EP4688211A1 - Modulares gastrennverfahren, modulares gastrennvorrichtungssystem und modulare gastrennvorrichtung - Google Patents

Modulares gastrennverfahren, modulares gastrennvorrichtungssystem und modulare gastrennvorrichtung

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EP4688211A1
EP4688211A1 EP24715469.3A EP24715469A EP4688211A1 EP 4688211 A1 EP4688211 A1 EP 4688211A1 EP 24715469 A EP24715469 A EP 24715469A EP 4688211 A1 EP4688211 A1 EP 4688211A1
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EP
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adsorption
module
gas
gas separation
raw gas
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Pending
Application number
EP24715469.3A
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French (fr)
Inventor
Branislav Zlatkov
Christoph ROTHER
Enrica LANGE
Marc RUEGGEBERG
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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    • C01B13/0259—Physical processing only by adsorption on solids
    • C01B13/0277—Temperature swing adsorption

Definitions

  • the invention relates to a process for extracting technical gases from the ambient air and a modular device for implementing this process.
  • PSA Pressure swing adsorption
  • an adsorber material also: sorbent material
  • Adsorption describes the property of gases, liquids or dissolved solids to attach themselves to the surface of a solid.
  • the separation of a gas mixture is based on one of two known physical principles. The first known principle is that of separation due to equilibrium adsorption. Different gases have a different tendency to attach themselves to certain solids. Molecules that attach themselves to a surface have a tendency to detach from this surface again due to thermal molecular movement.
  • the second principle is separation based on the molecular sieve effect.
  • a molecular sieve is a porous material that is less easily penetrated by molecules above a certain size.
  • a second gas in the gas mixture with a smaller molecular size, penetrates the porous structure of the sorbent material more quickly. If a gas mixture flows through sorbent material in a reactor bed, the molecules and atoms that are less able to penetrate the pores need less time to flow past, and thus reach the exit of the reactor bed in higher concentrations.
  • a gas mixture consisting of several components (gases) is introduced under increased pressure (approx. 6-10 bar) or at higher working pressures into the inlet of a reactor filled with sorbent material (also: reactor bed or sorbent bed), so that the gas mixture flows through the sorbent material.
  • sorbent material also: reactor bed or sorbent bed
  • One or more components of the mixture are preferentially adsorbed on the sorbent material (also: the "heavy component”).
  • the component that is not preferentially adsorbed also: the "light component" can be removed at a first outlet of the reactor bed.
  • Regeneration can take place in a second process step.
  • the first outlet for the light component is closed and a second outlet for the heavy component is opened. This is accompanied by a rapid reduction in pressure. The lower pressure causes the adsorbed gas to be desorbed again and can be tapped at the second outlet.
  • Variations of the PSA technique include the use of a vacuum pump to achieve larger pressure differences between the first and second process steps.
  • the method can also be referred to as VSA (Vacuum Swing Adsorption). If the working pressures are above atmospheric pressure and below, it can be referred to as VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption).
  • VSA Vauum Swing Adsorption
  • VPSA Vauum Pressure Swing Adsorption
  • TSA temperature swing adsorption
  • a conventional pressure swing adsorption system for separating oxygen from ambient air is described, for example, in DE 102012 010292 A1.
  • Such a pressure swing adsorption system consists of two pressure vessels, a compressed air supply, a compressed air storage vessel and a gas storage vessel. Oil-free, clean compressed air flows from a compressed air supply into the compressed air storage vessel and from there through one of the two pressure vessels depending on the position of the inlet valves.
  • EP 3 613492 A1 describes a process for separating O2 from N2 and/or Ar from air.
  • the process uses at least five adsorption beds comprising kinetically selective adsorbents for O2.
  • the adsorption and enrichment of CO2 is not mentioned.
  • Patent Literature 2 mentions a pressure swing adsorption plant for exclusively separating N2 and O2 from a gas mixture.
  • the pressure swing adsorption plant of EP 2 365 860 B1 which is also constructed from only two parallel adsorbers, is suitable for the production of oxygen from the air and is characterized by very short cycle times and lower energy consumption.
  • US 6 171 371 B1 describes a pressure swing adsorption process based on two pressure vessels for separating O2 and N2 from air with additional use of vacuum.
  • EP 0 705636 B1 describes a process for oxygen production based on the cooperation of pressure swing adsorption nitrogen production and chemical air separation (GLAS - Chemical Looping Air System).
  • compressed air is introduced into a PSA system to adsorb O2, CO2 and moisture to obtain N2 with a purity > 95%.
  • the adsorbed components are removed by pressure build-up and pressure reduction to normal pressure in order to to form oxygen-enriched residual gas (28-32% O2) and to regenerate the adsorbent.
