DK148997B - Fremgangsmaade til fraktionering af en gasblanding - Google Patents

Description

148997

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fraktionering af en gasblanding under anvendelse af mindst to lejer af et materiale, som er i stand til ved forholdsvis højt tryk selektivt at adsorbere en af gasblandingens komponenter, hvorved lejerne skiftevis sættes under og .holdes ved et forholdsvis højt tryk henholdsvis aflastes fra dette tryk, hvorhos trykpåføringen henholdsvis -aflastningen for hvert leje foretages ved et antal deloperationer, ved hvilke der i deloperationer (I) og (II) sker en adsorption af den adsorberbare komponent og en dannelse af produktgas, i deloperation (III) sker en tryksænkning ved trykudligning mellem de to lejer, i deloperation (IV) sker en tryksænkning til desadsorptionstrykket, .i deloperationer (V) og (VI) sker en skylning af lejerne med produktgas, og i deloperationer (VII, VIII, IX og X) sker 143337 2 en trykforøgelse i lejerne, indtil adsorptionstrykket nås.

Fra US patentskrift nr. 3.788.036 kendes en fremgangsmåde til fraktionering af en flerkomponent-gasblanding, hvilken fremgangsmåde i en af sine udførelsesformer udøves i vekselvirkning mellem to adsorptionskolonner, der indeholder et materiale, som er i stand til selektivt at adsorbere en af gasblandingens komponenter, og hvorved adsorptionskolonnerne skiftevis sættes under og holdes ved et forholdsvis højt tryk henholdsvis aflastes for dette tryk, idet trykpåføringen henholdsvis -aflastningen for hver kolonne foretages i et antal trin, ved hvilke der for enhver af kolonnerne i følgende rækkefølge foretages en adsorption af den adsorberbare komponent og en dannelse af produktgas, en tryksænkning ved trykudligning mellem de to adsorptionskolonner, en yderligere tryksænkning til desadsorptionstrykket, en skylning af adsorptionskolonnen, eventuelt med produktgas, og en trykforøgelse i adsorptionskolonnen, indtil adsorptionstrykket nås. Ved denne fremgangsmåde sker der imidlertid en vis forurening af det andet adsorptionslejes udløbsende med adsorberbar komponent ved tryk-udligningen, idet der ved tryksænkning i et adsorptionsleje altid frigøres en del af den adsorberede gas, hvorved produktgassens renhed i de efterfølgende produktionstrin forringes.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen opnås i forhold til ovennævnte fremgangsmåde for det første en produktgas (eksempelvis oxygen) med en højere renhed, idet adsorptionslejets udløbsende holdes fri for adsorberbar komponent (eksempelvis nitrogen), og for det andet en bedre udnyttelse af gassen, hvorved behovet for rågastilførsel mindskes.

Dette opnås ved, at fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at trykudligningen mellem lejerne i deloperation (III) udføres ved, at det første lejes udløbsende (bund) forbindes med det andet lejes indløbsende (top), at skylningen af lejerne i deloperationerne (V) og (VI) udføres med produktgas fra en produktgasbeholder, og at trykforøgelsen i deloperation (VII) udføres ved, at produktgassen tilføres lejernes udløbsende (bund), og i deloperation (VIII) ved, at det andet lejes udløbsende (bund) forbindes med det første lejes indløbsende (top).

En udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at produktgassen tilføres til en produktgasbeholder via en produktrørledning, og at produktgassen ved den første deloperation (VII). af trykpåsætningen af et leje (f.eks. 1) 3 148997 udtages fra produktbeholderen via en rørledning, som er forskellig fra produktrørledningen.

I det følgende vil opfindelsen blive beskrevet nærmere i forbindelse med en udførelsesform med to lejer og under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et koblingsskema for anlægget, fig. 2 viser tidsfølgen for de forskellige funktionsfaser for de to i anlægget indgående lejer, fig. 3 viser de gasstrømme, som forekommer i anlægget i forskellige funktionsfaser, og fig. 4 viser koncentrationsprofilen i et leje på forskellige tidspunkter over en hel driftscyklus.

