DE974495C

DE974495C - Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen durch Adsorption

Info

Publication number: DE974495C
Application number: DEG234A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr-Ing Kahle
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1949-10-30
Filing date: 1949-10-30
Publication date: 1961-01-12

Description

Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen durch Adsorption Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen unter Verwendung von im Kreislauf geführten und dabei periodisch regenerierten und wieder beladenen Adsorptionsmitteln. Es ist zwar bekannt, bestimmte Gasbestandteile unter Verwendung von im Kreislauf geführten und dabei periodisch regenerierten und wieder beladenen Adsorptionsmitteln abzuscheiden, jedoch vollzog sich diese Abscheidung bisher bei Temperaturen in der Nähe der Umgebungstemperatur und erstreckte sich vornehmlich auf die Gewinnung leicht adsorbierbarer Gasbestandteile. Das Adsorbens wurde dabei in einer oberen Zone beladen, in einer darunter befindlichen Zone mit Wasserdampf erhitzt und gespült bzw. entladen und in einer weiteren Zone darunter mit Luft wieder getrocknet und rückgekühlt, bevor es erneut auf die Trennsäule gegeben wurde.
Es ist ferner ein weiteres mit bewegtem Adsorbens arbeitendes Gastrennverfahren bekanntgeworden, nachdem ein Rohgas dem Adsorbens entgegengeführt wird, das zuvor mit Kühlwasser rückgekühlt wurde.
Die Beladung des durch Kühlwasser gekühlten Adsorbensstromes im Strom des Rohgases erfolgt bei einer Temperatur, welche durch die Temperatur des mit Kühlwasser gekühlten Adsorbens bzw. des Rohgases beeinflußt wird. Das bei dieser Gegenstrombewegung mit Rohgasbestandteilen beladene Adsorbens wird anschließend in tieferen Zonen, jedoch außerhalb der Rohgasatmosphäre bei erhöhter Temperatur durch Spülen mit Wasserdampf wieder entladen.
Die dabei in der sogenannten Rektifikationszone ausgetriebenen Gasbestandteile werden unterhalb der Zone des Rohgaseintrittes aus besonderen Zapfstellen der Säule getrennt entnommen.
Es ist auch bekannt, Gasgemische durch ruhende, tiefgekühlte Adsorbentien zu behandeln, die in einem diskontinuierlichen Verfahren durch anschließendes Erwärmen wieder regeneriert werden, oder tiefgekühlte Gase auf das ruhende Adsorbens zu führen und auf diese Weise bei erniedrigtem Temperaturniveau zu adsorbieren, worauf in diskontinuierlicher Arbeitsweise das Adsorbens wieder entladen wird, jedoch sind derartige Verfahren grundlegend verschieden von dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei welchem nicht bei einer einheitlich tiefen Temperatur, sondern in einem großen Temperaturgefälle und nicht diskontinuierlich, sondern kontinuierlich das Konzentrat entnommen wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen in einem stehenden und mit Zapfstellen versehenen Adsorber unter Verwendung von im Kreislauf geführten und dabei periodisch regenerierten Adsorbentien. Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Adsorber derart betrieben wird, daß das zu trennende Rohgas selbst die Abtreibung des adsorbierten Bestandteiles bewirkt, indem durch Einführung des Adsorbens im tiefgekühlten Zustand und gegebenenfalls unter nochmaliger Tiefkühlung im oberen Teil des Adsorbers sowie unter Zuführung des Rohgases in erwärmtem Zustand und gegebenenfalls unter Erwärmung am unteren Teil des Adsorbers ein großes Wärmegefälle zwischen Rohgaseintritt und Restgasaustritt bzw.
Adsorbensaustritt und Adsorbenseintritt erzeugt und an den Zapfstellen Gas und/oder beladenes Adsorbens entnommen und für sich weiterverarbeitet wird.
