DE69817488T2 - Gasreinigung mit festen Adsorptionsmitteln - Google Patents

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    • Y02C20/40Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen eines Bestandteils oder von Bestandteilen aus einem Gasstrom durch Adsorption auf einem Fest-Adsorptionsmittel, mit Regeneration des Adsorptionsmittels in Intervallen.
  • Bei solchen Verfahren wird der Gasstrom in Kontakt mit einem Fest-Adsorptionsmittel zugeführt, um den zu entfernenden Bestandteil zu adsorbieren, der sich allmählich im Adsorptionsmittel aufbaut bzw. anreichert. Die Konzentration des entfernten Bestandteils in dem Adsorptionsmittel wird allmählich ansteigen. Die Konzentration des entfernten Gasbestandteils im Adsorptionsmittel wird nicht einheitlich sein, sondern am stromaufwärtigen Ende des Adsorptionsbettes am höchsten, und sie wird progressiv durch eine Massentransferzone im Adsorptionsmittel abfallen. Wenn der Prozeß unbegrenzt weitergeführt wird, wird die Massentransferzone progressiv stromabwärts im Adsorptionsmittelbett wandern, bis der Bestandteil, der entfernt werden soll, vom stromabwärtigen Ende des Bettes durchbricht. Bevor dies stattfindet, ist es notwendig, das Adsorptionsmittel zu regenerieren.
  • Beim Druckwechseladsorptions-PSA-System wird dies dadurch bewerkstelligt, dass die Strömung des zu behandelnden Gases in das Adsorptionsmittel gestoppt, das Adsorptionsmittel im Druck abgesenkt und gewöhnlich eine Strömung eines Regenerierungsgases durch das Bett im Gegenstrom zur Produktzuführungsrichtung geführt wird, normalerweise bei einem niedrigeren Druck als das zu behandelnde Gas und mit geringem Gehalt an dem Bestandteil, der an dem Bett adsorbiert wird.
  • Da der Bestandteil, welcher entfernt wird, adsorbiert wird, während das Bett on-line ist, wird der Adsorptionsprozess Adsorptionswärme erzeugen, was bewirkt, dass ein Wärmeimpuls sich stromabwärts durch das Adsorptionsmittel fortbewegt. Während des Regenerierungsprozesses muss Wärme zugeführt werden, um den Gasbestandteil zu desorbieren, welcher an dem Bett adsorbiert worden ist. Bei PSA wird darauf abgezielt, eine Regeneration zu beginnen, bevor der oben genannte Wärmeimpuls das stromabwärtige Ende des Bettes erreicht hat. Die Richtung des Wärmeimpulses wird durch den Regenerierungsprozess umgekehrt und die Wärme, welche aus der Adsorption des fraglichen Gasbestandteiles herrührte, wird verwendet, um den Bestandteil während der Regenerierung zu desorbieren. Man vermeidet so, während des Regenerierungsschrittes Wärme hinzufügen zu müssen.
  • Eine alternative Prozedur ist als Temperaturwechseladsorption (TSA) bekannt. Bei TSA wird die Zykluszahl verlängert und der oben genannte Wärmeimpuls kann aus dem stromabwärtigen Ende des Adsorptionsmittelbettes während der Zuführung oder der on-line-Zeitspanne heraustreten. Um die Regenerierung zu erzielen, ist es deshalb notwendig, Wärme zuzuführen, um den adsorbierten Gasbestandteil zu desorbieren. Zu diesem Zweck wird das verwendete Regenerierungsgas über eine Zeitspanne erwärmt, um einen Wärmeimpuls zu produzieren, der sich durch das Bett im Gegenstrom zur normalen Zuführungsrichtung bewegt. Dieser Strömung erwärmten Regenerierungsgases folgt gewöhnlich eine Strömung kühlen Regenerierungsgases, welches die Verschiebung des Wärmeimpulses durch das Bett zum stromaufwärtigen Ende hin fortsetzt. TSA ist im Vergleich zu PSA durch eine erhöhte Zykluszeit gekennzeichnet.
