DE69918773T2

DE69918773T2 - Druckwechseladsorptionsvorrichtung, die Ventile mit hoher und heterogener Betätigungszeit verwendet

Info

Publication number: DE69918773T2
Application number: DE69918773T
Authority: DE
Inventors: Dominique Rouge; Stephane Chantagrel; Lian-Ming Sun; Celine Graciannette; Yves Torre
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: 1998-11-06
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: EP0998969A1; JP2000140551A; ES2226310T3; CA2286885A1; FR2785553A1; US6332915B1; FR2785553B1; CN1253030A; ATE271415T1; EP0998969B1; DE69918773D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren vom PSA-Typ, und insbesondere vom VSA-Typ, zur Trennung eines Gasstroms, insbesondere eines Gasstroms, der im Wesentlichen Sauerstoff und Stickstoff enthält, wie beispielsweise Luft, die Ventile mit hohen und heterogenen Betätigungsdauern einsetzen.
Die Gase der Luft, wie insbesondere Sauerstoff und Stickstoff, sind insbesondere auf den Gebieten der Herstellung von Papier oder Glas von großer industrieller Bedeutung.
Eine der Nicht-Tieftemperaturtechniken, die verwendet werden, um diese Gase zu produzieren, ist die so genannte "PSA"-Technik (für Pressure Swing Adsorption), die nicht nur die eigentlichen PSA-Verfahren abdeckt, sondern auch analoge Verfahren, wie beispielsweise VSA-Verfahren (Vacuum Swing Adsorption) oder MPSA-Verfahren (Mixed Pressure Swing Adsorption).
Wenn das zu trennende Gasgemisch Luft ist und wenn die zu gewinnende Komponente Sauerstoff ist, wird dieser PSA-Technik zufolge Sauerstoff vom Gasgemisch mittels einer bevorzugten Adsorption von zumindest Stickstoff auf einem Material in dem Trennbereich getrennt, das bevorzugt zumindest Stickstoff adsorbiert und Druckzyklen unterworfen wird.
Der nicht oder nur gering adsorbierende Sauerstoff wird am Ausgang des Trennbereichs gewonnen; er hat eine Reinheit von im Allgemeinen größer als 90 % oder sogar 93%.
Ein PSA-Verfahren für die Nicht-Tieftemperaturtrennung eines Gasgemischs, das eine auf einem adsorbierenden Material bevorzugt adsorbierende erste Verbindung und eine auf dem adsorbierenden Material weniger bevorzugt als die erste Verbindung adsorbierende zweite Verbindung umfasst, zur Produktion der zweiten Verbindung umfasst in zyklischer Weise:

– einen Schritt der bevorzugten Adsorption zumindest der ersten Verbindung auf dem adsorbierenden Material bei einem Adsorptionsdruck, dem so genannten "oberen Druck", mit der Gewinnung zumindest eines Teils der so produzierten zweiten Verbindung;
– einen Schritt der Desorption der auf diese Weise durch das Adsorptionsmittel eingefangenen ersten Verbindung bei einem Desorptionsdruck, der kleiner ist als der Adsorptionsdruck, dem so genannten "unteren Druck";
– einen Schritt der Druckerhöhung im Trennungsbereich, der das Adsorptionsmittel beinhaltet, durch Übergang vom unteren Druck auf den oberen Druck.

Es ist indessen bekannt, dass der Trennungswirkungsgrad für ein Gasgemisch, wie beispielsweise Luft, von zahlreichen Parametern abhängt, insbesondere dem oberen Druck, dem unteren Druck, der Art des verwendeten adsorbierenden Materials und dessen Affinität für die zu trennenden Verbindungen, der Zusammensetzung des zu trennenden Gasgemischs, der Adsorptionstemperatur des zu trennenden Gemischs, der Größe der Adsorberteilchen, der Zusammensetzung dieser Teilchen und dem Temperaturgradient, der sich im Inneren des Adsorberbetts einstellt.
