DE838137C - Verfahren zur Abscheidung von Gasen aus Gasgemischen durch Adsorption - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 5. MAI 1952

p 47752 IVb j 12 e D

durch Adsorption

Das Patent 832 142 betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Gasen aus Gasgemischen durch Adsorption, bei dem das Adsorptionsmittel in einer stehenden Kolonne im Gegenstrom zu den Gasen nacheinander durch eine Adsorptionszone, eine Desorptionszone und eine zwischen diesen liegende Fraktionierzone geführt wird und dessen Besonderheit darin besteht, daß das Adsorptionsmittel nur bis zu einem Desorptionsdruck der aufgenommenen Stoffe beladen wird, der niedriger als der Druck der Stoffe bei Beladung bis zum Gleichgewicht ist. Beim Durchgang des Adsorptionsmittels durch die Fraktionierzone, in der das Adsorptionsmittel der Wirkung der in der Desorptionszone entbundenen Stoffe ausgesetzt ist, erfolgt bei dieser Arbeitsweise als Folge des geringen Desorptionsdruckes der aufgenommenen Stoffe die Zerlegung des Desorbates in die einzelnen reinen hochprozentigen Gasfraktionen, so daß außer einem hochkonzentrierten Bodenprodukt auch die Zwischenfraktionen im gleichen Arbeitsgang getrennt für sich abgezogen werden können. Die zur Erzielung dieser Wirkung erforderlichen Bedingungen können durch Unterbeladung des Adsorp-

tionsmittels, durch Kühlung bei der Fraktionierung oder in anderer Weise verwirklicht werden.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Patent 832 142 wurde nun gefunden, daß sich die nach dem Hauptverfahren angestrebte Wirkung, nämlich die Erzielung mehrerer hochprozentiger Gasfraktionen von hoher Reinheit, von selbst einstellt, wenn Gasgemische behandelt werden, die die abzuscheidenden Gase in nur geringer Konzentration, z.B. unter 5Vo enthalten und die Behandlung in einer Kolonne durchgeführt wird, deren Querschnitt in der Adsorptionszone größer als in den nachfolgenden Zonen, d.h. der Fraktionier- und Desorptionszone ist. Die Erfindung beruht auf der an und für sich bekannten Erfahrung, daß ein Gasgemisch die zu gewinnenden Bestandteile in der Reihenfolge abnehmender Adsorbierbarkeit nach Maßgabe des Verhältnisses von Adsorptionsmitteldurchsatz zu Gasdurchsatz an das Adsorptionsmittel abgibt. Bei wertstoffarmen Gasgemischen ist dieses Verhältnis sehr groß bzw. um so größer, je geringer die Konzentration ist, in der die abzuscheidenden Gase in dem Gasgemisch enthalten sind. Berücksichtigt man, daß in der Adas sorptionszone mit einer bestimmten Mindestberührungsdauer zwischen. Gasgemisch und Adsorbens und damit einer Mindestschichthöhe für das Adsorbens gearbeitet werden muß, so bedingt dies bei einem gegebenen Fluß des Adsorptionsmittels einen relativ großen Querschnitt für die Adsorptionsmittelschicht. Andererseits ist zu berücksichtigen, daß in der Desorptions- und Fraktionierzone mit Berührungszeiten und Schichthöhen gearbeitet wird, die mindestens doppelt, in der Regel jedoch zehn- bis zwanzigmal so groß wie die in der Adsorptionszone gebräuchlichen sind, so daß man zu einem unwirtschaftlich großen Kolonnendurchmesser und damit Adsorptionsmittelvolumen in diesen Zonen kommen würde. Man war darum bisher der Meinung, daß eine Vereinigung der beiden Arbeitsschritte nicht möglich sei und hat den' Vorgang der Wertstoffanreicherung durch Adsorption aus Gasgemischen geringer Konzentration immer getrennt von dem Vorgang der Fraktionierung, d. h. also in zwei verschiedenen Kolonnen durchgeführt. Dies bedeutet aber ein zweimaliges Umwälzen des Ads'orptionsmittels. Auch ist damit die Möglichkeit genommen, gemäß Hauptverfahren in der Weise zu arbeiten, daß das Adsorptionsmittel in die Fraktionierzone mit einem Desorptionsdruck der aufgenommenen Stoffe eintritt, der niedriger als der Druck der Stoffe bei Beladung bis zum Gleichgewicht ist. Wird die Behandlung von Gasgemischen, die die abzuscheidenden Gase in niedriger Konzentration enthalten, jedoch gemäß Erfindung in einer Kolonne mit großem Querschnitt in der Adsorptionszone und kleinem Querschnitt in den nachfolgenden Zonen durchgeführt, lassen sich beide Arbeitsschritte in einem Arbeitsgang mit der Wirkung des Hauptverfahrens durchführen.