  • Jede Prozedur hat ihre eigenen charakteristischen Vorteile und Nachteile. TSA ist energieintensiv, wegen der Notwendigkeit, dem Regenerierungsgas Wärme zuzuführen. Die Temperaturen, die für das Regenerierungsgas benötigt werden, sind typischerweise ausreichend hoch, zum Beispiel 150°C bis 200°C, so dass sie Anforderungen an die Systemtechnik stellen, welche die Kosten erhöhen. Typischerweise wird es mehr als einen unerwünschten Gasbestandteil geben, welcher in dem Prozess entfernt wird, und im Allgemeinen wird einer oder mehrere dieser Bestandteile stark und ein anderer schwächer adsorbiert. Die hohe Temperatur, die zum Regenerieren bei TSA verwendet wird, muss ausreichend für die Desorption des stärker adsorbierten Bestandteils sein. Gewöhnlich wird das optimierte TSA-System, um der Anforderung zu genügen, verschiedene Bestandteile aus dem Gasstrom zur selben Zeit zu adsorbieren, ein Dual-Adsorptionsmittelbett verwenden, das eine erste Schicht zum Adsorption des stärker adsorbierten Bestandteils (z. B. Wasser) aufweist, und eine zweite Schicht zum Adsorbieren eines schwächer adsorbierten Bestandteils (z. B. Kohlendioxid). Somit wird ein TSA-System zum Entfernen von Wasser und Kohlendioxid aus dem Gasstrom typischerweise ein Adsorptionsmittelbett verwenden, das eine erste Schicht aus Aluminiumoxid zum Entfernen von Wasser und eine zweite Schicht aus einem 13X-Molekularsieb aufweist, zum Entfernen von Kohlendioxid und anderen geringeren Bestandteilen. Jedoch verwendet der Prozess gewöhnlich entweder nur Zeolith oder einen hohen Anteil von Zeolith im Vergleich zu Aluminiumoxid und benötigt so eine hohe Regenerationstemperatur, normalerweise oberhalb von 100°C, um das adsorbierte Wasser praktisch vom Zeolith abzusieden. Um die Wassermenge, welche desorbiert worden ist, zu minimieren, wird gewöhnlich die zu behandelnde Luft vorgekühlt, so dass viel von ihrem Wassergehalt auskondensiert wird. Die verwendete hohe Temperatur in einem TSA-System erzeugt einen Bedarf an einer Verwendung von isolierten Behältern, einem Spülungs-Vorwärmer und einem Einlassende-Vorkühler, und im Allgemeinen erlegen die hohen Temperaturen dem System strengere und teurere mechanische Spezifikationen auf. Im Betrieb gibt es zusätzliche Energiekosten, die mit der Verwendung des Spülungs-Vorwärmers zusammenhängen.
  • Während das PSA-System viele dieser Nachteile dadurch vermeidet, dass der Bedarf vermieden wird, mit hohen Temperatur umzugehen, bringt die kurze Zykluszeit, welche PSA charakterisiert, ihre eigenen Nachteile mit sich. Bei jedem Betriebszyklus wird das Adsorptionsmittel einer Zuführungszeitspanne unterzogen, während der die Adsorption stattfindet, gefolgt von einer Druckentlastung, Regeneration und einem Druckaufbau. Während der Druckentlastung wird das zugeführte bzw. Speisegas im Bett abgelassen und ist verloren. Die Menge des auf diese Weise verlorenen Speisegases ist als „Umschaltverlust" bekannt. Die kurze Zykluszeit beim PSA System verursacht hohe Umschaltverluste. Weil der Zyklus kurz ist, ist es auch notwendig, dass der Druckaufbau schnell durchgeführt wird. In der Praxis hat man zwei Adsorptionsmittelbetten, welche die obigen Betriebszyklen durchführen, wobei die Zyklen so zueinander in Phase gesetzt sind, dass immer eines der beiden Betten in der Zuführungs- oder on-line-Phase liegt. Dem gemäß ist die verfügbare Zeit für Druckaufbau und Regenerierung durch die Zeit begrenzt, die das andere Bett im Zuführungsteil seines Zykluszes bringen kann, der wiederum durch die kurze Zykluszeit begrenzt ist. Der schnelle Druckaufbau, der durch diese Randbedingungen impliziert wird, bewirkt Übergangsvariationen in den Speise- und Produktströmungen, welche den Anlagenbetrieb negativ beeinflussen können, speziell dem Betrieb von Prozessen stromabwärts vom Adsorptionssystem.
  • PSA wird beschrieben von Skarstrom, C. W. in „Heatless Fractionation of Gawes over Solid Adsorbents", Band 11, 95, N. W. Li(ED) C. R. C. Press, Cleveland, Ohio 1972 und in der US-A-4711645 (Kumar).
  • TSA wird beschrieben von Gemmingen, U. in „Designs of Adsorptive driers in air separation plants" – Reports on Technology 54/1994 – (Linde), unter Verwendung von niedrigeren als Normaltemperaturen, d. h. 80 bis 130°C und kurzen Zykluszeiten.