Derzeit sind Zeolithe die meistverwendeten Adsorptionsmittel bei PSA-Verfahren. Die Zeolith-Teilchen enthalten üblicherweise mono-, di- und/oder trivalente Metallkationen, zum Beispiel Alkalimetallkationen, Erdalkalikationen, Übergangsmetallkationen und/oder Lanthanidkationen, die bei der Synthese der Zeolithteilchen eingebaut und/oder durch eine Ionenaustauschtechnik nachfolgend eingefügt werden, das heißt im Allgemeinen durch in Kontaktbringung der nicht ausgetauschten Zeolithteilchen oder Rohzeolithe mit einer Lösung eines oder mehrerer Metallsalze, die das oder die in die Zeolithstruktur einzubauenden Kationen umfasst, und nachfolgende Rückgewinnung der ionengetauschten Zeolithteilchen, das heißt von Zeolith, der eine gegebene Menge von Metallkationen enthält. Als Beispiele lassen sich die Zeolithe des Typs X oder LSX (Low Silica X) mit mehr als 80% oder sogar mehr als 90% Metallkationen nennen, wie insbesondere Lithium-, Calcium- und/oder Zinkkationen.
Derartige Zeolithe sind insbesondere in den Dokumenten EP-A-486384, EP-A-606848, EP-A-589391, EP-A-589406, EP-A-548755, US-A-268023, EP-A-109063 und EP-A-760248 beschrieben.
Theoretisch besteht ein Zyklus des PSA-Verfahrens, insbesondere des VSA-Verfahrens, nur aus einer wohldefinierten Abfolge von Schritten, die in exakter Weise die Gasströme zu jedem Zeitpunkt des Zyklus definieren.
In der Praxis werden diese Gasströme indessen durch eine Abfolge des Öffnens und Schließens von Ventilen organisiert, die natürlich nicht augenblicklich erfolgen.
Es existieren daher Übergangszustände, während denen bestimmte Teile der das Verfahren durchführenden Vorrichtung in eine unpassende Verbindung gebracht werden.
Dies kann zum Beispiel ein unbeabsichtigter Eintritt von Luft zu Beginn der Sauerstoffwiederverdichtungsphase sein, der dann notwendigerweise die Gesamtleistungen des Verfahrens beeinträchtigt.
Es versteht sich, dass der Fachmann schon immer das Ausmaß dieser Übergangszustände begrenzen wollte, indem im industriellen Maßstab die Öffnungs- und Schließdauern der Ventile in den PSA oder VSA-Einheiten maximal begrenzt wurden, im Allgemeinen auf einen Wert kleiner als etwa 0,5 Sekunden.
Diese Erfordernisse treten um so mehr zu Tage, je kürzer die Dauern der Schritte des Druckzyklus sind.
Sobald das Verfahren den Einsatz einer PSA oder VSA-Einheit erfordert, die mehr als einen Adsorber zählt, das heißt zum Beispiel zwei oder drei Adsorber, kann zudem eine zu große Verteilung der Öffnungs/Schließzeiten in der Gesamtheit der Ventile der PSA oder VSA-Einheit sehr einfach erhebliche Ungleichgewichte im Verfahren erzeugen und die Leistungen erheblich verschlechtern.
Es ist daher üblich, im Bemühen, diese Probleme zu minimieren oder zu beheben, zu versuchen, für alle Ventile der PSA-Einheit so homogen wie mögliche Betätigungszeiten zu erreichen.
Wie das Erfordernis der Schnelligkeit ist diese Anforderung besonders kritisch für kurze Zyklen, das heißt zum Beispiel Zyklen mit einer Dauer kleiner 60 Sekunden.
Bisher hat man versucht, diesen zwei Bedingungen zu genügen, indem Ventile gesucht wurden, die Systemen mit augenblicklicher oder quasi-augenblicklicher Betätigung so nah wie möglich kommen.
Das Dokument US-A-4.360.362 schlägt daher ein PSA-System vor, das sehr schnelle Ventile einsetzt und eine einzige pneumatische Steuerung verwendet, um jede Heterogenität der Betätigungszeiten zu beseitigen.
Die PSA oder VSA-Einheiten weisen herkömmlicherweise im Allgemeinen eine sehr enge Verteilung der Betätigungsdauern der Ventile um einen sehr niedrigen Mittelwert auf, wie in der beigefügten 1 skizziert ist, die herkömmliche Verteilungen von Öffnungs- und Schließdauern bei einer VSA-Einheit zeigt.
In 1 sieht man, dass die mittlere Öffnungs/Schließzeit der Ventile ungefähr gleich 0,30 s +/– 0,1 s ist.
Um derartige unerwünschte Übertragungen oder Gasströme bei den Wechseln zwischen den Etappen eines PSA-Zyklus zu vermeiden, wurden bereits Steuersysteme für Ventile vorgeschlagen, insbesondere durch das Dokument US-A-4.322.228, das eine Verschiebung der Öffnungs/Schließ-Kommandos vorschreibt, um das Ventil, das sich schließen soll, vor jenem zu betätigen, das sich öffnen soll; die vorgebliche Aufgabe besteht hier in der totalen Unterdrückung der kurzzeitigen Übertragungen.