  • the PSA-desorbed oxygen-enriched residual gas is fed to a CLAS system to complete the oxygen absorption.
  • this is not a pure PSA process, as it is combined with chemical air separation.
  • Conventional processes include in particular the separation of N2 and O2 from air and the extraction of pure N2 and O2 by means of pressure swing adsorption.
  • An object of the present invention is to provide a gas separation process which allows the optimized separation of N2, O2 and CO2 from the ambient air by means of pressure swing adsorption and makes these available as technical gases.
  • a further object of the present invention is to provide a device system which is able to implement the gas separation process according to the invention locally and as required in terms of the amount and type of technical gases.
  • N2 refers to the chemical compound dinitrogen
  • O2 to the chemical compound dioxygen
  • CO2 to the chemical compound carbon dioxide
  • H2 refers to the chemical compound dihydrogen and "Ar” to the chemical element argon.
  • the state of aggregation of the respective compound can vary between gaseous and liquid.
  • Compounds that contain isotopes of the elements other than the most common ones present in the above-mentioned compounds fall under the name of the compound.
  • Other chemical compounds are specified analogously in formula notation in accordance with common practice.
  • a modular gas separation process according to the invention for obtaining products from ambient air by means of modules of a modular gas separation device system comprises sucking in a raw gas from the ambient air and separating O2 as a first product, N2 as a second product and CO2 as a third product from the raw gas, wherein the separation of the products takes place by one or more adsorption processes in order to make the first product, the second product and/or the third product available for further use, wherein the process can be adapted so that the products can be made available in a desired purity, in a desired amount and/or in a desired composition, and the adsorption processes include pressure swing adsorption processes.
  • the modular gas separation process according to the invention makes it possible, in addition to the classic compressed air treatment, to also obtain corresponding technical gases such as primarily CO2, N2, O2 but, in certain embodiments, also other gases such as Ar, H2 etc. by using a production line.
  • An adsorption process involves passing a gas, for example a raw gas, through a sorbent material contained in a container.
  • the container can also be referred to as a reactor bed, sorbent bed or bed.
  • a piping system which contains a reactor bed and which is designed to carry out an adsorption process can also be referred to as a column.
  • a device for carrying out, for example, a pressure swing adsorption process (PSA process) can be referred to as a PSA unit or an adsorption device.
  • a PSA unit can comprise several columns.
  • a column can contain sorbent materials, whereby the sorbent materials are physically contained in the reactor bed contained in the column.
  • Sorbent materials are materials which have an adsorption effect on gases or gas molecules which come into contact with them.
  • Sorbent materials within the meaning of the present disclosure are, for example, physical sorbent materials such as zeolites, silica materials, MOF (Metal Organic Framework), activated carbon, COF (Covalent Organic Framework), carbon molecular sieves, materials based on alkali metals/metal oxides, ordered porous carbon, ACF (Activated Carbon Fibers), graphene, CMS (Carbon Molecular Sieve) and others, and their composite materials.
  • physical sorbent materials such as zeolites, silica materials, MOF (Metal Organic Framework), activated carbon, COF (Covalent Organic Framework), carbon molecular sieves, materials based on alkali metals/metal oxides, ordered porous carbon, ACF (Activated Carbon Fibers), graphene, CMS (Carbon Molecular Sieve) and others, and their composite materials.
  • sorbent materials within the meaning of the present disclosure are chemical sorbent materials such as composite adsorbents produced by impregnation with K2CO3, binary eutectic mixture (KNO3 and UNO3), NaNCh, AI2O3, ZrC>2, TiC>2, MnCh, ZnO and others.
  • the necessary compressed air treatment can be provided and corresponding technical gases can be optimally extracted from compressed air or another environment.
  • the adsorption processes also include temperature swing adsorption and temperature pressure swing adsorption.
  • pressure swing adsorption processes which are based on manipulating the adsorption effect of sorbent materials by changing the pressure in a sorbent bed
  • temperature swing adsorption processes the adsorption effect of sorbent materials can be manipulated by changing the temperature in a sorbent bed. Due to the lower energy requirement associated with temperature swing adsorption, the process can be adapted to the energy availability prevailing at the point of use.
  • temperature pressure swing adsorption processes the adsorption effect is manipulated by changing both the pressure and the temperature, whereby more effective gas separation can be achieved.
  • Processed raw gas can be raw gas that is sucked in by means of an intake device, cleaned of particles, dust and/or soot by means of a filter or air filter, dehumidified by means of a dehumidification device and compressed by means of a compressor.
  • the separation of the products from the raw gas comprises generating a reduced raw gas by separating O2 and N2 from the raw gas and subsequently separating CO2 from the reduced raw gas.
  • a module set according to the invention for a gas separation device for implementing the gas separation process according to the invention comprises a compressed air treatment module and an adsorption module set which comprises a first adsorption module for separating N2, a second adsorption module for separating O2 and a third adsorption module for separating CO2.