Det på fig. 1 skematisk viste anlæg er et to-leje system, som kan anvendes til fraktionering af en vilkårlig gasblanding, men i det foreliggende tilfælde antages det, at det er beregnet til fraktionering af luft, således at der som produktgas fås oxygen, som er praktisk taget fri for nitrogen. Anlægget omfatter to lejer 1 og 2. Begge disse indeholder en zeolitisk molekylsi med evne til ved forholdsvis højt tryk at adsorbere nitrogen i væsentlig højere grad end oxygen. Rågassen, som i dette tilfælde udgøres af komprimeret luft, tilføres til et tilslutningssted 3. Den tilførte luft 2 kan være komprimeret til et tryk på ca. 4,1 kg/cm . Fra tilslutningsstedet 3 passerer rågassen gennem en trykregulator 4 og en indstillelig drøvleventil 5 til et par styrbare ventiler 6 og 7.

Gennem disse kan rågassen ledes enten til lejet 1 eller til lejet 2. Den produktgas, som forlader lejet 1 ved dettes udløbsside, når via en styrbar ventil 8 og en indstillelig drøvleventil 9 til en produkttank 10, som er beregnet til opsamling af den fremkomne produktgas. Den produktgas, som fremkommer i lejet 2, når på analog vis via en styrbar ventil 11 og drøvleventilen 9 til produkttanken 10. Herfra kan produktgassen udtages via en udløbsrørledning 12. Drøvleventilen 9 indgår i en produktrørledning 13.

På i og for sig kendt måde kan udløbssiden af et leje forbindes med indløbssiden for det andet leje. Dette sker via styrbare ventiler 14 og 15 ved lejernes udløbsende og styrbare ventiler 16 og 17 ved lejernes indløbsende samt en mellem disse ventilpar indkoblet indstillelig drøvleventil 18. Endvidere kan indløbsenden af lejet 1 via en styrbar ventil 19 og indløbsenden af lejet 2 via en styrbar ventil 20 sættes i direkte forbindelse med den omgivende atmosfære eller med en vakuumpumpe via en aflastningsrørledning 21.

4 148997

For at gøre det muligt at iværksætte udskylning og tryk-påsætning af et leje med produktgas uafhængigt af funktionstilstanden af det andet leje, er anordningen udført således, at produktgas fra tanken 10 kan tilføres til udløbssiden af de respektive lejer via en rørledning 22 og hver af de styrbare ventiler 14 og 15. Af årsager, som vil fremgå af det følgende, er rørledningen opdelt i to parallelle grene, der hver indeholder en styrbar ventil 23 respektive 24 samt en indstillelig drøvleventil 25 respektive 26.

De forskellige styrbare ventiler styres hensigtsmæssigt automatisk, således at der under de deloperationer, som betegnes med I____ X, som tilsammen udgør en hel driftscyklus, tilvejebringes de gasstrømme, som ses på fig. 3. Modsvarende deloperationer som funktion af tiden vises på fig. 2, hvor den øverste linie viser deloperationerne for lejet 1, og den nederste linie viser deloperationerne for lejet 2. For lejet 1 sker der således i løbet af faserne I og II adsorption af adsorberbar komponent og fremkomst af produktgas, i løbet af fasen III tryksænkning ved trykudligning mellem lejeene 1 og 2 (Tsl) og i løbet af fasen IV tryksænkning til det forholdsvis lave desorptionstryk (Ts2). i løbet af faserne V og VI sker der i lejet 1 en udskylning med produktgas, hvorefter der i løbet af faserne VII-X gennemføres en trykstigning i lejet 1, nemlig i løbet af fasen VII med produktgassen (Tø2), i løbet af fasen VIII ved trykudligning mellem lejerne (Tøl) og endelig i løbet af faserne IX og X ved hjælp af rågas (Tø3). Derefter er dette lejepåny klar til at frembringe produktgas. Ved det her valgte udførelseseksempel er en hel cyklustid 208 sekunder, og af fig. 2 fremgår de tidspunkter, hvor anlægget overgår fra en deloperation til den næste. Af figurerne 2 og 3 fremgår det, at operationscyklen for lejet 2 er tidsforskudt i forhold til operationscyklen for lejet 1 på en sådan måde, at der under trykudligning mellem lejerne sker en tryksænkning i det ene leje og en trykforøgelse i det andet leje.

Fig. 4 viser et eksempel på udseendet af koncentrationsprofilen, altså oxygenindholdet, i forskellige dele af lejet 1 fra indløbssiden øverst til udløbssiden, altså nederst i den respektive delfigur. Hver delfigur anskueliggør koncentrationsprofilen på et i den respektive delfigur angivet tidspunkt under overgangen fra en deloperation til den næste.