Diese Methode beeinträchtigt jedoch erheblich die Wahl der bei den VSA-Einheiten einzusetzenden Ventiltechnologie.
Daher schlagen bestimmte Dokumente, wie beispielsweise die Dokumente US-A-4.877.429, JP-A-05192526 oder GB-A-2190014, vor, neuartige Ventile zu verwenden, insbesondere Ventilen mit Drehtechnik, die es erlauben, die Betätigungszeiten im Vergleich zu denjenigen von Ventilen zu beschleunigen, die erprobteren Techniken entsprechen, wie Drehschieberventile.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die oben genannten Probleme zu beheben und eine PSA-Vorrichtung bereitzustellen, die im Vergleich zu einer solchen verbessert ist, die schnelle Ventile verwendet, das heißt Ventile, deren Öffnungs- und Schließdauer so homogen wie möglich sind, wie sie der Stand der Technik empfiehlt.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Druckwechseladsorptionsanlage zur Trennung eines Gasstroms, die je Produktionszyklus arbeitet und zumindest einen Adsorber und mehrere Ventile umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für die mittlere Betätigungszeit (μ) der Ventile gilt: 0,5 s < μ < 2 s
Und für die Betätigungszeit (Δt) jedes Ventils gilt: μ– x < Δt < μ+ x mit: 0,1 s < x < 0,5 s.
Man beachte jedoch, dass man sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht mit eventuellen Rampen für Öffnungs- und/oder Schließzeiten bei allen oder einem Teil der Ventile beschäftigt.
Im Gegensatz zur Lehre des Standes der Technik, zeigt die vorliegende Erfindung, dass eine Vorrichtung oder eine Industrieeinheit, die ein PSA-Verfahren, insbesondere ein VSA-Verfahren einsetzt, bequem an Ventile angepasst werden kann, die langsamer und weniger homogen sind als die im Stand der Technik empfohlenen.
Die wirtschaftliche Gesamtbilanz des erfindungsgemäßen PSA-Verfahrens zeigt zudem, dass es von Interesse ist, derartige Ventile zu verwenden, die weniger teuer, zuverlässiger sind und eine größere Lebensdauer haben.
Die Vorrichtung der Erfindung kann gegebenenfalls eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:

– für die mittlere Betätigungszeit (μ) der Ventile gilt 0,5 s < μ < 1,5 s und für die mittlere Betätigungszeit (μ) gilt vorzugsweise 0,5 s < μ < 1 s;
– 0,1 s < x < 0,4 s, vorzugsweise 0,1 s < x < 0,3 s;
– sie umfasst zumindest 3 Ventile, vorzugsweise zumindest 5 Ventile;
– sie umfasst zumindest zwei Adsorber, vorzugsweise zwei oder drei Adsorber;
– sie ist vom VSA-Typ;
– sie umfasst außerdem Gasleitungen;
– sie umfasst außerdem ein System zur Steuerung der Betätigungszeiten der Ventile;
– sie umfasst außerdem ein System zur Adaption der Sequenz der Betätigungskommandos der Ventile in Abhängigkeit von den gemessenen Betätigungszeiten durch das Steuerungssystem;
– sie ist vom Typ mit radialer Zirkulation des Gases und/oder setzt ein oder mehrere Adsorptionsmittel, zum Beispiel ein Mehrbettverfahren, ein;
– der zu trennende Gasstrom umfasst Stickstoff und zumindest eine weniger polare, gasförmige Verbindung, insbesondere Sauerstoff und/oder Wasserstoff; vorzugsweise ist der Gasstrom Luft, die erste gasförmige Verbindung Stickstoff und die zweite gasförmige Verbindung Sauerstoff. Die Luft ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die im Inneren eines Gebäudes oder eines geheizten oder nicht geheizten, abgeschlossenen Raum enthaltene Luft oder Außenluft, das heißt unter Atmosphärenbedingungen als solchen oder eventuell vorbehandelt;
– die erste gasförmige Verbindung ist Stickstoff und die zweite gasförmige Verbindung ist Sauerstoff; und es wird ein an Sauerstoff reicher, zumindest 90% Sauerstoff enthaltender Gasstrom produziert;
– der obere Adsorptionsdruck liegt zwischen 10⁵ Pa und 10⁷ Pa, vorzugsweise in der Größenordnung von 10⁵ Pa bis 10⁶ Pa, und/oder der untere Desorptionsdruck liegt zwischen 10⁴ Pa und 10⁶ Pa, vorzugsweise in der Größenordnung von 10⁴ Pa bis 10⁵ Pa;
– die Speisetemperatur liegt zwischen 10°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 25°C und 60°C.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer derartigen erfindungsgemäßen Anlage zur Produktion eines Gasstroms mit mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 80% zumindest eines Gases, das Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff sein kann.