  • Eine Form von TSA mit noch geringerer Temperatur wird beschrieben in der US-A-5137548 (Grenier), unter Verwendung einer Regenerierungstemperatur von 35°C mit einem 13X-Molekularsieb-Adsorptionsmittel. Die vorangehende Entfernung von Wasser durch das Kühlen der Speiseluft ist für diesen Prozess essentiell.
  • Die US-A-4541851 offenbart, dass man TSA so durchführen kann, dass der Wärmeimpuls beim Desorbieren sowohl der stärker als auch der schwächer adsorbierten Bestandteile vom Adsorptionsmittel verbraucht wird.
  • Die US-A-4249915 und die US-A-4472178 offenbaren ein Adsorptionsverfahren, bei welchem Feuchtigkeit und Kohlenstoff und Kohlendioxid aus atmosphärischer Luft durch Adsorption in jeweils separaten Betten entfernt werden. Das feuchtigkeitsbeladene Bett wird durch Druckwechseladsorption in relativ kurzem Betriebszyklus regeneriert, während das CO2 beladene Bett thermisch bei wesentlich längeren Zeitintervallen regeneriert wird. Um dies durchzuführen, werden natürlich wesentlich erhöhte Apparaturkosten notwendig, in Hinsicht auf den Bedarf an separaten Kolonnen zur Unterbringung der Betten zur Entfernung von Feuchtigkeit und Kohlendioxid und zusätzliche Hilfsausrüstung. Während sie bestimmte Vorteile bereitstellen, leiden die Lehren dieser Beschreibungen unter den Nachteilen von sowohl PSA als auch TSA. Man hat den hohen Umschaltverlust und die variable Abgabe des PSA-Wasserentfernungsmoduls, und man hat ebenfalls den hohen Energiebedarf und die hohen Ausstattungskosten des TSA-Kohlendioxid-Entfernungsmoduls.
  • Die EP-A-0766989 offenbart die Verwendung von Aluminiumoxid, gefolgt von einem Molekularsieb zur Entfernung von Kohlendioxid und Wasser aus Luft vor der kryogenen Zerlegung. Hier wird der Wärmeimpuls, der durch das Erwärmen des regenerierenden stickstoffreichen Gases erzeugt wird, nicht in dem Bett verbraucht, sondern wird angehalten, bevor er in den stromaufwärtigen Aluminiumoxid-Abschnitt des Bettes eintritt.
  • Die US-A-5647891 offenbart ein Verfahren zum Trocknen von Luft in einem Kurzzyklus-Betrieb einer Hochdruck-Druckwechsel-Trocknung, wobei eine kurze Zykluszeit dadurch erzielt wird, dass ein Wärmeausbruch am Beginn des Reaktivierungs(Spül)-Zyklus hinzugefügt wird.
  • In „Adsorption Purification For Air Separation Units"-M. Garnier et al., Intersociety Cryogenics Symposium, Winter Annual Meeting of ASMI, 9.–14. Dezember 1984, New Orleans, LA, wird die Adsorption von Kohlendioxid und Wasser aus Luft durchgeführt unter Verwendung eines Bettes, welches einen stromaufwärtigen (bezüglich der Strömungsrichtung während der Adsorption) Abschnitt aus Aluminiumoxid und einem stromauwärtigen Abschnitt aus Molekularsieb enthält. Wasser wird an dem Aluminiumoxid adsorbiert, was das Molekularsieb vor dem Wasser schützt. Kohlendioxid wird prinzipiell an dem Molekularsieb adsorbiert.
  • Die Regenerierung des Adsorptionsmittels wird dadurch erzielt, dass erwärmter Stickstoff durch das Adsorptionsmittelbett in der Richtung entgegen der Strömungsrichtung während der Adsorption geführt wird. Nach einer Zeit wird die Erwärmung des Stickstoffs gestoppt, aber die Stickstoffströmung wird weitergeführt. Dies produziert einen Wärmeimpuls, der sich durch das Adsorptionsmittel bewegt, und die Wärme im Wärmeimpuls stellt Energie zum Desorbieren des Wassers und Kohlendioxids vom Adsorptionsmittel bereit. Es empfiehlt sich, dass man versucht, zu bewirken, dass die während des Erwärmens des Stickstoffs zugeführte Wärme exakt im Ausgleich mit der Wärme ist, die für die Desorption benötigt wird. Wenn die Erwärmung zu lange weitergeführt wird, wird Wärme im Bett am Ende der Regenerierung verbleiben, was die Adsorption von Wasser und Kohlendioxid stört, wenn das Bett wieder on-line geht, und sie kann in den kryogenen Stickstoff/Sauerstoff-Zerleger eingeführt werden, was dessen Funktion stört.