  • a modular gas separation device system for carrying out the gas separation process according to one of claims 1 to 6 comprises the module set for a gas separation device, wherein the compressed air preparation module comprises a filter device, a compressor, a dryer unit and a compressed air storage unit, and each adsorption module of the adsorption module set includes an adsorption device, a gas line device, a connection device and control electronics.
  • the adsorption module for obtaining N2 can be a first adsorption module
  • the adsorption module for obtaining O2 can be a second adsorption module
  • the adsorption module for obtaining CO2 can be a third adsorption module, which together are adsorption modules.
  • the adsorption modules must be designed so that they can function in different combinations of different adsorption modules.
  • a combination can, for example, be a device which contains a compressed air treatment module, an adsorption module for the production of N2, i.e., for example, a first adsorption module, and an adsorption module for the production of CO2, i.e., for example, a third adsorption module.
  • Yet another combination can be a device which contains a compressed air treatment module, an adsorption module for the production of O2, for example a second adsorption module, and an adsorption module for the production of CO2, for example a third adsorption module.
  • a further combination can be a device which contains a compressed air preparation module, an adsorption module for obtaining N2, for example a first adsorption module, and an adsorption module for obtaining O2, for example a second adsorption module.
  • a further combination can be a device which contains a compressed air preparation module, an adsorption module for obtaining N2, for example a first adsorption module, and an adsorption module for obtaining O2, for example a second adsorption module.
  • a further combination can be a device which contains a compressed air preparation module and an adsorption module for obtaining CO2, for example a third adsorption module. Further combinations, also for obtaining further products, are possible according to the invention.
  • a combination can also be called a production line.
  • Each module includes components that enable the storage of gas, such as pipelines, which can also be called gas lines or pipes, or gas storage, which can also be called gas tanks, tanks or reservoirs.
  • a reservoir can also be a compressed air reservoir or a product reservoir.
  • Each adsorption module comprises in particular one or more product storage units.
  • a storage unit is a container that can hold a gas at a higher, equal or lower pressure than the ambient air.
  • Each module comprises components that allow a gas flow to be regulated, such as valves, connections or similar.
  • connections are connection devices that can be connected to a pipeline and through which gases or substances can flow from the outside into the module and out of the module.
  • Each module can contain sensors, for example gas sensors.
  • Each module can contain control electronics.
  • Each module may include components that can receive and interpret control signals from an external circuit.
  • Each module may optionally include a device that allows a user to control the process performed by the module.
  • Each module may include air filters to remove dust, soot or other foreign matter from gas.
  • Each module may include compressors to increase the pressure of gases.
  • Each module may include dryer units to remove water or water vapor from gas.
  • modules can be combined, with initial compressed air preparation, for example using the compressed air preparation module, and compression of the raw gas to, for example, 7 bar, although higher or lower pressures are possible.
  • initial compressed air preparation for example using the compressed air preparation module
  • compression of the raw gas to, for example, 7 bar, although higher or lower pressures are possible.
  • the raw gas is passed on in stages in the adsorption columns in a regulated manner. Modular combinations can provide a production line to cover local demand for technical gases, N2, O2, CO2, in the required concentration, quantity and purity.
  • the sorbent beds in adsorption modules for the production of N2 can be filled with activated carbon and/or carbon granules.
  • the sorbent beds in adsorption modules for the production of O2 can be filled with zeolites.
  • O2 and CO2 molecules are adsorbed by the activated carbon under fluid pressure and N2 can flow into the product storage as a product.
  • zeolite adsorbs the N2 molecules and O2 can flow into the product storage as a product. The flow rate influences the concentration of the remaining gas mixture, which can be tapped off from the producing sorbent bed.
  • Embodiments are also possible in which at least one of the adsorption modules comprises a vacuum pump.
  • a vacuum for example generated by a vacuum pump, the desorption phase in a sorbent bed can be extended and thus the heavier component can be removed more effectively from the sorbent bed.
  • each adsorption module of the adsorption module set is intended to further process a reduced raw gas from another adsorption module arranged in series, wherein the reduced raw gas is produced by separating at least one of O2, N2 or CO2 from the raw gas.
  • a reduced raw gas is a raw gas from which a gas component or components have been removed.
  • raw gas has the composition of the ambient air
  • singly reduced raw gas has the composition of the ambient air with a reduced proportion of O2 or N2 or CO2
  • doubly reduced raw gas has the composition of the ambient air with a reduced proportion of two of O2, N2 or CO2.
  • Each adsorption module can be designed in such a way that it can further process reduced raw gas from any other adsorption module in order to separate further products from the raw gas in successive process steps.
  • each module has an external casing and/or an internal structure.