Die Anlage der Erfindung kann genauer gesagt dazu verwendet werden, einen Gasstrom mit mehr als 80% Sauerstoff, vorzugsweise mehr als 90% Sauerstoff zu produzieren, wobei der Sauerstoff zu einer Sauerstoff verbrauchenden Anlage geleitet wird, die ein Verbrennungsofen, eine Fabrikationsanlage für Papiermasse oder eine Wasseraufbereitungsanlage sein kann.
Die Erfindung wird nun ausführlicher anhand von Beispielen beschrieben werden, die zur Veranschaulichung dienen und keine Einschränkung darstellen, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird.
Die nachstehend vorgestellte Studie wurde allgemein durch dynamische Simulation mittels eines Simulationsprogramms durchgeführt, das auf den Prinzipien der Massenerhaltung, der Enthalpieerhaltung und der Impulserhaltung beruht und setzt das Modell der Linear Driving Force ein (siehe "Principles of adsorption and adsorption processes", John-Wiley & Sons, 1984; D. M. Ruthven, S. 242–243; oder "Pressure Swing Adsorption", VCS Publishers, 1994, S. 58–61) für die Auswertung der Kinetik der Fest-Gas-Übergänge im Inneren der Adsorbermasse. Derartige Simulationsmodelle sind insbesondere beschrieben in: Pressure Swing Adsorption, Ruthven, Farooq und Knaebel, VCH Publishers, 1994, Seiten 172–209; und in: Fluid Flow Through Packed Columns, S. Ergun, Chem. Engr. Prog., 48(2), 89(1952). Die Lösung der Gleichungen kann ihrerseits zum Beispiel mittels des Programms DIVPAG der Mathematischen Bibliothek IMSL (International Mathematical & Statistical Library) erfolgen, die durch die Gesellschaft Microsoft^TM vertrieben wird; oder das Programm ADSIM, das durch die Gesellschaft Aspentech^TM vertrieben wird. Ein Fachmann ist durchaus im Stande, ein geeignetes Simulationsprogramm aus den zahlreichen auf dem Markt verfügbaren Programmen auszuwählen und darin die vorstehenden Daten einzugeben. Wenn Bedarf besteht, kann er ebenso auf den Artikel von D. G. Hartzog und S. Sircar, Adsorption, 1, 133–151 (1995), Sensitivity of PSA Process Performance to Input Variables Bezug nehmen, der ein ähnliches Programm beschreibt.
Zum Zweck der Vereinfachung wurde die nachstehend dargelegte Studie durchgeführt, indem angenommen wurde, dass das zu trennende Gasgemisch Luft ist, dass die erste Verbindung, die bevorzugt auf dem Adsorptionsmittel adsorbiert wird, Stickstoff ist und dass die zweite Verbindung, die weniger bevorzugt auf dem Adsorptionsmittel adsorbiert wird und gewonnen werden soll, Sauerstoff ist.
Die Studie wurde außerdem für zwei Systeme oder Einheiten vom VSA-Typ durchgeführt, eines mit zwei Adsorbern und das andere mit drei Adsorbern.
Die erste Aufgabe besteht darin, die Empfindlichkeit des Leistungsvermögens der VSA-Einheit auf die Verteilung der Öffnungs/Schließzeiten der Ventile der Einheit zu ermitteln, um zum Zweiten die von einem industriellen Gesichtspunkt aus ökonomisch akzeptabelsten Verteilungen zu identifizieren.
Beispiel 1: VSA-Einheit mit 2 Adsorbern und 10 Ventilen
Bei diesem Beispiel setzt das modellierte VSA-System zwei Adsorber A1, A2 und zehn Ventile ein, wie in 2 skizziert ist.