  • Man sagt, dass, wenn die Erwärmung zu früh unterbrochen wird, das Resultat sein wird, dass ein Teil des Bettes nicht regeneriert wird. Man sieht dies so, dass es geringere Konsequenzen hat, und somit kann man das Aluminiumoxidbett in sehr geringem Umfang zu groß machen, so dass der Wärmeimpuls das Bett niemals verlässt, sondern in dem zusätzlichen Aluminiumoxid während abfolgender Zyklen abgebaut wird.
  • Wir haben nunmehr gesehen, dass die Folge dessen, dass man es dem Wärmeimpuls gestattet, in dem Aluminiumoxid-Teil des Bettes abgebaut zu werden, nicht sein muss, dass ein Teil des Bettes nicht regeneriert wird. Der Strom des trockenen Stickstoffes, welcher für die Regenerierung verwendet wird, enthält natürliche Wärmeenergie, sogar wenn er nicht über seine Zuführungstemperatur erwärmt wird. Wasser und Kohlendioxid können von einem Adsorptionsmittel wie zum Beispiel Aluminiumoxid desorbiert werden, wobei die notwendige Wärme aus einem solchen nicht erwärmten Stickstoff abgezogen wird, so dass der Regenerierungs-Stickstoff das Bett bei einer Temperatur unterhalb seiner Zuführungstemperatur verlässt. Wir haben herausgefunden, dass es durch eine geeignete Einstellung der Bedingungen möglich ist, eine Regenerierung so zu erzielen, dass wiederholte Zyklen von Adsorption und Regeneration mit nur einem Anteil der Wärme der Desorption gestattet werden, die durch das Erwärmen des Regenerierungsgases zugeführt wird.
  • Dieses Prinzip kann nicht nur auf die Entfernung von Wasser und Kohlendioxid aus Luft, sondern auch allgemeiner angewendet werden.
  • Dem gemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, zum Entfernen eines Bestandteils aus einem Gasstrom, mit:
    • a) Führen des Gasstromes in einer ersten Richtung in Kontakt mit einem Adsorptionsmittel, um den Bestandteil aus dem Gasstrom auf dem Adsorptionsmittel zu adsorbieren, wobei Adsorptionswärme freigesetzt wird,
    • b) Beenden des Führens des Gasstromes in Kontakt mit dem Adsorptionsmittel,
    • c) Erwärmen eines Regenerierungsgases, um diesem Wärme zuzuführen und die Temperatur des Regenerierungsgases auf eine Temperatur oberhalb derjenigen des Gasstroms zu erhöhen,
    • d) Führen des erwärmten Regenerationsgases in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung, um den Gasstrombestandteil aus dem Adsorptionsmittel zu desorbieren, über eine solche Zeitspanne, dass die dem Regenerierungsgas, das so in Kontakt mit dem Adsorptionsmittel geführt wird, zugeführte Wärme nicht mehr als 70% der Adsorptionswärme beträgt, die während der Adsorption des Gasbestandteils freigesetzt,
    • e) Beenden des Erwärmens des Regenerierungsgases und Fortsetzen des Führens des Regenerierungsgases in einem nicht erwärmten Zustand, um den Gasstrombestandteil weiter von dem Adsorptionsmittel zu desorbieren, wobei es der zugeführten Wärme gestattet wird, im Desorptionsprozess verbraucht zu werden, und
    • f) Wiederholen der Schritte a) bis e).
  • Vorzugsweise umfasst der Schritt (b) ferner das Reduzieren des Gasdruckes über das Adsorptionsmittel, und der Gasdruck wird vor oder bei Beginn der Wiederholung des Schrittes (a) wieder hergestellt. Der Regenerierungsprozess kann dann so betrachtet werden, als ob er eine TSA-Phase hat, wenn zugeführte Wärme verbraucht wird, gefolgt durch eine PSA-Phase, wenn Wärme aus dem nicht erwärmten Spülgas abgezogen wird, welches deshalb bei einer reduzierten Temperatur unterhalb seiner nicht erwärmten Einlasstemperatur austritt.