  • an external casing By keeping each module in its own casing, with a self-sufficient mechanical structure, the service life of the module components can be extended by minimizing external influences.
  • the shape of the module can be made compact, allowing easier transport and installation at the destination.
  • An internal structure is a frame or scaffolding to which the components that make up the module, particularly the adsorption devices in adsorption modules, are attached.
  • a compact process technology can achieve more flexibility in terms of setting the purity level of the necessary gases. In addition, the process can be more efficient in terms of energy balance.
  • the gas separation device system also comprises one or more separation modules which are designed to obtain further products which comprise H2 or argon.
  • the separation modules can be designed in that the further products are separated from the reduced raw gas by further application of suitable adsorption methods.
  • the further products are obtained from the reduced raw gas by means of other methods, for example membrane methods, distillation methods, chemical separation methods or other suitable methods.
  • These separation methods can also include centrifugal methods which separate different gases by means of a different density, or cryogenic or refrigeration methods which, for example, use different condensation temperatures of different gases, or membrane methods.
  • the separation modules can separate further products from a Raw gas or reduced raw gas from which N2, O2 or CO2 have already been separated by the adsorption modules.
  • each adsorption device comprises two columns which are designed to carry out one of the adsorption processes in parallel to one another in order to generate a continuous product flow.
  • An adsorption device can be referred to as a PSA unit. This can be achieved by having one column go through an adsorption phase while a second column goes through a desorption or regeneration phase. When the adsorption phase reaches saturation, which can be determined by measuring using appropriate sensors, for example using a gas measuring device, the first column is transferred from the adsorption phase to the desorption phase and the second column is transferred from the desorption phase to the adsorption phase by means of a control system.
  • a portion of the product can be used to flush the bed in order to avoid contamination.
  • At least one adsorption device is set up for adjusting the degree of purity.
  • a degree of purity adjustment can be achieved by measuring the concentration of a preferably adsorbed component, i.e. a heavier component, at the outlet of a sorbent bed in an adsorption phase, and as soon as a corresponding concentration is measured, the column containing the sorbent bed is transferred to the desorption phase.
  • a device module set according to the invention for obtaining products from ambient air comprises a compressed air preparation module and at least one of the modules of the adsorption module set.
  • a gas separation device according to the invention for obtaining products from ambient air comprises the device module set.
  • Fig. 1 schematically shows three embodiments of a gas separation process according to the invention and devices according to the gas separation device system according to the invention;
  • Fig. 2 shows a schematic detailed representation of a device according to the gas separation device system according to the invention in an embodiment with two modules;
  • Fig. 3 schematically shows a detailed representation of a device according to the gas separation device system according to the invention in an embodiment with four modules.
  • a method according to the invention is to be understood as the method carried out by the device shown in each case.
  • the verb "connected” is to be understood as a pipe connection that is designed so that a gas or a liquid can flow from a first component, assembly or part to a second component, assembly or part that is connected to the first component, assembly or part.
  • FIG. 1a A first embodiment of a gas separation process according to the invention and of a gas separation device 10 according to the gas separation device system according to the invention for carrying out the process is shown in Fig. 1a).
  • the device comprises a compressed air preparation module 11, a first adsorption module 12 for obtaining N2 including purity level adjustment and a second adsorption module 13 for obtaining O2 including purity level adjustment.
  • the modules here the compressed air preparation module 11, the first adsorption module 12 for obtaining N2 including purity level adjustment and the second adsorption module 13 for obtaining O2 including purity level adjustment, are to be understood according to the invention as self-contained components which can be connected to one another in different ways as required.
  • the compressed air preparation module 11 initially sucks in ambient air.
  • the task of the The compressed air preparation module 11 is a preparation of the sucked-in raw gas for further processing.
  • the preparation can include filtering by passing through a filter device to remove solids such as dust or soot particles and the like, so that a filtered raw gas is produced.
  • the processing may also include optional drying of the raw gas to remove water molecules.
  • the drying may be done using a suitable drying device that removes water molecules from the raw gas using a drying process.
  • the drying process may, for example, be a membrane process that involves passing through a hollow fiber membrane or the like.
  • the drying process may also be an adsorption process or a condensation process. The drying produces a dried raw gas.
  • the processing also includes compression of the raw gas using a compression device, for example an axial compressor. Compression can take place before or after drying. Compression produces a compressed raw gas. Suction, filtering, drying and compression together represent processing processes.
  • the compressed raw gas can also be referred to as processed raw gas.
  • the compressed air processing module 11 can also comprise one or more compressed air reservoirs in which the processed raw gas is temporarily stored in order to be available for subsequent processing steps.
  • the compressed air processing module 11 also comprises connection devices by means of which the processed raw gas can be discharged from the compressed air processing module 11.