Dieses VSA-System ist in 2 dargestellt und umfasst genauer gesagt:

– 2 Adsorber A1 und A2;
– 1 Vakuumpumpe PAV;
– 1 Luftkompressor oder "Roots"-Kompressor R;
– 2 Speiseventile VA1 und VA2, die den Eintritt von Luft in die Adsorber A1 beziehungsweise A2 steuern;
– 2 Produktionsventile VP1 und VP2, die den Austritt von Gas (Sauerstoff) aus den Adsorbern A1 beziehungsweise A2 in den Produktionsphasen steuern;
– 2 Entleerungsventile VPU1 und VPU2, die den Austritt von Gas (Stickstoff) aus den Adsorbern A1 beziehungsweise A2 in den Entleerungsphasen steuern;
– 1 Ventil VE zum Druckausgleich und zur Elution;
– 1 Netzventil VR zur Verbindung mit dem Verteilernetz für das produzierte Gas;
– 1 Bypass-Ventil VBP der Vakuumpumpe PAV;
– 1 Bypass-Ventil VBR des Kompressors R; und
– einen Produktionspeicher CP.

Jedes der 10 Ventile des VSA-Systems der 2 ist durch Öffnungs- und Schließzeiten (Ö/S) gekennzeichnet, die die Parameter der Studien bilden.
Das VSA-System wird einem in 3 skizzierten Druckzyklus unterworfen, der die Druckvariationen (P) zwischen dem oberen Druck des Zyklus (P_oben) und dem unteren Druck des Zyklus (P_unten), und die aus jedem der Adsorber A1 und A2 im Laufe der Zeit eintretenden und austretenden Gasströme repräsentiert.
Es versteht sich, dass die von Null verschiedenen Betätigungszeiten der Ventile die Gasströme bei Übergängen von einer Etappe zur anderen beeinträchtigen.
Eine erste Reihe von Simulationen, die mit konstantem Druckzyklus durchgeführt wurden, erlaubte es, die Toleranzen zu bestimmen, über die man bei der Optimierung eines Zyklus und der Erstellung der Dimensionierungsdaten für die industriellen Einheiten verfügen kann.
Für einen Produktionszyklus von 74 s sind die Leistungen der VSA-Einheit somit bis zu einer Öffnungs/Schließzeit (Ö/S) von 2 s unverändert, während für einen Zyklus von 40 s die Grenze bei 1 Sekunde liegt.
4 veranschaulicht beispielhaft die Entwicklung des spezifischen Energieindex (ES) für einen gegebenen Zyklus, wenn die Betätigungszeiten variieren, das heißt die Öffnungs- und/oder Schließzeiten (Ö/S) der Ventile im Fall eines Zyklus von 40 s.
Diese 4 erlaubt es, dass der Operator den Zyklus je nach Fall bei 0 s, 0,5 s oder 1,0 s optimiert, um in gleicher Weise die Dimensionierungsdaten für jede Industrieeinheit bereitzustellen.
In diesem Stadium, wurde indessen keine "unausgewogene" Verteilung von Betätigungsdauern betrachtet; dies erfolgt später.
Es wird nun angenommen, dass der Operator eine Dimensionierung einer VSA-Einheit für Ventile durchgeführt hat, die alle eine Öffnungs/Schließzeit (Ö/S) in der Größenordnung von 0,5 s aufweisen, aber dass die so bemessene industrielle Einheit schließlich ein Kollektiv von Ventilen mit größeren und/oder verschiedenartigen Betätigungsdauern aufweist.
Ein derartiges VSA-System vom Typ mit gegebenen "Maschinen und Adsorbern" wird auf der Basis der folgenden Hypothesen untersucht werden:

– Dimensionierungspunkt eines Zyklus von 40 Sekunden, der mit in 0,5 Sekunden agierenden Ventilen durchgeührt wird; und
– Industrieeinheit die Ventile einetzt, die Öffnungs/Schließzeiten von 1 Sekunde +/– 0,5 Sekunden aufweisen.

Wenn man die Gesamtheit der Kombinationen betrachtet, die a priori die ungünstigsten sind, das heißt zu den markantest möglichen Ungleichgewichten bei den Ventilen führen, die jedem der Adsorber eigen sind, oder zu einer mittleren Betätigungsdauer größer als 1 Sekunde, zeigt es sich, dass die Leistungen sich sehr stark verschlechtern können, wenn die Sequenz der Etappen nicht modifiziert wird, wie die in der nachstehenden Tabelle 2 angegebenen Resultate deutlich zeigen.
Tabelle 1: Einfluss der Verteilung der Ö/S-Zeiten auf die Leistungen der VSA-Einheit ohne Modifikation der Ventilsequenzen
Aus Tabelle I geht hervor, dass das Ungleichgewicht bei den Entleerungsventilen (VPU1 und VPU2) besonders schädlich ist.