  • Vorzugsweise sind mindestens zwei Behälter vorhanden, die das Adsorptionsmittel enthalten, und das Verfahren wird an jedem Behälter durchgeführt, wobei die Schritte so in ihrer Phase zwischen den Behältern abgestimmt sind, dass mindestens ein Behälter sich in einer Adsorptionsphase befindet, während ein anderer sich in einer Regenerierungsphase befindet.
  • Die Wärmemenge, die dem Regenerierungsgas zugeführt wird, beträgt nicht mehr als 60 der Wärme der Adsorptionswärme, die während der Adsorption des Gasbestandteils freigesetzt wird, bevorzugter nicht mehr als 50%, bevorzugt weniger, zum Beispiel nicht mehr als 30%.
  • Das Adsorptionsmittel kann Aluminiumoxid zum Adsorbieren von Wasser und optional ebenfalls Kohlendioxid umfassen. Es kann ferner ein Molekulsieb zum Adsorbieren von Kohlendioxid umfassen, wobei das Molekularsieb stromabwärts von dem Aluminiumoxid in Richtung der Gasstrom während der Adsorption angeordnet ist.
  • Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Trennen von Sauerstoff und Stickstoff in Luft, mit der Behandlung eines Luftstromes, der Wasser und Kohlendioxid enthält, um das Wasser und das Kohlendioxid daraus zu entfernen, und Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft in einer kryogenen Zerlegungseinheit zu trennen, wobei das Verfahren ein solches ist, wie es oben beschrieben wurde.
  • Weil der Wärmeimpuls während der Regenerierung in die Wasseradsorptionszone verschoben werden muss, kann die Zykluszeit ebenso lang sein wie bei einem herkömmlichen TSA-Prozess, aber sie wird kürzer sein als bei den Verfahren, die in der EP-A-0766989 beschrieben sind.
  • Bevorzugte Bereiche für Betriebsbedingungen können wie unten in Tabelle 1 gezeigt zusammengefasst werden:
  • TABELLE 1
    Figure 00090001
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben und dargestellt.
  • 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Verwendung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die 1 zeigt eine Einrichtung zum Entfernen von Kohlendioxid und Wasser aus Luft, welche zu einer bekannten Form einer kryogenen Luftzerlegungseinheit (nicht gezeigt) geführt werden soll, welche getrennt Sauerstoff und Stickstoff bereitstellt, wobei letzterer teilweise als Regenerierungsgas in der dargestellten Luftreinigungseinrichtung verwendet wird.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wird zu reinigende Luft einem Haupt-Luftkompressorsystem 10 an einem Einlass 12 zugeführt, in welchem sie durch einen mehrstufigen Kompressor mit Zwischen- und Nachkühlung durch Wärmetausch mit Wasser komprimiert wird. Optional kann die komprimierte Lufteinspeisung in einem Kühler 8 unterkühlt werden. Die gekühlte, komprimierte Luft wird einem Einlassverteiler 14 zugeführt, der Einlassstellventile 16 und 18 enthält, mit welchen ein Paar Adsorptionsmittelbetten verbunden sind, die Behälter 20 und 22 enthalten. Der Einlassverteiler ist stromabwärts von den Stellventilen 16 und 16 und 18 durch einen Ablassverteiler 24 überbrückt, der Ablassventile 26, 28 enthält, welche dazu dienen, die Verbindungen zwischen dem stromaufwärtigen Ende der jeweiligen Adsorptionsmittelbehälter 20 und 22 und einem Ablass 30 über einen Schalldämpfer 32 zu öffnen und zu schließen. Jedes der beiden Adsorptionsmittelbetten 20 und 22 enthält vorzugsweise zwei Adsorptionsmittel. Ein unterer Abschnitt des Adsorptionsmittelbetts ist durch die Bezugszeichen 34, 34' in den jeweiligen Betten bezeichnet und ein oberer Abschnitt durch die Bezugszeichen 36, 36'. Der Abschnitt 34, 34' enthält aktiviertes Aluminiumoxid oder modifiziertes Aluminiumoxid (wie unten beschrieben) und der Abschnitt 36, 36' enthält Zeolith.
  • Die Einrichtung hat einen Auslass 38, der mit den stromabwärtigen Enden der beiden Adsorptionsmittelbehälter 20, 22 durch einem Auslassverteiler 40 verbunden ist, welcher Auslassstellventile 42, 44 enthält. Der Auslassverteiler 40 ist durch einen Regenerierungsgas-Verteiler 46 überbrückt, der Regenerierungsgas-Stellventile 48 und 50 enthält. Stromaufwärts von dem Regenerierungsgas-Verteiler 46 überbrückt eine Leitung 52, die ein Stellventil 54 enthält, ebenfalls den Auslassverteiler 40.
