorptionsdruck von etwa 1,4 bar (1,4 atm.) aufgedrückt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Druckausgleichseinheit auf einen niedrigen Druck im Bereich von etwa 0,30 bar (0,30 atm.) bis etwa 0,46 bar (0,45 atm.) entspannt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das Gasgemisch Luft ist, das mindestens eine nicht bevorzugt adsorbierbare erste Gas Sauerstoff ist, und das (die) zweite(n) Gas(e) Stickstoff beinhalten.
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