Der schlimmste der Fälle scheint derjenige zu sein, der Ungleichgewicht zugleich bei den Entleerungsventilen (VPU1 und VPU2) und den Speiseventilen (VA1 und VA2) und zwischen den Entleerungsventilen (VPU1 oder VPU2) und Speiseventilen (VA1 oder VA2) ein und desselben Adsorbers (A1 oder A2) kombiniert, da dann insbesondere beim Druckausgleich unerwünschte Gasübergänge erzeugt werden.
5 veranschaulicht dieses Phänomen bei jedem der Adsorber A1 und A2, für den Fall, dass man einen spezifischen Energiendex (ES) von 121 (siehe Tabelle I) erhält, indem der Einfluss der Verteilung der Öffnungs- und Schließzeiten (Ö/S) der Ventile auf die Istdurchflüsse skizziert werden und zwar für jede Phase des Zyklus und für die zwei Adsorber A1 und A2.
Man sieht in den Figuren der 5 (eingekreiste Bereiche) deutlich, dass die unerwünschten Gasübergänge schädliche Ungleichgewichte bei den Leistungen der PSA-Einheit mit 2 Adsorbern zur Folge haben.
Es ist jedoch möglich, für jede der Ventilkombinationen, sich von diesen Störungen durch Materialübergänge freizumachen, indem die Öffnungs/Schließ-Sequenz der Ventile geringfügig modifiziert wird.
In dem oben betrachteten Fall genügt daher die Modifikation der in 6 skizzierten Ventilsequenz, um die unerwünschten Übergänge zu unterbinden und um das Gleichgewicht der Druckprofile und die erhofften Leistungen der Einheit wieder herzustellen.
Aus der durch den Automaten an die Ventile gegebenen Sequenz der Öffnungs/Schließkommandos, extrahiert 6 genauer gesagt ein entsprechendes Detail am Ende der Produktions/Elutions-Etappe und am Beginn des Druckausgleichs.
Die in dieser 6 verwendeten Konventionen sind die folgenden: Übergang leeres Feld/volles Feld = Öffnungskommando für die Ventile; Übergang volles Feld/leeres Feld = Schließkommando für die Ventile.
Die vorgeschlagene Modifikation besteht daher in einer Vorwegnahme der Schließkommandos der Ventile, die sich normalerweise am Ende der Produktion/Elution schließen müssen.
Man beachte jedoch, dass in diesem Fall unter Berücksichtigung der erheblichen Verzögerung bei der Schließung der Speiseventile des Adsorbers A1 und der Entleerungsventile des Adsorbers A2 keine Druckspitze auf der Ansaugseite der Vakuumpumpe PAV und auf der Ausstoßseite des Luft- oder Rootkompressors R auftritt, wodurch die Betriebssicherheit und die Einhaltung der spezifischen Energie (ES) gewährleistet ist.
Die folgende Tabelle 2 greift ihrerseits auf einige der ungünstigsten Fälle aus Tabelle 1 heraus und zeigt die Leistungen, die man durch einfache Modifikation der Ventilsequenz zurückgewinnen kann, das heißt durch Vorwegnahme von kritischen Öffnungen oder Schließungen der Ventile.
Tabelle 2: Einfluss der Verteilung der Ö/S-Zeiten auf die Leistungen der VSA-Einheiten mit Modifikation der Ventilsequenzen
Aus Tabelle II ergibt sich, dass eine einfache Einstellung im Automaten bei der Inbetriebnahme der Einheit genügt, um einer heterogene Verteilung von Ö/S-Zeiten Rechnung zu tragen.
Man zeigt auf diese Weise, dass die Leistungen beibehalten werden können, solange die Ö/S-Zeiten der Ventile in dem Intervall [μ – 0,5 s; μ + 0,5 s] bleiben, wobei μ den Mittelwert der betreffenden Dauer bezeichnet und μ zwischen 0,5 s und 1,5 s liegt.
Beispiel 2: VSA-Einheit mit drei Adsorbern und vierzehn Ventilen
Die vorstehende Studie wurde ebenso für ein System mit 3 Adsorbern durchgeführt, wobei das Risiko einer Störung des Zyklus durch singuläre Betätigungszeiten bei jedem Adsorber noch größer ist.