  • Ein Einlass für Regenerierungsgas ist bei 56 vorgesehen, welcher durch Stellventile 58 und 60 so eingebunden wird, dass es entweder durch eine Erwärmungseinrichtung 62 läuft, oder über eine Bypass-Leitung 64 zum Regenerierungsgas-Verteiler 46.
  • Die Betätigung der Ventile kann durch eine geeignete, programmierbare zeitliche Abstimmung gesteuert bzw. geregelt werden, und durch Ventilöffnungseinrichtungen, wie sie in der Technik bekannt und nicht dargestellt sind.
  • Im Betrieb wird Luft im Hauptkompressor 10 komprimiert und dem Einlassverteiler 14 zugeführt und sie geht durch einen der beiden Behälter mit Adsorptionsmittel hindurch. Ausgehend von einer Position, bei welcher Luft durch das offene Ventil 16 zum Adsorptionsmittelbehälter 20 geführt wird, und durch das offene Ventil 42 zum Auslass 38, wird das Ventil 18 im Einlassverteiler gerade geschlossen worden sein, um den Behälter 22 von der Lufteinspeisung zur Reinigung abzuschneiden. Das Ventil 44 wird ebenfalls gerade geschlossen haben. Bei diesem Schritt sind die Ventile 46, 50, 54, 26 und 28 alle geschlossen. Das Bett 20 ist somit on-line und das Bett 22 soll regeneriert werden.
  • Um die Druckentlastung des Bettes 22 zu beginnen, wird das Ventil 28 geöffnet und wenn der Druck im Behälter 22 auf ein gewünschtes Niveau gefallen ist, wird das Ventil 28 offen gelassen, während das Ventil 50 geöffnet wird, um eine Strömung aus Regenerierungsgas zu beginnen. Das Regenerierungsgas wird typischerweise eine Strömung aus trockenem, CO2-freiem Stickstoff sein, der aus der cold box der Luftzerlegungseinheit erhalten wird, welcher die in der gezeigten Einrichtung gereinigte Luft zugeführt wird, und es enthält möglicherweise kleine Mengen an Argon, Sauerstoff und anderen Gasen. Das Ventil 60 wird geschlossen und das Ventil 58 wird geöffnet, so dass das Regenerierungsgas auf eine Temperatur von beispielsweise 100°C erwärmt wird, bevor es in den Behälter 22 einströmt. Obwohl das Regenerierungsgas bei der gewünschten erhöhten Temperatur in den Behälter 22 eintritt, wird es sehr leicht gekühlt, indem es Wärme aufgibt, um Kohlendioxid von dem oberen, stromabwärtigen Abschnitt 36' des Adsorptionsmittels im Behälter zu desorbieren. Da der Wärmeimpuls im System gehalten und verbraucht wird, tritt das austretende Spülgas in einem gekühlten Zustand aus dem Ablassauslass 30 aus. Progressiv bewegt sich eine Wärmewelle durch den Abschnitt 36' des Adsorptionsmittels während das Kohlendioxid entfernt wird. Nach einer gewünschten Zeitspanne wird das Ventil 58 geschlossen und das Ventil 60 wird geöffnet, so dass die Strömung des Regenierungsgases nun kühl wird. Das gekühlte Regenerierungsgas verdrängt den Wärmeimpuls weiter durch den Abschnitt 34' des Adsorptionsmittels.
  • Während der obere Abschnitt des Adsorptionsmittels und ein Teil des unteren Abschnitts somit durch TSA regeneriert worden ist, ist das gekühlte Regenerierungsgas weiter durch den unteren Abschnitt des Adsorptionsmittel geströmt und hat wegen seines reduzierten Druckes Wasser vom stromaufwärtigen Abschnitt des Adsorptionsmittels durch TSA und teilweise durch PSA desorbiert. Am Ende der vorgesehenen Regenerierungszeitspanne kann das Ventil 50 geschlossen werden, um die Strömung des Regenerierungsgases zu beenden und das Ventil 54 kann geöffnet werden, um Stickstoff aus dem Adsorptionsmittel zu verdrängen, nach dem Schließen des Ventils 28, um den Behälter 22 mit gereinigter Luft wieder zu bedrucken. Danach kann das Ventil 54 geschlossen werden, und die Ventile 18 und 44 können geöffnet werden, um den Behälter 22 wieder on-line zu bringen. Der Behälter 20 kann dann in gleicher Weise regeneriert werden, und die gesamte Abfolge kann mit den Behältern fortgeführt werden, die on-line sind, Druck entlasten, regenerieren, Druck aufbauen, und wieder on-line gehen, und zwar in abgestimmten Zyklus-Betriebsphasen.