Das Verfahren nach der Erfindung unterscheidet sich von dem bekannten Verfahren im wesentlichen dadurch, daß, abgesehen von der Kühlung, das zu trennende Frischgas selbst die Abtreibung des adsorbierten Gases, d. h. die Regenerierung des Adsorbens, bewirkt, und zwar geschieht dies insbesondere dadurch, daß entweder der untere Teil der Trennsäule dort, wo das Frischgas eingeführt wird, oder das Frischgas selbst erwärmt wird.
Durch das Verfahren nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß in einem kontinuierlichen Verfahren auch verhältnismäßig flüchtige und erst bei tiefer Temperatur adsorbierbare Gasbestandteile aus einem unter Betriebsbedingungen praktisch nicht adsorbierbaren Gas (Restgas) entfernt bzw. angereichert gewonnen werden. Zu diesem Zweck wird das Adsorbens im Zuge seines Kreislaufes im Gegenstrom zum Frischgas bei tiefer Temperatur beladen.
Die vom Adsorbens aufgenommenen Gasbestandteile werden durch anschließendes Erwärmen des zu wärmeren Zonen vorrückenden Adsorbens vom Rohgasstrom abgetrieben und im Rohgas angereichert gewonnen, worauf das regenerierte Adsorbens tiefgekühlt und wieder beladen wird.
Zur Einstellung eines großen Wärmegefälles zwischen Rohgaseintritt und Restgasaustritt bzw.
Adsorbensaustritt und Adsorbenseintritt wird das Adsorbens im Adsorber einem ihm entgegenströmenden Gas mit einem Kältevorrat entgegengeführt, der ausreicht, um das Gas annähernd auf die Temperatur abzukühlen, die notwendig ist, um mit der angewendeten Adsorbensmenge den schwerstadsorbierbaren von den zu gewinnenden Gasbestandteilen abzuscheiden.
Das Adsorbens wird anschließend entladen. Die entladenen Gasbestandteile werden gesondert abgeführt und das regenerierte Adsorbens wieder in den Kreislauf zurückgeführt.
Je nach der Art und Konzentration der zu gewinnenden Gasbestandteile können verschiedene Fraktionen, sowohl mit flüchtigen als auch mit weniger flüchtigen Gasbestandteilen angereichert, in verschiedenen Höhen des Adsorbers gleichzeitig entnommen werden. Da am oberen Ende des Adsorbers der zu gewinnende Gasbestandteil durch Adsorption bei tiefer Temperatur zurückgehalten, in den tieferen Teilen jedoch größtenteils wieder ausgetrieben wird, folgt zwangläufig eine vorübergehende Anreicherung sowohl des Adsorbens als auch des Gases mit dem zu gewinnenden Bestandteil zwischen Kopf und Boden des Adsorbers. Flüchtigere Gasbestandteile sind dabei mehr in der Nähe des kalten, weniger flüchtige in der Nähe des warmen Endes des Adsorbers angereichert.
Im unteren Teil des Adsorbers selbst wird das Adsorbens regeneriert, indem man den Adsorber unten beheizt, also z. B. das Frischgas heiß in denselben einführt, so daß die Beladung des den Adsorber unten verlassenden Adsorbens entsprechend der hohen Gaseintrittstemperatur nur gering ist. Das oberhalb der Gaseintrittsstelle entnommene Adsorbens kann außerhalb des Adsorbers entladen, regeneriert und gekühlt wieder in ihn zurückgeführt werden.
Schließlich kann zum Zwecke einer vollständigen Regenerierung des Adsorbens im Adsorber noch ein adsorbatfreies Spülgas, zweckmäßig ein Teil des Restgases, in den unteren Teil des Adsorbers eingeführt werden. Auch wenn man dieses nicht vorgewärmt einführt, wird die Regenerierung des Adsorbens vervollständigt, gleichzeitig aber vorteilhaft eine Rückkühlung desselben im Adsorberast vorgenommen.