Das modelierte und in 7 dargestellte VSA-System umfasst:

– 3 Adsorber A1, A2 und A3;
– 1 Vakuumpumpe PAV;
– 1 Luftkompressor oder "Verdichter"-Kompressor S;
– 3 Speiseventile VA1, VA2 und VA3, die den Eintritt von Luft in die Adsorber A1, A2 beziehungsweise A3 steuern;
– 3 Produktionsventile VP1, VP2 und VP3, die den Austritt von Gas (Sauerstoff) aus den Adsorbern A1, A2 beziehungsweise A3 in den Produktionsphasen steuern;
– 3 Entleerungsventile VPU1, VPU2 und VPU3, die den Austritt von Gas (Stickstoff) aus den Adsorbern A1, A2 beziehungsweise A3 in den Entleerungsphasen steuern;
– 3 Druckerhöhungsventile VRC1, VRC2 und VRC3, die die Druckerhöhung in den Adsorbern A1, A2 beziehungsweise A3 in den Druckerhöhungphasen steuern;
– 1 Ventil zur intermediären Druckerhöhung VIR
– 1 Netzventil VR zur Verbindung mit dem Netz zur Verteilung des produzierten Gases.

Jedes der 14 Ventile des VSA-Systems der 7 ist durch Öffnungs- und Schließdauern (Ö/S) gekennzeichnet, die die Parameter der Studie bilden.
Das VSA-System wird dem in 7 skizzierten Druckzyklus unterworfen, der die Druckschwankungen (P) zwischen dem oberen Druck des Zyklus (P_oben) und dem unteren Druck des Zyklus (P_unten) und die aus jedem der Adsorber A1, A2 und A3 im Laufe der Zeit ein- und austretenden Gasströme wiedergibt.
Das in 7 skizzierte, vergleichsweise komplexe Ventilsystem auf der Produktionsseite zielt nur darauf, durch aufeinanderfolgende Öffnungen eine schrittweise Druckerhöhung durch das Produktgas ohne Verwendung von durch einen Regler gesteuerten Ventilen zu erlauben.
Ventilbetätigungsglieder steuernde Regler sind in der Tat häufig eine Ursache der Unzuverlässigkeit der VSA-Einheiten.
Genau wie beim Beispiel 1, das eine VSA-Einheit mit zwei Adsorbern betrifft, zeigen die Schlussfolgerungen der durchgeführten Simulationen mit konstantem Zyklus klar, dass die Leistungen durch Verwendung von vergleichsweise langsamen Ventilen nicht signifikant verändert werden.
Für einen Zyklus von 45 s bleiben die Leistungen zum Beispiel sehr vergleichbar, solange die Öffnung oder die Schließung der Ventile 1 s nicht überschreitet.
In diesem Stadium erfolgen die Simulationen mit konstantem Zyklus ohne Modifikation der Öffnungs/Schließsequenz der Ventile des Systems.
Wie zuvor, empfiehlt es sich jetzt, die konsequenzen der Verwendung von Ventilen zu identifizieren, die zu einem Satz gehören, der verschiedenartige Öffnungs/Schließzeiten und einen Mittelwert aufweist, der größer als derjenige des Bemessungspunkts der VSA-Einheit ist.
Auch hier zeigt es sich, dass eine geringe Modifikation der Sequenz der Ventile es erlaubt, die Leistungseinbußen infolge einer "schlechten" Ventilverteilung fast uneingeschränkt zu kompensieren.
Diese Sequenzmodifikation beruht auch hier auf einer Vorwegnahme, während des betreffenden Schritts, der Öffnung und/oder der Schließung der "unausgeglichenen" Ventile, um jeglichen unzweckmäßigen Materialübergang zwischen Adsorbern zu unterbinden.
Die nachstehenden Tabellen III und IV geben die Fälle einer kritischen Verteilung bei den Entleerungsventilen wieder, bei denen die Leistungen sehr empfindlich sind (wie für die Systeme mit zwei Adsorbern), die durch eine Modifikation der Ventilsequenz (Tabelle IV) nach dem Prinzip der 6 vollständig kompensiert wird.
Tabelle III: Einfluss der Verteilung der Ö/S-Zeiten auf die Leistungen der VSA-Einheiten ohne Modifikation der Ventilsequenzen
Tabelle IV: Einfluss der Verteilung der Ö/S-Zeiten auf die Leistungen der VSA-Einheiten mit Modifikation der Ventilsequenzen
Es ist offensichtlich, dass die Schlussfolgerungen die gleichen sind wie bei der Vorrichtung mit zwei Adsorbern, dass nämlich die Leistungen eingehalten werden können, solange die Ö/S-Zeiten der Ventile in dem Intervall [μ– 0,5 s; μ 0,5 s] bleiben, wobei μ den Mittelwert der betreffenden Zeitdauer bezeichnet und zwischen 0,5 s und 1,5 s liegt.