  • Gemäß der Erfindung geht der Wärmeimpuls während der Regenerierung nicht durch den gesamten Abschnitt des Adsorptionsmittels hindurch, in welches Wasser hinein adsorbiert wird, sondern er wird vollständig dissipiert, um ausreichend Wasser und Kohlendioxid zu entfernen, so dass die restliche Regenerierung durch die kontinuierliche Strömung nicht erwärmten Regenerierungsgases erzeugt werden kann.
  • Das Adsorptionsmittel, das bei der obigen Einrichtung und dem obigen Verfahren verwendet wird, kann von verschiedener Art sein. Jeder der Adsorptionsmittelbehälter kann einen einzelnen Typ von Adsorptionsmittel enthalten, wie oben angedeutet, oder er kann mehrere Adsorptionsmitteltypen enthalten. Somit kann man ein geschichtetes Bett verwenden, das eine stromaufwärtige Schicht aus Aluminiumoxid enthält, gefolgt durch eine stromabwärtige Schicht aus Molekularsieb. Alternativ verwendet man jedoch ein vollständig aus Aluminiumoxid bestehendes Adsorptionsmittel, entweder insgesamt von nur einem Typ oder angeordnet in Schichten verschiedener Typen. Somit kann das Adsorptionsmittel beispielsweise aktiviertes Aluminiumoxid oder Siliziumoxid-Aluminiumoxid umfassen oder insgesamt daraus bestehen, wie diese Technik bekannt ist. Alternativ kann es verbessertes Aluminiumoxid von dem Typ sein, welcher dadurch erzeugt werden kann, dass ein basisches Salz darauf abgelagert wird, zum Beispiel ungefähr 5 Gew.-% Caliumcarbonat auf Aluminiumoxid, durch das behandelndes Ausgangs-Aluminium mit einer Caliumcarbonatlösung und trocknen bei Temperatur bis hinauf zu 125°C. Solche Aluminiumoxide haben speziell eine hohe Kapazität für Kohlendioxid, und sie können alleine oder als obere Schicht in einem zweischichtigen Bett verwendet werden. Sie sind weitergehend in der US-A-5656064 beschrieben.
  • Es versteht sich natürlich, dass die Behälter 20 und 22 jeweils, wenn erwünscht, in kleinere Behälter getrennt werden können, welche in Reihe angeordnet sind, und obige Bezugnahmen auf „Schichten" des Adsorptionsmittels umfassen Anordnungen, bei welchem die separaten Adsorptionsmittel in separate Behälter eingesetzt sind, die in Reihe angeordnet sind.
  • Das Molekularsieb kann eines von denjenigen sein, die zu diesem Zweck in der Technik bekannt sind, beispielsweise NaY-Zeolith, 4A-Zeolith oder 13X-Zeolith.
  • Ein einzelnes Adsorptionsmittel der Art, wie in der EP 0862936 A2 , veröffentlicht am 9.9.1998, beschrieben, kann verwendet werden, d. h. eines, das ein Gemisch aus Zeolith und Aluminiumoxid umfasst.
  • Beispiel 1
  • Bevorzugte Betriebsparameter für die Verwendung der oben beschriebenen Einrichtung gemäß der Erfindung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt: TABELLE 2: Vergleich herkömmlicher TSA (HTTSA), der vorliegenden Erfindung (TPSA) und herkömmlicher PSA.
    Figure 00140001
  • *1
    = UOP13X/Aluminiumoxid
    2
    = 5 Gew.-% K2CO3 auf Aluminiumoxid/UOP13X
    3
    = Alcan-AA-300-aktiviertes Aluminiumoxid
  • Es wird ersichtlich, dass das Verfahren gemäß der Erfindung nur 35% der notwendigen Desorptionswärme zum Regenerierungsstickstoff hinzusetzt, im Vergleich zu einem herkömmlichen TSA-Verfahren und somit eine wesentliche Einsparung an Betriebsenergiekosten ohne zusätzliche Anlagen-Konstruktionskosten bereitstellt.