' Die charakteristische Wirkung des Verfahrens gemäß Erfindung ist die gleiche wie ; nach dem Verfahren des Patentes 832 142, daß nicht wie bisher nur ein hochprozentiges Bodenprodukt und ein hochprozentiges Kopfprodukt gewonnen werden können, sondern daß auch die möglichen Zwischenfraktionen ebenso hochprozentig abgezogen werden können. Durch zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. Kühlung in der Beladungs- und Fraktionierzone, kann die durch den vergrößerten Adsorberquerschnitt erzielbare Wirkung noch verbessert werden. Besonders günstige Ergebnisse werden erreicht, wenn die Kolonne unter Druck betrieben wird. In dfeseni Falle wird einmal das bei der Beladung benötigte Verhältnis Adsorptionsmittel zu Gas in , wirtschaftlicher Weise weiter verkleinert und zum anderen werden durch Entspannung der unter Druck stehenden Desorptionsgase noch zusätzliche Arbeitsleistungen erzielt. So kann die Entspannung z. B. zum Antrieb der Förderanlagen genutzt werden, mit der das unten aus der Kolonne austretende Adsorptionsmittel der Kolonne oben wieder zugeführt wird. Sodann kann die Entspannungskälte für Kühlzwecke, beispielsweise zur Kühlung des Adsorptionsmittels herangezogen werden.

Eine gemäß der Erfindung geeignete Arbeitskolonne ist in der Zeichnung in schematischer Darstellung beispielsweise wiedergegeben. *

Die Kolonne besteht im wesentlichen aus der Beladungszone I, der Fraktionierzone II und der Desorptionszone III. Die Beladungszone I ist aufgeteilt in die Adsorptionszone i" und eine Kühlzone i⁶ sowie eine Trockenzone i*, in denen das aus der Desorptionszone in den Arbeitsprozeß zurückkehrende Adsorptionsmittel gekühlt bzw. getrocknet " wird. Die Fraktionierzone II ist von einer Kühleinrichtung 2 umgeben und aufgeteilt in mehrere Fraktionierräume 2", 2^b, 2^C, 2^d und 2^e. Die Fraktionierräume sind voneinander getrennt durch Zwischenböden 4 bekannter Bauart, die so ausgebildet sind, daß sie einen störungsfreien Durchtritt des Adsorptionsmittels und eine gute Verteilung der aufsteigenden Gase gewährleisten. Gleichartige Böden begrenzen die Adsorptionszone i^a oben und unten.

Die Desorptionszone ist ausgerüstet einerseits mit einer Umlaufheizung 5 zur indirekten Erhitzung und andererseits mit einer Spüldampfzuleitung 6 zur direkten Erhitzung des beladenen Adsorptionsmittels, j

Unterhalb der Desorptionszone befindet sich ein rhythmisch arbeitender Austragrost 7, durch den das Adsorptionsmittel periodisch aus dem Desorptionsraum ausgetragen wird. Das ausgetragene Adsorptionsmittel tritt durch eine Ventilschleuse 8 mit zwei Ventilen, die sich wechselweise öffnen und schließen, kt ein Becherwerk 9 od. dgl., durch das es über einen Staubabscheider 10, beispielsweise einen Zyklon, in den Aufgabebunker 11 gefördert wird. Von diesem gelangt es über die Trocken- und Kühlzone in die Adsorptionszone i" und von da über die Fraktionierzone II wieder in die Desorptionszone.

In der Trockenzone wird das Adsorptionsmittel

hauptsächlich direkt durch Abgas aus der Kühlzone unter Ausnutzung des Wärmeinihalts getrocknet, den es von der Desorption mitbringt. Die Trocknung kann noch durch indirekte Beheizung mittels eines Heizsystems H unterstützt werden. In der Kühlzone wird das Adsorptionsmittel mit flilfe des Kühlsystems K indirekt und zweckmäßig gleichzeitig durch das aus der Beladungszone i" abstreichende Restgas direkt gekühlt. Für die ίο direkte Kühlung und Trocknung des Adsorptionsmittels kann das gesamte Beladegas oder auch nur ein Teil desselben herangezogen werden.

