DE69724311T2

DE69724311T2 - Druckwechseladsorptionsverfahren zur Behandlung eines Gasgemisches

Info

Publication number: DE69724311T2
Application number: DE69724311T
Authority: DE
Inventors: Philippe Andreani; Christian Monereau; Pierre Petit
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1997-03-20
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: US5772737A; EP0798028B1; EP0798028A1; ES2205143T3; CA2200997A1; FR2746668A1; JPH1024208A; FR2746668B1; DE69724311D1; CN1170624A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Behandlung eines Gasgemisches in einer Anlage, die wenigstens einen Adsorber umfasst, und zwar des Typs, wobei man in dem oder in jedem Adsorber einen Zyklus durchführt, der eine Produktionsphase und eine Regenerierungsphase umfasst, wobei die Letztere aus einer Anfangsphase, die einen Dekompressionsschritt im Gleichstrom umfasst, und einer Endphase besteht, die einen Wiederverdichtungsschritt im Gegenstrom mit Einleitung des Gases umfasst, das aus dem Dekompressionsschritt im Gleichstrom stammt.
Ein Verfahren dieses Typs ist in dem Dokument EP-A-0 705 636 beschrieben, das am 10. April 1996 veröffentlicht worden ist und keinerlei Angaben über die Zeitspannen der jeweiligen Schritte macht.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Produktion von Sauerstoff durch die Behandlung von atmosphärischer Luft.
Die Druckwerte, die hier angegeben werden, sind absolute Druckwerte.
Die Mehrzahl der Druckwechseladsorptionszyklen, die dazu bestimmt sind, zwei oder mehrere Gase zu trennen, weist in der Aufeinanderfolge ihrer Schritte wenigstens einen Dekompressions- oder Drucksenkungsschritt im Gleichstrom auf, dem wenigstens ein Wiederverdichtungsschritt im Gegenstrom entspricht, welcher das Gas verwendet, das aus dem Dekompressionsschritt im Gleichstrom stammt.
Das Ziel dieser Schritte besteht darin, die globalen Leistungswerte des Zyklus zu verbessern, indem teilweise der Anteil des am wenigsten adsorbierbaren Gases oder teilweise der Anteil der am wenigsten adsorbierbaren Gase wiedergewonnen wird, das bzw. die sich am Ende des Produktionsschritts in der vorderen Zone und in den freien Volumina des Adsorbers befinden, und indem man dieses Fluid verwendet, um wenigstens teilweise einen Adsorber am Ende der Regenerierungsphase wieder zu verdichten.
In Abwesenheit dieses Paars von Schritten würde das am wenigsten adsorbierbare Gas im Laufe des Dekompressionsschritts, der dem Dekompressionsschritt im Gleichstrom folgt, im Gegenstrom abgeführt oder abgeblasen, und zwar zur selben Zeit wie der Anteil des oder der am meisten adsorbierten Gase. Dieses Gas würde dann – jedoch im Allgemeinen in sehr viel weniger effizienter Form als gemäß dem vorher beschriebenen Prozess – an der Regenerierung des Adsorbers teilnehmen, indem es den Partialdruck der am leichtesten adsorbierten Verbindungen senkt.
In den Zyklen, die vor der Priorität der vorliegenden Erfindung bekannt worden sind und unabhängig davon, ob es sich um Adsorber handelt, die man direkt untereinander anschließt (Dokumente EP-A-354 259 oder EP-A-654 439), oder um einen oder mehrere Adsorber handelt, der oder die mit einem Kapazitätspuffer verbunden ist, in dem das Gas, das aus der Dekompression im Gleichstrom stammt, vorübergehend gespeichert wird (Dokument US-A-5 370 728), ist die Dauer der beiden gekoppelten Schritte identisch oder nahezu identisch.
Nun hat die Antragstellerin in überraschender Weise festgestellt, dass ein Verfahren des oben angegebenen Typs, in dem gemäß der Erfindung die Zeitdauer des Wiederverdichtungsschritts im Gegenstrom um das 0,8fache und in der Regel um das 0,5fache kürzer als diejenige des Dekompressionsschrittes im Gleichstrom ist, es gestattet, die Leistungswerte des Zyklus deutlich zu verbessern.
Ein derartiges Verfahren kann darüber hinaus eines oder mehrere der folgenden charakteristischen Merkmale umfassen:

– das Gas, das aus dem Dekompressionsschritt im Gleichstrom stammt, wird vorübergehend in einem Kapazitätspuffer gespeichert;
– das Verfahren verwendet einen einzigen Adsorber;
– das zu behandelnde Gemisch ist atmosphärische Luft für die Produktion von Sauerstoff.