  • the connection devices can be designed to be lockable.
  • the compressed air processing module 11 can also comprise discharge devices for the waste products of the processing processes.
  • first adsorption modules In the following, first adsorption modules, second adsorption modules, etc. are understood as embodiments of adsorption modules in general.
  • the processed raw gas provided by the compressed air processing module 11 is further processed by the first adsorption module 12.
  • the processed raw gas can be, for example, Pipeline into the first adsorption module.
  • the first adsorption module 12 shown here as an example comprises an adsorption device which recovers N2 from the processed raw gas by means of an adsorption process.
  • the adsorption device comprises one or more, for example two, reactor beds which are filled with a suitable sorbent material and which can be loaded with the raw gas.
  • the adsorption device comprised by the first adsorption module 12 is designed so that a purity level setting can be carried out. Depending on the selected purity level setting, N2 can be recovered as the first product with the selected purity level from the processed raw gas.
  • the first adsorption module 12 recovers N2 from the processed raw gas.
  • the first adsorption module 12 can comprise a tank in which the recovered N2 is stored as the first product.
  • the processed raw gas which has been reduced by one product, here for example N2 in the selected purity, can be referred to as singly reduced raw gas. Since the ambient air from which the processed raw gas was obtained consists of approximately 78% (molar fraction) N2, the molar fraction of those components that are not N2 in singly reduced raw gas is proportionally higher than in the ambient air. Because the starting point for further processing steps is not a gas similar to the processed raw gas, but rather a singly or multiply reduced raw gas, the efficiency of gas extraction and the energy efficiency of gas extraction in subsequent adsorption processes can be increased.
  • Embodiments are possible in which an adsorption module according to the invention that is the same as the first adsorption module 12 shown here as an example is not loaded with processed raw gas, but with raw gas that has been reduced once or several times and has already been processed by other adsorption modules according to the invention.
  • the raw gas that has been reduced once here, for example, is then further processed in a second adsorption module 13.
  • the second adsorption module 13 shown here as an example comprises an adsorption device which extracts O2 from the simply reduced raw gas by means of an adsorption process.
  • the adsorption device comprises one or more, for example two, reactor beds which are filled with a suitable sorbent material and which can be loaded with the raw gas.
  • the adsorption device comprised by the second adsorption module 13 is designed such that a purity level adjustment can be carried out. Depending on the selected purity level setting, O2 can be obtained as a second product with the selected purity level from the singly reduced raw gas.
  • the second adsorption module 13 obtains O2 from the singly reduced raw gas.
  • the second adsorption module 13 can comprise a tank in which the obtained O2 is stored as a second product.
  • the singly reduced raw gas which has been reduced by one product, here for example O2 in the selected purity, can be referred to as doubly reduced raw gas. Since the molar proportion of O2 in the singly reduced raw gas is higher than in the ambient air, the molar proportion of those components that are not O2 is proportionally higher in doubly reduced raw gas compared to singly reduced raw gas.
  • Each adsorption module 12, 13 comprises connecting devices by means of which the product and the reduced raw gas can be discharged from the adsorption module.
  • a gas separation device 10 according to the invention which operates according to the gas separation process according to the invention and is shown in Fig. 1a), produces N2 as the first product, O2 as the second product and a gas mixture which has a greatly increased molar proportion of CO2 as the third product.
  • FIG. 1b A second embodiment of a gas separation process according to the invention and of a gas separation device 10 according to the gas separation device system according to the invention for carrying out the process is shown in Fig. 1b).
  • the device comprises the compressed air preparation module 11, the first adsorption module 12 for obtaining N2 including purity level adjustment, the second adsorption module 13 for obtaining O2 including purity level adjustment and a third adsorption module 14 for obtaining CO2 including purity level adjustment.
  • the raw gas is processed in the same way as in the embodiment shown in Fig. 1a), but the twice reduced raw gas is further processed in the third adsorption module 14.
  • the third adsorption module 14 shown here as an example comprises an adsorption device which uses an adsorption process to obtain CO2 from the twice reduced raw gas.
  • the adsorption device comprises one or more, for example two, reactor beds which are filled with a suitable sorbent material and which can be loaded with the raw gas.
  • the adsorption device comprised by the third adsorption module 14 is designed so that a Purity level setting can be made.
  • CO2 can be obtained as a third product with the selected purity level from the twice reduced raw gas.
  • the third adsorption module 14 obtains O2 from the twice reduced raw gas.
  • the third adsorption module 14 can comprise a tank in which the obtained CO2 is stored as a third product.
  • the singly reduced raw gas which has been reduced by one product, here for example CO2 in the selected purity, can be referred to as triply reduced raw gas. Since the molar proportion of CO2 in the twice reduced raw gas is higher than in the ambient air, the molar proportion of those components that are not CO2 is proportionally higher in triply reduced raw gas compared to singly reduced raw gas.