Im übrigen wird bezüglich der zu entnehmenden Gaskonzentrate so verfahren, daß sie eine zweite, gleichartige oder eine der bekannten Anreicherungsstufen durchlaufen.
Die Tiefkühlung des Adsorbens am Kopf des Adsorbers kann durch eine äußere Kältequelle geschehen, indem ein Kältemittel dem Adsorbens im Oberteil des Adsorbers längs einer bestimmten Adsorbensschicht entgegengeführt wird, oder auch dadurch, daß ein Teil des adsorbatfreien Restgases zur Kälteerzeugung z. B. in der Weise verwendet wird, daß es aus dem Adsorber zweckmäßig mit normaler Temperatur am Kopf desselben angesaugt, verdichtet (mit kaltem Restgas) vorgekühlt, unter Arbeitsleistung entspannt und in den Oberteil des Adsorbers so eingeführt wird, daß es die ihm dort entgegenkommende Adsorbensmasse herunterkühlen kann.
Die Abbildung zeigt eine Einrichtung, bei der sowohl die Beladung als auch die vollständige Entladung, ferner die Rückkühlung und Tiefkühlung des regenerierten Adsorbens im Adsorber selbst erfolgt. Dieser erhält in der gezeichneten Darstellung den Charakter einer Trennsäule, der besonders durch die am oberen Ende erfolgende Kühlung durch die Kühleinrichtung 3 und durch die am unteren Ende erfolgende Beheizung gekennzeichnet ist. Bei I3 wird ein Adsorbens in tiefgekühltem Zustand in den Adsorber I eingeführt und durch eine Kühlvorrichtung 3 noch weiter heruntergekühlt. Ein unter geringem Überdruck stehendes Gas, welches neben Wasserstoff als Hauptbestandteile noch Kohlenoxyd, Stickstoff, Methan, Äthylen und Äther enthält, tritt nach Vorerhitzung durch die Heizung 25 bei 2 in den Adsorber 1 ein und strömt dem bei I3 entgegengeführten, oben durch Kühlung 3 gekühlten Adsorbens 9 entgegen. Es bewirkt dabei unten zunächst dessen Entladung und wird selbst vorübergehend oberhalb seines Eintritts in den Adsorber mit Adsorbat angereichert. An bestimmten Stellen, z. B. bei 20 und 22, werden daher Gaskonzentrate entnommen, die an der höheren Stelle leichtersiedende Gasbestandteile, wie Methan, Kohlenoxyd, Stickstoff, an der tieferen Stelle schwerersiedende Gasbestandteile, wie Äthylen und Äthan, bevorzugt enthalten.
Die Hauptbelastungszone des Adsorbens liegt bei den kälteren Teilen des Adsorbers. Dieses kann daher an einer Stelle seiner größten Anreicherung mit den zu gewinnenden Bestandteilen selbst entnommen, regeneriert und dem Adsorber wieder zugeführt werden. Es enthält bei 21 mehr höhersiedende, bei 20 mehr tiefersiedende Bestandteile. Zur Vervollständigung der Spülung und Zurückkühlung des Adsorbens wird bei 23 ein adsorbatfreies Spülgas, z. B. ein Teil des Restgases, mit etwa normaler Temperatur zugeführt.
Dieses entfernt gleichzeitig die letzten noch adsorbierten Gasbestandteile aus dem heißen Adsorbens und wird im dargestellten Fall z. B. aus dem Restgas entnommen und durch ein Gebläse 22 auf den Druck gebracht, der zur Überwindung des Strömungswiderstandes im Adsorber I erforderlich ist. Die Tiefkühlung des Adsorbens wird nach dessen Entnahme bei I4 und Förderung durch die Fördereinrichtung 12 auf den Kopf des Adsorbers bei 13 in diesen selbst durch das ihm entgegenströmende kalte Restgas bzw. durch ein ihm entgegengeführtes Kühlmittel in der Kühleinrichtung 3 bewirkt. An deren Stelle kann auch ein nicht dargestellter Kältekreislauf an sich bekannter Art mit einem z. B. bei 4 abgezweigten Teil des Restgases erfolgen, der nach Kompression und Kühlung (unter anderem z. B. mit kaltem Restgas) unter Arbeitsleistung auf den Druck im Adsorber entspannt, dabei tiefgekühlt, oberhalb Anstieg 20 in den Oberteil des Adsorbers eingeführt wird und das ihm entgegenkommende Adsorbens herunterkühlt.