Es werden nun Beispiele für die Verwirklichung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
die 1 in schematischer Weise eine Ausführungsform einer Anlage mit einem einzigen Adsorber für die Verwirklichung eines Verfahrens gemäß der Erfindung darstellt; und
die 2 ein Diagramm ist, welches ein Beispiel für einen Zyklus gemäß der Erfindung, die in der Anlage nach der 1 verwirklicht worden ist, darstellt.
Die Anlage nach der 1 wird dient in vorteilhafter Weise dazu, aus atmosphärischer Luft Sauerstoff mit einer Reinheit in der Größenordnung von 90% bis 93% zu produzieren. Sie umfasst im Wesentlichen einen einzigen Adsorber 1, der ein Adsorptionsmittel enthält, das in der Regel wenigstens ein Zeolith ist, eine Maschine mit umkehrbarer Drehrichtung 2, die einen Kompressor und eine Vakuumpumpe bildet, einen Filter-Schalldämpfer 3, einen Kühler 4, eine Produktionskapazität 5 und einen Kapazitätspuffer 6.
Das Gerät 2 ist auf der einen Seite mittels einer Leitung 7 und einen Filter-Schalldämpfer 3 mit der Atmosphäre verbunden und auf der anderen Seite mittels einer Leitung 8, welche den Kühler 4 durchläuft, mit dem Eingang des Adsorbers 1, welcher dessen unteres Ende ist, verbunden. Der Ausgang (oberes Ende) des Adsorbers ist einerseits mit der Kapazität 5 verbunden, und zwar mittels einer Leitung 9, die mit einem Regelventil 10 ausgerüstet ist, und andererseits mit dem Kapazitätspuffer 6 verbunden, und zwar mittels einer Leitung 11, die mit einem Regelventil 12 ausgerüstet ist. Mit der Nummer 13 ist die Produktionsleitung der Anlage bezeichnet, die von der Kapazität 5 abgeht.
Die Anlage umfasst weiterhin Mittel zur Steuerung, Regelung und Bereitstellung von elektrischer Energie und Kältemitteln, die an sich bekannt sind und nicht dargestellt werden und die angepasst sind, um den in der 2 dargestellten Zyklus durchzuführen.
In der 2, in der die Zeiten t längs der Abszissen und die Drücke P längs der Ordinaten aufgetragen sind, zeigen die durch Pfeile mit einer Orientierung versehenen Striche die Bewegungen und Ziele der Gasströme und insbesondere die Zirkulierungsrichtung in dem Adsorber an: Wenn ein Pfeil in die Richtung der steigenden Ordinaten (d. h. im Diagramm nach oben) zeigt, dann befindet sich der Strom, wie man sagt, im Gleichstrom in dem Adsorber. Wenn der nach oben weisende Pfeil sich unterhalb der Linie befindet, die den Druck in dem Adsorber angibt, dann dringt der Strom durch das eingangsseitige Ende des Adsorbers in den Adsorber ein; wenn der nach oben weisende Pfeil sich oberhalb der Linie befindet, die den Druck angibt, verlässt der Strom den Adsorber durch das ausgangsseitige Ende des Adsorbers, wobei die eingangs- und ausgangsseitigen Enden jeweils die des zu behandelnden Gases und des Gases sind, das in der in der isobaren Phase der Produktion entnommen wird; wenn ein Pfeil in die Richtung der fallenden Ordinaten zeigt (d. h. im Diagramm nach unten), dann befindet sich der Strom, wie man sagt, im Gegenstrom in dem Adsorber. Wenn der nach unten weisende Pfeil sich unterhalb der Linie befindet, die den Druck des Adsorbers angibt, verlässt der Strom den Adsorber durch das eingangsseitige Ende des Adsorbers; wenn der nach unten weisende Pfeil sich oberhalb der Linie befindet, die den Druck angibt, dann dringt der Strom durch das ausgangsseitige Ende des Adsorbers in den Adsorber ein, wobei die eingangs- und ausgangsseitigen Enden immer noch diejenigen des zu behandelnden Gases und des Gases sind, das in der in der isobaren Phase der Produktion entnommen wird.
Der Zyklus der 2, deren Periode T sich beispielsweise auf 86,5 s beläuft, umfasst die folgenden, sukzessiven Schritte:

(1) Von t = 0 bis t1 = 20 s endgültige Wiederverdichtung im Gleichstrom mittels des zu behandelnden Gases, und zwar von einem ersten Zwischendruck PI1 bis zu dem hohen Druck P_M des Zyklus, der beispielsweise 1,5 × 10⁵ Pa ist.
(2) Von t1 bis t2 = 30 s im Wesentlichen isobare Produktion bei dem Druck P_M. Die Produktion wird zu der Kapazität 5 geleitet, wo ein geringerer Durchflussstrom über die Leitung 13 ständig zu einer Verbraucherstelle abgeführt wird. In der Praxis beginnt in einer Variante die Produktion in Richtung der Kapazität 5 vor dem Augenblick t1, und zwar während der Endphase der Druckbeaufschlagung in der Nähe des hohen Drucks P_M des Zyklus.
(3) Von t2 bis t3 = 40,5 s, das heißt während einer Zeit T_D = 10,5 s, Dekompression Gleichstrom bis zu einem zweiten Zwischendruck PI2. Das Gas, das während dieses Schritts aus dem Adsorber kommt, wird zu dem Kapazitätspuffer 6 geleitet. In einer Variante kann man während dieses Schritts (3) ebenfalls eine simultane Dekompression im Gegenstrom durchführen.
(4) Von t3 bis t4 = 83 s Dekompression im Gegenstrom durch Pumpen bis zu dem niedrigen Druck P_m des Zyklus, der sich beispielsweise auf etwa 0,5 × 10⁵ Pa beläuft, danach Ausblasen/Herausspülen in der Regel und im Wesentlichen isobar bei dem Druck P_m durch Fortsetzung des Pumpvorgangs und gleichzeitig Einleitung des Produktionsgases im Gegenstrom aus der Kapazität 5.
(5) Von t4 bis T, das heißt während einer Zeit T_R = 3,5 s, erste Wiederverdichtung im Gegenstrom bis zu dem ersten Zwischendruck PI1, und zwar mittels des Gases, das aus dem Kapazitätspuffer 6 kommt.

Wie man sieht, ist gemäß einem Aspekt der Erfindung die Zeit T_D des Schrittes (3) der Dekompression im Gleichstrom deutlich länger als die Zeit T_R des Schritts (5) der ersten Wiederverdichtung im Gegenstrom mittels des Gases, das aus dem Schritt (3) stammt.
In überraschender Weise hat man festgestellt, dass die Leistungswerte eines derartigen Zyklus erheblich verbessert werden im Vergleich zu denjenigen eines analogen Zyklus, in dem jeder Schritt (3) und (5) die gleiche Zeit (10,5 + 3,5)/2 = 7 s haben würde. Dies geht klar aus der untenstehenden Tabelle hervor, die einer Anlage wie der gemäß der 1 entspricht, wobei P_M = 1,5 × 10⁵ Pa und P_m = 0,45 × 10⁵ Pa ist.
Wie üblich ist die Produktivität die stündliche Produktion der Anlage für 1 m³ des Adsorptionsmittels; die spezifische Produktivität ist die Produktion pro Zyklus für 1 m3 des Adsorptionsmittels; die spezifische Energie ist diejenige Energie, die notwendig ist, um 1 Nm³ Sauerstoff zu produzieren; und die Ausbeute ist das Verhältnis aus produzierter Menge an Sauerstoff zu der Menge an Sauerstoff, die in der behandelten Luft enthalten ist.
In der obenstehenden Tabelle:

– ist der Zyklus Nr. 1 ein klassischer Zyklus, in dem die Zeiten T_D und T_R gleich sind.
– entspricht der Zyklus Nr. 2 dem Zyklus gemäß der Erfindung und der 2, wobei T_D = 10,5 s und T_R = 3,5 ist. Hier ist eine Verbesserung bei allen Parametern festzustellen. Insbesondere die Produktivität hat sich erhöht, während sich die spezifische Energie verringert hat. Auch die Ausbeute ist gestiegen, obwohl es sich im Falle der Behandlung von atmosphärischer Luft, die kostenlos ist, nicht um einen wichtigen Parameter handelt.
– Der Zyklus Nr. 3 ist ebenfalls ein Zyklus gemäß der Erfindung, unterscheidet sich von dem vorhergehenden Zyklus durch die Tatsache, dass die Zeit T_D dieselbe ist (7 s) wie in dem klassischen Zyklus Nr. 1. Man stellt fest, dass im Vergleich mit dem Letzteren die spezifische Energie sich erhöht hat, während die spezifische Produktivität unverändert bleibt; weil der Zyklus kürzer ist, ist die Produktivität demzufolge größer. Ein solcher kann daher in geographischen Regionen vorteilhaft sein, in denen die Energie preisgünstig ist.
– In dem Zyklus Nr. 4, der als Gegenbeispiel dargestellt ist, ist es – im Gegensatz zu den Angaben der Erfindung – die Zeit T_D, die reduziert worden ist. Man stellt eine Verschlechterung sämtlicher Parameter (Produktivität, Ausbeute, spezifische Energie und spezifische Produktivität) fest). Insbesondere der Abfall der spezifischen Produktivität ist höher als der Leistungsgewinn, den man aus der Verringerung der Zykluszeit erwarten könnte, so dass die Produktivität niedriger ist.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Zyklen, die sich von demjenigen der 2 durch die Tatsache unterscheiden, dass man im Verlauf des Schritts (5) in den Adsorber simultan im Gleichstrom eine Einleitung des zu trennenden Gasgemisches oder im Gegenstrom eine Evakuierung durchführt, um das Herausspülen abzuschließen, oder indem man wiederum vorübergehend Gas aus der Kapazität 6 im Gegenstrom im Laufe des Schrittes 4 zum Ausblasen/Herausspülen – und in der Regel am Ende des Letzteren – einleitet.
Zu Beispielzwecken sei angegeben, dass für die Durchführung eines wie oben beschriebenen Zyklus – mit einem Adsorptionsmittels des Typs Zeolith 5A und eines Drucks PI2 von 1,1 × 10⁵ Pa mit einer Speicherung von Sauerstoff mittlerer Reinheit unter einer Druckdifferenz von etwa 0, 3 × 10⁵ Pa – das Volumen der Kapazität 6 ungefähr 3,5 m³/m² des Zeoliths beträgt.
Für eine Realisierung mit zwei parallelen Adsorbern gestattet die gemeinsame Nutzung der zwei Kapazitäten 5 und 6 insbesondere eine kontinuierliche Nutzung der Vakuumpumpe und ein Pseudogleichgewicht zwischen den zwei Adsorbern während zweier Zeitspannen.

Claims

Druckwechseladsorptionsverfahren zur Behandlung eines Gasgemisches in einer Anlage, die wenigstens einen Adsorber (1) umfasst, wobei man in dem oder in jedem Adsorber (1) einen Zyklus durchführt, der eine Produktionsphase und eine Regenerierungsphase umfasst, wobei die Letztere aus einer Anfangsphase, die einen Dekompressionsschritt im Gleichstrom umfasst, und einer Endphase besteht, die einen Wiederverdichtungsschritt im Gegenstrom mit Einleitung des Gases umfasst, das aus dem Dekompressionsschritt (3) im Gleichstrom stammt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (T_R) dieses Wiederverdichtungsschrittes (5) im Gegenstrom um das 0,8fache kürzer ist als diejenige (T_D) des Dekompressionsschrittes im Gleichstrom.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (T_R) des Wiederverdichtungsschrittes im Gegenstrom um das 0,5fache kürzer ist als diejenige (T_D) des Dekompressionsschrittes im Gleichstrom.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas, das aus dem Dekompressionsschritt (3) im Gleichstrom stammt, vorübergehend in einem Kapazitätspuffer (6) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man während dieses Wiederverdichtungsschrittes gleichzeitig und im Gleichstrom das Gasgemisch einleitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das in einer Anlage durchgeführt wird, die einen einzigen Adsorber (1) verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerierungsphase eine Zwischenphase (4) zum Ausblasen/Herausspülen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zum Ausblasen/Herausspülen Produktionsgas ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zum Ausblasen/Herausspülen vorübergehend in einem Produktionsbereich (5) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche für die Trennung von Sauerstoff aus der Luft.