Der vil nu blive redegjort mere detaljeret for de processer, som foregår i lejet 1, nedenfor, under henvisning til tegningen.

5 148997

Til tiden O er adsorptionstrykket opnået i lejet i ved tilførsel af luft under deloperationerne IX og X. I lejets indløbsende er molekylsien mættet med luft af det herskende tryk. I udløbsenden findes "ren" produktgas, altså en gas, som tilnærmelsesvis består af 95% oxygen og 5% argon. I løbét af deloperation I udtages produktgas fra lejet med en af drøvleventilen 9 nøje kontrolleret hastighed, og trykregulatoren 4 ved indløbsenden bevirker, at der tilføres luft på en sådan måde, at trykket hele tiden holdes konstant. Når gassen passerer gennem lejet sker en fraktionering, eftersom nitrogen adsorberes i højere grad end oxygen. Efterhånden, som adsorptionen skrider frem, bliver lejet mere og mere mættet med luft. Ved, at gashastigheden holdes under en højeste kritisk værdi, bibeholdes en nitrogenfri zone nærmest udløbsenden over hele det tidsrum, hvori der udtages produktgas fra lejet.

Under deloperation II fortsætter produktionen af nitrogenfri produktgas fra lejet· 1. Denne produktion afbrydes til tiden 66 (sek.), umiddelbart inden indholdet af nitrogen stiger i den udgående produktgas.

I løbet af deloperation III er udløbsenden af lejet 1 blevet forbundet med indløbsenden af lejet 2 samtidig med, at tilførsel af luft til lejet 1 er blevet afbrudt, og som følge deraf sker der en tryksænkning i lejet 1. Den partialtryksænkning for gaskomponenterne, som bliver følgen, forårsager desorption af disse i lejet . Den første gasfraktion, som forlader lejet 1, indeholder ca. 95% oxygen, medens den sidste har et indhold på 40-60%. Middelindholdet af oxygen i den gas, som forlader lejet 1, ligger altså betydeligt over oxygenindholdet i luft.

I løbet af deloperation IV sker der en tryksænkning i lejet 1 ved, at dettes indløbsende forbindes med atmosfæren eller med en vakuumpumpe. Sænkningen af partialtrykket giver så en yderligere desorption, og en del af det desorberede materiale udskylles.

I løbet af deloperation V påbegyndes udskylning af lejet 1 fra dets udløbsende til dets indløbsende, hvorved nitrogenfri produktgas tilføres fra produkttanken 10 via den styrbare ventil 23 og den indstillelige drøvleventil 25 i ledningen 22. Den indstillelige drøvleventil 25 er da indstillet således, at tilførslen af produktgas foregår forholdsvis langsomt.

I løbet af deloperation VI fortsætter udskylningen af lejet 1 med produktgas via ventilen 23 og drøvleventilen 25. Det lave partialtryk af nitrogen i udskylningsgassen bevirker, at nitrogen de-sorberes fra molekylsien og udskylles fra lejet.

6 148997

Ved deloperation VII's begyndelse lukkes udløbet til atmosfæren, og tilførsel af produktgas til lejet 1 fortsætter nu gennem den styrbare ventil 24 og den indstillelige drøvleventil 26. Den nitrogenfri produktgas, som nu strømmer ind i lejet, bevirker dels en trykforøgelse, dels en desorption af nitrogen i den nedre udløbsende. Det desorberede nitrogen føres med gasstrømmen mod lejets øvre indløbsende og adsorberes igen i molekylsien, når gassens partialtryk af nitrogen overskrider den værdi, som modsvarer ligevægtsforholdet i molekylsien.

I løbet af deloperation VII sker der således en flytning af nitrogen fra lejets udløbsende mod dets indløbsende samtidig med, at en nitrogenfri zone etableres i lejets udløbsende.

Ved deloperation VIII's begyndelse afbrydes tilførslen af produktgas til lejet 1, og i stedet forbindes indløbsenden af lejet 1 med udløbsenden af lejet 2. Gas strømmer således fra lejet 2 til lejet 1 under trykstigning heri. Denne deloperation foregår, indtil der er opnået trykligevægt mellem lejerne. Til trykforøgelsen af lejet 1 benyttes en forholdsvis oxygenrig gas, således som det blev angivet i forbindelse med beskrivelsen af deloperation III. Eftersom denne gas har et betydeligt lavere oxygenindhold end den gas, som befinder sig ved udløbsenden af lejet 1, må trykudligningen ikke gennemføres så hurtigt, at den nitrogenrige gas strømmer gennem lejet 1 med så høj en hastighed, at nitrogenet ikke når at blive adsorberet. Den nødvendige lave strømningshastighed opnås i dette tilfælde med den indstillelige drøvleventil 18.