Die eigentliche Beladungszone des Adsorbens befindet sich hauptsächlich in der Gegend des Eintritts des Kühlmittels bei 5 und reicht bis etwa zu dem Anstieg 21.
Soll der ganze Trennvorgang im Adsorber unter Druck vorgenommen werden, so wird dies erfindungsgemäß durch Anordnung von Schleusen an den Stellen der Zu- und Abführung des Adsorbens und periodische Zu- bzw. Abführung des Adsorbens ermöglicht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen in einem stehenden und mit Zapfstellen versehenen Adsorber unter Verwendung von im Kreislauf geführten und dabei periodisch regenerierten Adsorbentien, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber derart betrieben wird, daß das zu trennende Rohgas selbst die Abtreibung des adsorbierten Bestandteiles bewirkt, indem durch Einführung des Adsorbens im tiefgekühlten Zustand und gegebenenfalls unter nochmaliger Tiefkühlung im oberen Teil des Adsorbers sowie unter Zuführung des Rohgases in erwärmtem Zustand und gegebenenfalls unter Erwärmung am unteren Teil des Adsorbers ein großes Wärmegefälle zwischen Rohgaseintritt und Restgasaustritt bzw.

Adsorbensaustritt und Adsorbenseintritt erzeugt und an den Zapfstellen Gas und/oder beladenes Adsorbens entnommen und für sich weiterverarbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil des Adsorbens an einer oder mehreren Stellen seiner höchsten Beladung mit dem zu gewinnenden Bestandteil entnimmt, anschließend entlädt, die entladenen Bestandteile gesondert abführt und das regenerierte Adsorbens in den Kreislauf zurückführt oder daß man einen Teil des vorübergehend zwischen Frischgaseintritt und Restgasaustritt angereicherten Gases an einer oder mehreren Stellen längs des Adsorbers entnimmt.
3. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vervollständigung der Desorption und zur Rückkühlung des heißen Adsorbens ein adsorbatfreies, nicht erhitztes Spülgas, zweckmäßig ein Teil des Restgases, in den unteren Teil des Adsorbers eingeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kältemittel dem Adsorbens im Oberteil des Adsorbers längs einer bestimmten Adsorbensschicht unter mittelbarer Berührung entgegengeführt und vom Adsorbens angewärmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Restgases am Kopf des Adsorbers entnommen, verdichtet und mit kaltem Restgas vorgekühlt, unter Arbeitsleistung entspannt und im Oberteil des Adsorbers dem Adsorbens längs einer bestimmten Schicht unter unmittelbarer Berührung entgegengeführt und dabei wieder angewärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladung des Adsorbens bei mäßig erhöhtem Druck erfolgt, wobei es durch besondere Schleusen dem Gaskühlturm zugeführt oder ihm entnommen wird.
7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch I bis 6, gekennzeichnet durch Anordnung einer Heizvorrichtung (25) am unteren und einer Kühlvorrichtung (3) im oberen Teil des Adsorbers mit Entnahmestellen (20) bzw. (2I) längs der Adsorb ensschicht, Adsorbensfördereinrichtung (I2) und Zuleitung (23) für Spül- und Rückkühlgas.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 444955, 481 127, 485 988, 520 709, 530 89I, 535 064, 568 I66; USA.-Patentschrift Nr. 1 993 345; Oil and Gas Journal, Bd. 47, I948, S. go, 93/94, 97, 99/IOO,