  • the triply reduced raw gas produced in this way then has, for example, an increased concentration of argon, which can be obtained in further process steps, for example as a fourth product.
  • a system designed according to the embodiments becomes more efficient because gas separation has already taken place in the compressed air treatment module 11, which can lead to a higher selectivity of the gas separation in the first adsorption module 12.
  • FIG. 1c A third embodiment of a gas separation process according to the invention and a gas separation device 10 according to the gas separation device system according to the invention for carrying out the process is shown in Fig. 1c).
  • the device comprises the compressed air processing module 11 and the third adsorption module 14 for obtaining CO2 including purity adjustment.
  • CO2 is obtained as the third product directly from the processed raw gas.
  • a fourth embodiment of a gas separation process according to the invention and of a gas separation device 10 according to the gas separation device system according to the invention for carrying out the process is shown schematically in greater detail in Fig. 2).
  • the embodiment shown here is, for example, analogous to that shown in Fig. 1c).
  • a gas separation device 10 according to the invention can comprise two modules. In the embodiment shown here, one module is the compressed air preparation module 11 and one module is the third adsorption module 14 for the extraction of CO2 including purity level adjustment.
  • the compressed air preparation module 11 consists of an intake point with a filter device 111, with which dust particles are removed from the air, a compressor 112, a dryer unit 113 and an air reservoir 114, in which the compressor continuously compresses the ambient air taken in to a preset pressure; the preset pressure can be 7 bar, for example. Additional fitting elements such as valves, water separators 115, etc. can be attached to the air reservoir 114.
  • a line 116 is formed, with which processed raw gas, which is not intended for further processing by the gas separation device 10, can be transported to external consumers.
  • the processed raw gas is fed to the third adsorption module 14 via a further line 117.
  • the adsorption module 14 can be designed in different ways.
  • the adsorption module 14 contains a primary stage 141 and a secondary stage 142.
  • a residual dehumidification unit 143 which carries out further air dehumidification using various drying agents, for example silica gel, aluminum oxide compounds, etc., can optionally be used before the primary stage 141.
  • the use of a residual dehumidification unit 143 can ensure that the gas used to extract CO2 has as little residual moisture as possible, thereby protecting the sorbent materials used from absorbing water.
  • a product reservoir 144 is formed on the secondary stage, to which a high-pressure compressor including bundle 145 is optionally connected.
  • the CO2 obtained which is stored in the product reservoir 144, is then either passed on to the external consumer via a line 146 or compressed in the bundle using a high-pressure compressor 147 to e.g. 150 bar.
  • the primary stage 141 contains a PSA unit 148, which is designed accordingly and can work completely independently of the compressed air preparation module 11.
  • the PSA unit contains two separately regulated and controlled columns 149, 1410, which in turn contain lines, valves, sensors, etc.
  • the operation of the primary stage 141 is designed for continuous operation, so that the first column 149 runs through an adsorption phase, while at the same time the second column 1410 runs through a desorption or regeneration phase.
  • the adsorption phase has reached saturation in the first column 149 or in the second column 1410, which can be measured by appropriate sensors, for example a Gas measuring device
  • the first column 149 is transferred from the adsorption phase to the desorption phase and the second column 1410 from the desorption phase to the adsorption phase by means of a control system.
  • Both columns 149 and 1410 are filled with a sorbent material or with a recipe that is composed of several types of sorbent material.
  • the sorbent material is flowed through or wetted from bottom to top with dried raw gas. While the adsorption, i.e. in the present embodiment the binding of the CCh molecules, takes place by means of the sorbent material, the remaining volume flow is passed on from the first column 149 through a central compressed air line 1411 to the external consumer with the aid of the switching of valves provided for this purpose.
  • the air reservoir 114 is in particular a reservoir which is suitable for storing gases under high pressures compared to the ambient pressure.
  • the air reservoir 114 can therefore also be referred to as a compressed air reservoir 114.
  • the light component here N2, O2, etc.
  • the heavy component which was obtained as CO2 in the primary stage, is passed on to the secondary stage 142.
  • CO2 is continuously separated from the raw gas and CO2 is obtained.
  • CO2 selectivity can be provided.
  • the adsorption process can include an adsorption phase alternating between the first column and the second column, in which a pressure of up to 6 bar is used.
  • the pressure in the desorption phase can, for example, be between 1 bar and 0.001 bar.
  • the secondary stage 142 can comprise a first column 1414 and a second column 1415.
  • a further separation station (not shown) can be provided, which allows the separation of undesirable gas components (residual O2, N2, etc.). This separation can be less complex than the separation of pure ambient air.
  • the system can provide for the use of processes which differ from the adsorption process.