I løbet af deloperation IX strømmer komprimeret luft ind ved indløbsenden af lejet 1. Derved foregår en langsom, fortsat trykforøgelse, og lejet bliver i løbet af denne deloperation mættet med luft i indløbsenden samtidig med, at der bibeholdes en nitrogenfri zone i lejets udløb s ende.

I løbet af deloperation X fortsætter trykforøgelsen i lejet 1 ved tilførsel af luft, indtil adsorptionstrykket er opnået, hvorefter lejet er klar til produktion, hvilket indebærer, at de ovenfor beskrevne deloperationer gentages cyklisk.

Som det fremgår af ovenstående beskrivelse sker trykforøgelsen i lejet 1 op til sluttrykket i tre trin. I løbet af det første trin, deloperation VII, sker trykforøgelsen med produktgas fra produkttanken 10. Umiddelbart inden denne deloperation er der blevet gennemført udskylning med produktgas, og koncentrationsprofilen i lejet er så nærmest retliniet, hvilket fremgår af den delfigur på fig. 4, som betegnes t = 152. Når nu der under deloperation VII tilføres nitrogenfri produktgas via udløbsenden af lejet 1 under samtidig trykforøgelse, 7 148997 fås i gasfasen en forøgelse af forholdet mellem oxygenets og nitrogenets partialtryk. Nitrogenet desorberes og føres lasngere ind i lejet i retning mod dets indløbsende. Efter denne trykforøgelse har lejet omtrent den koncentrationsprofil, som på fig. 4 ses i den delfigur, der er betegnet t = 170. Af denne fremgår, at en zone med nitrogenfri gas her er etableret nærmest udløbsenden. I denne zone foregår senere slut-fraktioneringen under adsorptionen. Nitrogenholdig gas kan nu slippes ind i lejet 1, men dette må ske gennem lejets indløbsende, eftersom den nævnte nitrogenfri zone ellers ville blive forstyrret. I denne sammenhæng kan det påpeges, at hvis nitrogenholdig gas var blevet indført i lejets indløbsende direkte efter udskylningen under deloperåtion VI, ville dette have medført, at en del nitrogen passerede gennem lejet uden at adsorberes. Derved ville man have fået nitrogenholdig gas ved udløbsenden og som følge deraf en nitrogenholdig produktgas.

Det andet trin af trykforøgelsen tilvejebringes ved trykudligning mellem lejerne. Dette sker for lejet 1 under deloperationen VIII. Ved denne trykudligning sker der en tryksænkning i lejet 2, og derved desorberes i dette en del nitrogen, som følger med ind i lejet 1, som skal sættes under tryk. Af denne grund sker tilførslen til lejet 1 ved dettes indløbsside, således at den nitrogenfrie zone kan opretholdes ved udløbsenden. Den nitrogenholdige gas, som tilføres, fraktioneres i lejet 1 under denne deloperation, og ved slutningen af trykudligningen har man opnået den koncentrationsprofil, som i fig. 4 vises i den delfigur, der er betegnet t = 183.

Trykforøgelsen til det endelige adsorptionstryk sker ved tilførsel af luft fra kompressoren ved indløbsenden af lejet 1. Under denne trykforøgelse sker der en fraktionering af den indstrømmende luft, og når det endelige adsorptionstryk efter deloperationerne IX og X er blevet opnået, udviser lejet 1 en koncentrationsprofil ifølge den delfigur i fig. 4, som er betegnet t = 208. Lejet 1 er dermed igen klar til produktion.

Den her beskrevne trykvariationssekvens adskiller sig fra og indebærer forbedringer sammenlignet med tidligere kendte sekvenser i følgende henseender. Trykforøgelse med produktgas fri for adsorberbar komponent sker som det første trin, og produktgassen indføres via lejets udløbsende. Derved skabes en koncentrationsfordeling i lejet, som er gunstig for fraktionering af gas, som indføres senere under operationscyklen. Endvidere indføres al gas, som indeholder den adsorberbare komponent, altid ved lejets indløbsende, og efter at produktgas, som er fri for adsorberbar komponent, er blevet indført via udløbsenden.