Das zu behandelnde Gasgemisch tritt über die Leitung 12 unter den Rostboden 4 und in die Adsorptionszone i" ein, die es von unten nach oben durchstreicht und, von adsorbierbaren Stoffen befreit, über die Leitung 13 wieder verläßt, soweit es nicht zur Kühlung und Trocknung herangezogen wird. Statt von unten nach oben kann das Gasgemisch auch quer durch den Adsorptionsraum geführt werden. In der Fraktionierzone II, in die das Adsorptionsmittel durch eine Verengung des Adsorptionsquerschnittes abgleitet, trifft das Adsorptionsmittel auf die nach oben drängenden, in der Desorptionszone III entbundenen Gase, durch die es von den adsorbierten leichteren Stoffen befreit wird, die ihrerseits wieder nach oben verdrängt werden. Dies geschieht nach dem Prinzip der Sorptionsverdrängung, nach dem die leicht aussorbierbaren Gase die schwerer adsorbierbaren verdrängen.

Der Querschnitt der Kolonne ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, erfindungsgemäß in der Adsorptionszone größer als in den übrigen Zonen.

Hierdurch stellt sich, wenn Gasgemische mit geringem Gehalt an adsorbierbaren Gasen zur Behandlung kommen, infolge des sich von selbst ergel >enden Verhältnisses von Adsorptionsmitteldurchsatz zu Gasdurchsatz auchl>ei Gleichgewichtsl>eladung ein Dcsorptionsdruck der adsorbierten Gase ein, der zur Folge hat, daß die zwischen Boden- und Kopfprodukt abgezogenen Mittelfraktionen nur geringfügig verunreinigt werden. Demgemäß können aus den Gassammeiräumen der Fraktionierzonen 2", 2^h, 2^C', 2^d und 2^e die einzelnen Gase als hochprozentige reine Fraktionen abgezogen werden.

Bei der in Abb. 1 wiedergegebenen Kolonne bildet die Beladungszone den Kopf der Kolonne.

Aus Gründen der Stabilität der Anlage kann die Anordnung al>er auch so getroffen sein, daß die Beladungszone sich am Fuße der Kolonne befindet, während die Fraktionierzone den Kopfteil der Kolonne bildet. Eine in dieser Weise ausgebildete Kolonne ist in Abb. 2 beispielsweise dargestellt.

Die Bezugszahlen 1 bis 13 in Abb. 2 haben die gleiche Bedeutung wie in Abb. 1. Im Gegensatz zu der Anlage in Abb. 1 arbeitet die in Abb. 2 wiedergegel >ene Anlage mit nur vier Fraktionierzonen 2", 2^b, 2^C und 2^d. Zur Umführung des Adsorptionsmittels ist ein Gasfördergebläse 14 vorgesehen, durch das das aus der Adsorptionszone ι" kommende Adsorptionsmittel ül>er die Leitung 15 in den Aufgal>ebunker 11 befördert wird. 16 ist ein Vorratsbehälter, aus dem das aus dem Kreislauf ausscheidende Adsorptionsmittel ersetzt wird. Eine Schwierigkeit bietet bei der Kolonne mit Adsorptionszone am Fußende der Übergang des Adsorptionsmittels aus der Desorptionszone III in die Beladungszone I, da hier die Gefahr eines Gas- bzw.^λ Dampfübertrittes gegeben ist. Der Übergang 17 ist aus diesem Grunde sehr verengt ausgebildet.

Die Fraktionierung eines wertstoffarmen Gasgemisches unter Verwendung der in Abb. 1 wiedergegebenen Kolonne mit erfindungsgemäß großem Adsorberquerschnitt möge mit dem nachfolgenden Beispiel näher verdeutlicht werden.