  • Beispiel 2
  • Alternative Bedingungen zur Umsetzung der Erfindung sind die folgenden:
    Einspeisungsdruck 2 bara
    Spüldruck 1,1 bara
    Einspeisungstemperatur 30°C
    P/A 0,7
    On-line: 87 min
    Erwärmungs-Zeit 40 min
    Zugeführte Wärme/
    Desorptionswärme 0,54
    Maximale Spültemperatur 130°C
  • Beispiel 3
  • Weitere alternative Bedingungen sind die folgenden:
    Einspeisungsdruck 10 bara
    Spüldruck 1,1 bara
    Einspeisungstemperatur 40°C
    P/A 0,45
    On-line: 72 min
    Erwärmungs-Zeit 25 min
    Zugeführte Wärme/
    Desorptionswärme 0,35
    Maximale Spültemperatur 82°C

Claims (13)

  1. Verfahren zum Entfernen eines Bestandteils aus einem Gasstrom, mit: (a) Führen des Gasstromes in einer ersten Richtung in Kontakt mit einem Adsorptionsmittel, um den Bestandteil aus dem Gasstrom auf dem Adsorptionsmittel zu adsorbieren, wobei Adsorptionswärme freigesetzt wird, (b) Beenden des Führens des Gasstromes in Kontakt mit dem Adsorptionsmittel, (c) Erwärmen eines Regenerierungsgases, um diesem Wärme zuzuführen und die Temperatur des Regenerierungsgases auf eine Temperatur oberhalb derjenigen des Gasstroms zu erhöhen, (d) Führen des erwärmten Regenerierungsgases in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung, um den Gasstrombestandteil aus dem Adsorptionsmittel zu desorbieren, über eine solche Zeitspanne, dass die dem Regenerierungsgas, das so in Kontakt mit dem Adsorptionsmittel geführt wird, zugeführte Wärme nicht mehr als 70% der Adsorptionswärme beträgt, die während der Adsorption des Gasbestandteils freigesetzt, (e) Beenden des Erwärmens des Regenerierungsgases und Fortsetzen des Führens des Regenerierungsgases in einem nicht erwärmten Zustand, um den Gasstrombestandteil weiter von dem Adsorptionsmittel zu desorbieren, wobei es der zugeführten Wärme gestattet wird, im Desorptionsprozess verbraucht zu werden, und (f) Wiederholen der Schritte (a) bis (e).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (b) ferner das Reduzieren des Gasdruckes über das Adsorptionsmittel umfasst, und bei dem der Gasdruck vor oder bei Beginn der Wiederholung des Schrittes (a) wiederhergestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei Behälter vorhanden sind, die das Adsorptionsmittel enthalten, und bei dem das Verfahren an jedem Behälter durchgeführt wird, wobei die Schritte so in ihrer Phase zwischen den Behältern abgestimmt sind, dass mindestens ein Behälter sich in einer Adsorptionsphase befindet, während ein anderer sich in einer Regenerierungsphase befindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärmemenge, die dem Regenerierungsgas zugeführt wird, nicht mehr beträgt als 60% der Wärme der Adsorptionswärme, die während der Adsorption des Gasbestandteils freigesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärmemenge, die dem Regenerierungsgas zugeführt wird, nicht mehr beträgt als 50% der Wärme aus der Adsorptionswärme, die während der Adsorption des Gasbestandteils freigesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wärmemenge, die dem Regenerierungsgas zugeführt wird, nicht mehr beträgt als 30% der Adsorptionswärme, die während der Adsorption des Gasbestandteils freigesetzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Adsorptionsmittel Aluminiumoxid zum Adsorbieren von Wasser, und optional ebenfalls Kohlendioxid umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Adsorptionsmittel ferner ein Molekularsieb zum Adsorbieren von Kohlendioxid umfasst, und bei dem das Molekularsieb stromabwärts von dem Aluminiumoxid in Richtung der Gasströmung während der Adsorption angeordnet ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Volumenverhältnis von Molekularsieb zu Aluminiumoxid im Bereich von 0,1 bis 0,6 liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Adsorptionsmittel einen effektiven Korndurchmesser von 1 bis 5 mm aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Adsorptionsmittel ein Gemisch aus Aluminiumoxid und Molekularsieb aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Aluminiumoxid dadurch behandelt worden ist, dass ein basisches Salz darauf aufgebracht wurde.
  13. Verfahren zum Trennen von Sauerstoff und Stickstoff in Luft, welches die Behandlung eines Luftstromes umfasst, der Wasser und Kohlendioxid enthält, um das Wasser und das Kohlendioxid daraus durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu entfernen, sowie das Trennen von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft in einer kryogenen Zerlegungseinheit.
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