Die vorstehenden Beispiele zeigen, dass die Auswahl der Ventile mit einem bestimmten Spielraum erfolgen kann und dass es überraschenderweise möglich ist, Ventile zu verwenden, die nur langsame Öffnungs/Schließzeiten bis zu 1,5 s und sehr uneinheitliche Öffnungs/Schließzeiten (+/– 0,5 s) gewährleisten, und zwar unter Einhaltung von Leistungen, die aus industrieller Sicht akzeptabel sind.
Durch einfache Anpassung des Automaten kann, mit anderen Worten, die Heterogenität der Ventile für die Leistungen der VSA-Einheit folgenlos bleiben.
Die Verwendung von langsameren Ventilen erlaubt es außerdem, die Lebensdauer der Ventile zu verbessern, die eine erhebliche Quelle der Unzuverlässigkeit einer VSA-Einheit darstellen.
Daher vermindern "sanftere" Betätigungen der mechanischen Teile, die für die Öffnungen/Schließungen der Ventile sorgen, natürlich die Risiken eines Bruchs dieses Mechanismus.
Darüber hinaus vermindert der dem Ventillieferanten vorgegebenen größeren Toleranzen für die Verteilung der Öffnungs/Schließzeiten vermindert den Preis der Ventile, da die Steuerung der Produktion vereinfacht werden kann.
Die Erhöhung der Betätigungszeiten und der Toleranzen bei der Verteilung dieser Zeiten erlaubt es somit, einerseits die Zuverlässigkeit der Einheit zu erhöhen und die Investitionskosten zu vermindern und andererseits die Leistungen erst ab bestimmten Werten zu schmälern, die größer 1,5 s beziehungsweise +/– 0,5 s sind.
Diese Methode erlaubt es, den besten ökonomischen Kompromiss zu identifizieren, der für Ventile erzielt wird, die aus einem Kollektiv stammen, das eine mittlere Öffnungs/Schließzeit zwischen 0,5 s und 2 s und eine Verteilung von Öffnungs/Schließzeiten zwischen [μ – 0,2 s; μ + 0,2 s] und [μ – 0,5 s; μ + 0,5 s] aufweist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das Gebiet der Produktion von Sauerstoff aus Luft beschränkt und kann daher für die Trennung von anderen Gasströmen angewandt werden, wie insbesondere auf Ströme, die Wasserstoff, Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid enthalten, insbesondere bei der Produktion von Synthesegas oder "Syngaz".

Claims

Druckwechseladsorptionsvorrichtung zur Trennung einen Gasstroms, die je Produktionszyklus arbeitet und zumindest einen Adsorber und mehrere Ventile umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für die mittlere Betätigungszeit (μ) der Ventile gilt 0,5 s < μ < 2 sund für die Betätigungszeit (Δt) jedes Ventils gilt μ – x < Δt < μ + x mit 0,1 s < x < 0,5 s.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die mittlere Betätigungszeit (μ) der Ventile 0,5s < μ < 1,5 s gilt und für die mittlere Betätigungszeit (μ) vorzugsweise 0,5 s < μ < 1 s gilt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 0,1 s < x < 0,4 s und vorzugsweise 0,1 s < x < 0,3 s gilt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest 3 Ventile und vorzugsweise zumindest 5 Ventile umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei Adsorber und vorzugsweise zwei oder drei Adsorber umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie vom VSA-Typ ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem ein System zur Steuerung der Betätigungszeiten der Ventile umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem ein System zur Adaption der Sequenz der Betätigungskommandos der Ventile in Abhängigkeit von den durch das Steuersystem gemessenen Betätigungszeiten umfasst.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Produktion eines Gasstroms mit mehr als 50% und vorzugsweise mehr als 80% zumindest eines Gases, das Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff sein kann.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Produktion eines Gasstroms mit mehr als 80% Sauerstoff und vorzugsweise mehr als 90% Sauerstoff, wobei der Sauerstoff zu einer Sauerstoff verbrauchenden Anlage geleitet wird, die ein Verbrennungsofen, eine Fabrikationsanlage für Papiermasse oder eine Wasseraufbereitungsanlage sein kann.