Zur Verarbeitung gelangte ein Gasgemisch, bestehend aus 0,05 bis 0,1 Volumprozent C₃ und höher siedenden Kohlenwasserstoffen, 0,6 Volumprozent C₂H₆, 1,7 Volumprozent C₂H₄, 2,2 Volum-' prozent C O₂, 22,0 Volumprozent C H₄, Rest Wasserstoff, Kohlenoxyd und Stickstoff. Der Gehalt der zu gewinnenden Stoffe Äthylen, Äthan und Cj-Kohlenwasserstoffe in diesem Gemisch betrug somit rund 2,4 Volumprozent.

Das Verhältnis von Kilogramm Adsorptionsmittel zu Kubikmeter verarbeitetem Gasgemisch betrug in der Adsorptionszone rund 2:1.

Beim Durchgang des Adsorptionsmittels durch die Adsorptionszone wurden aus dem Gasgemisch sämtliche Gase mit höherem Kohlenstoffgehalt als Methan, d. h. also alle C₂- und C₃-Kohlenwasserstoffe, abgeschieden. Außerdem wurden noch Teile der im Gasgemisch enthaltenen Kohlensäure und des Methans abgeschieden.

In der Fraktionierzone fielen fünf verschiedene Gasfraktionen an:

Die aus dem untersten Fraktionierraum 2' austretende schwerste Fraktion bestand zu 8o°/o aus C₃- und höheren Kohlenwasserstoffen mit einem Rest aus im wesentlichen Äthan neben Äthylen.

Die zweite Fraktion (Raum 2') enthielt 87,2% Äthan neben 1,2% Cj-Kohlenwasserstoffen, o,2°/o CO₂ und 11,4%) Äthylen.

Die dritte Fraktion (Raum 2^C) bestand aus 90,0 °/o Äthylen, 8,7% Äthan und 1,3 Vo CO₂.

Aus Raum 2* trat eine vierte Fraktion aus, die 92,7% CO₂, 4,2 °/o Äthylen und 3,1% Methan enthielt. ,

Als fünfte Fraktion wurde (aus Raum 2°) noch ein Gas mit 91,3 °/o Methan abgezogen.

Es trat somit in einem Arbeitsgang eine Zerlegung des Gasgemisches in fünf hochprozentige Fraktionen ein.

Bei Durchführung des Verfahrens unter Kühlung der Adsorptions- und Fraktionierzone auf.

— io° C verminderte sich das Verhältnis Kilogramm Adsorptionsmitteldurchsatz zu Kubikmeter Gasdurchsatz auf 0,74 : 1. Die Zusammensetzung iao der einzelnen Gasfraktionen erfuhr praktisch keine Änderung.

Durch Kühlung der Fraktionierzone allein auf

— io° C erhöhte sich die Reinheit der einzelnen Fraktionen. Es fielen eine völlig äthylenfreie las Cg-Fraktion, eine Äthanfraktion mit 91%) C₂H₆

und eine Äthylenfraktion mit 94,4% Äthylen an und auch die Kohlensäure- und Methanfraktion wiesen höhere Gehalte als vorher auf.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur Abscheidung von Gasen aus Gasgemischen durch feste Adsorbentien, wie z. B. aktive Kohle, mit anschließender Desorption und gleichzeitig getrennter Gewinnung der Gase, bei dem das Adsorptionsmittel kontinuierlich von oben nach unten durch eine stehende Kolonne geführt und auf seinem Wege nachein-_; ander mit dem zu behandelnden Gasgemisch und den bei der Desorption entbundenen Gasen in Berührung gebracht wird nach Patent 832 142, dadurch gekennzeichnet, daß Gasgemische, die die abzuscheidenden Gase in nur geringer Konzentration, z.B. unter 5Ύ0 enthalten, in einer Kolonne behandelt werden, deren Querschnitt in der Adsorptionszone größer als in den nachfolgenden Zonen ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-. kennzeichnet, daß die Kolonne unter Druck betrieben wird. »5
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beladungsgas quer zur Richtung des Adsorptionsmittelfiusses durch die Adsorptionszone geführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmittel in der Fraktionierzone gekühlt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmittel in der Adsorptions- und Fraktionierzone gekühlt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die infolge Druckanwenduii'g unter Druck austretenden Gase zweckmäßig unter Arbeitsleistung entspannt und das Adsorptionsmittel unter Heranziehung der Ent^- spannungskälte gekühlt werden.
7. 7. Adsorptionskolonne zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber am Fuße der Kolonne angeordnet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   Q 5137 4.52