  • membrane processes etc. can be provided, with which a desired degree of purity of, for example, 2.0 to 5.0 of CO2 can be set.
  • a vacuum pump 1413 can be provided, with which a negative pressure can be generated in both columns 1414 and 1415.
  • the secondary stage can be designed to carry out a variothermal process TSA (temperature swing adsorption) and/or TPSA (temperature pressure swing adsorption), with which the CCh extraction can be improved.
  • TSA temperature swing adsorption
  • TPSA temperature pressure swing adsorption
  • an integrated heating element (not shown) for tempering the sorbent material can be provided at positions 149a and 1410a.
  • the heat used by the heating element can be obtained from different sources. For example, the use of waste heat from the compressors by means of heat exchangers or electrical reheating is conceivable.
  • a degree of purity of the CO2 extraction can be set from 2.0 to 5.0.
  • Downstream selectivity techniques can be used.
  • electrochemical catalysts, hollow fiber membrane technology and the like can be used as downstream selectivity techniques.
  • a fifth embodiment of a gas separation process according to the invention and of a gas separation device 10 according to the gas separation device system according to the invention for carrying out the process is shown schematically in greater detail in Fig. 3.
  • the gas separation device shown in Fig. 3 contains four modules.
  • the first module is the compressed air preparation module 11, the second module is the first adsorption module 12, the third module is the second adsorption module 13, the fourth module is a second embodiment of the third adsorption module 14, which is referred to below as the third adsorption module 16.
  • the first adsorption module 12 is designed for the extraction of N2
  • the second adsorption module 13 is designed for the extraction of O2
  • the third adsorption module 16 is designed for the extraction of CO2.
  • the compressed air preparation module 11 consists of an intake point with a filter device 111, which removes dust particles from the air, a compressor 112, a dryer unit 113 and an air reservoir 114, in which the compressor continuously compresses the ambient air taken in to a preset pressure.
  • the preset pressure can be 7 bar, for example.
  • Additional fitting elements such as valves, water separators, etc. 115 can be attached to the air reservoir 114.
  • a second air reservoir 114a can be provided parallel to the air reservoir 114. In the embodiment shown here, the second air reservoir 114a is connected by a separate circuit, which ensures that both air reservoirs 114, 114a can work independently of one another. Additional fitting elements such as valves and water separators 115 can be attached to the air reservoir.
  • a line 116 is formed on the upper side of the air reservoir 114a, with which processed raw gas, which is not intended for further processing by the gas separation device 10, can be transported to external consumers. Consequently, the raw gas stored in the air reservoir 114a is intended for forwarding to the external consumers. Processed raw gas is forwarded to the first adsorption module 12 via a further line 117. The line 117 is not connected to the air reservoir 114a.
  • the compressed air processing module 11 represents a first stage in which the raw gas sucked in from the ambient air is processed.
  • the first adsorption module 12 represents a second stage in which N2 is obtained from the processed raw gas.
  • a residual dehumidification unit 118 can optionally be provided between the compressed air treatment module 11 and the first adsorption module 12 in order to remove any water residues from the treated raw gas before further processing.
  • the first adsorption module 12 contains a PSA unit 121 and a product storage 122, which in the embodiment presented here is intended for the storage of N2.
  • the PSA unit 121 and the first adsorption module 12 are designed according to the invention so that they can work independently and autonomously from other modules, in particular from the compressed air preparation module 11 and other adsorption modules, i.e. can carry out the adsorption process.
  • the PSA unit contains a first column 123 and a second column 124, which can be regulated and controlled separately from one another, with lines, valves, sensors and other components being provided accordingly.
  • the operation of the first adsorption module 12 is designed for continuous operation, so that the first column 123 goes through an adsorption phase, while at the same time the second column 124 goes through a desorption or regeneration phase.
  • the adsorption phase has reached saturation, here for example with O2 and CO2
  • the first column 123 or in the second column 124 which can be determined by measurement using appropriate sensors, for example a gas measuring device, the first column 123 is transferred from the adsorption phase to the desorption phase and the second column 124 is transferred from the desorption phase to the adsorption phase by means of a control system.
  • Both columns 123 and 124 are filled with a sorbent material or with a recipe that is composed of several types of sorbent material.
  • the sorbent material is flowed through or wetted with dried raw gas from bottom to top. While the adsorption, i.e. in the present embodiment the separation of molecules of O2 and CO2, takes place by means of the sorbent material, the remaining volume flow enriched with N2 is removed as a product by means of the switching of valves provided for this purpose, for example from the first column 123 or the second column
  • N2 is separated and stored as a light component or as a product or made available to the external consumer.
  • the simply reduced raw gas produced in this way which has an increased molar concentration of O2, CO2, H2 and possibly other gases due to the separation of N2 and is a heavy component, is not released into the ambient air as a waste product, but is further processed.
  • the simply reduced raw gas is passed on to the second adsorption module 13.
  • an additional compressor or intermediate compressor can optionally be installed.
  • the second adsorption module 13 contains a PSA unit 131 and a product storage 132, which in the embodiment presented here is intended for the storage of O2.
  • the PSA unit 131 and the second adsorption module 13 are designed according to the invention so that they can work independently and autonomously from other modules, in particular from the compressed air preparation module 11, the first adsorption module 12 and other adsorption modules, i.e. can carry out the adsorption process.
  • the PSA unit contains a first column 133 and a second column 134, which can be regulated and controlled separately from one another, with lines, valves, sensors and other components being provided accordingly.
  • the operation of the second adsorption module 13 is designed for continuous operation, so that the first column 133 goes through an adsorption phase, while at the same time the second column 134 goes through a desorption or regeneration phase.
  • the adsorption phase has reached saturation, here for example with CO2 and/or H2
  • a control system transfers the first column 133 from the adsorption phase to the desorption phase and the second column 134 from the desorption phase to the adsorption phase.
  • Both columns 133 and 134 are filled with a sorbent material or with a recipe that is composed of several types of sorbent material.
  • the sorbent material is flowed through or wetted with dried raw gas from bottom to top. While the adsorption, i.e. in the present embodiment the separation of molecules of CO2, H2 and any residues of N2, takes place by means of the sorbent material, the remaining volume flow enriched with O2 is passed on as a product with the help of the switching of valves provided for this purpose, for example from the first column 133 or the second column 134 through a line to the external consumer.
  • a product reservoir 132 can be provided into which the product is introduced.
  • N2 is separated and stored as a light component or as a product or made available to the external consumer.
  • the doubly reduced raw gas produced in this way which has an increased molar concentration of CO2, H2 and possibly other gases due to the separation of O2 from the singly reduced raw gas and is a heavy component, is not released into the ambient air as a waste product, but is further processed.
  • the simply reduced raw gas is passed on to a third adsorption module 16.
  • the third adsorption module 16 shown here is an alternative embodiment of the third adsorption module 14.
  • the third adsorption module 16 contains a PSA unit 161 and a product storage 164, which in the exemplary embodiment presented here is intended for the storage of CO2.
  • the third adsorption module contains a high-pressure compressor including bundle 165.
  • the PSA unit 161 and the third adsorption module 16 are designed according to the invention such that they can work independently and autonomously from other modules, in particular from the compressed air preparation module 11, the first adsorption module 12 and the second adsorption module 13 and possibly other adsorption modules, i.e. can carry out the adsorption process.
  • the PSA unit includes a first column 162 and a second column 163, which can be controlled and operated separately from one another, with lines, valves, sensors and other components being provided accordingly.
  • the operation of the third adsorption module 16 is designed for continuous operation, so that the first column 162 goes through an adsorption phase, while at the same time the second column 163 goes through a desorption or regeneration phase.
  • the adsorption phase has reached saturation, here for example with CO2
  • the first column 162 or in the second column 163 which can be determined by measurement using appropriate sensors, for example a gas measuring device, the first column 162 is transferred from the adsorption phase to the desorption phase and the second column 163 is transferred from the desorption phase to the adsorption phase by means of a control system.
  • Both columns 162 and 163 are filled with a sorbent material or with a recipe that is composed of several types of sorbent material.
  • the sorbent material is flowed through or wetted with dried raw gas from bottom to top. Since in the embodiment presented here the inflowing gas is a twice reduced raw gas that has already been reduced by N2 and O2, an increased molar proportion of CO2 is to be expected in the twice reduced raw gas.
  • the sorbent material can be selected and used in such a way that any residues of N2 or O2 remaining in the twice reduced raw gas behave like heavy components.
  • the CO2 obtained can be passed on as a product to the external consumer or stored in the product storage 164, or the product can also be compressed to 150 bar, for example, using a compressor in the optional bundle 165.
  • a sorbent material can be used in the PSA unit 161 in which CO2 behaves as a heavy component, i.e. is adsorbed in the sorbent material, whereby the light component, for example H2, can be separated and can be passed on as a product to a product storage facility 15.
  • a gas separation device 10 designed in accordance with the device system according to the invention allows the recovery of H2, N2, O2 and CO2 as products.
  • a purity level setting can be provided in the adsorption modules in particular.
  • the purity level of the N2 recovery can be set from 2.0 to 6.0.
  • Downstream selectivity techniques can be used.
  • the purity level of the O2 recovery can be set from 2.0 to 5.0.
  • Downstream selectivity techniques can be used.
  • the purity level of the CO2 recovery can be set from 2.0 to 5.0.
  • Downstream selectivity techniques can be used.
  • the downstream Selectivity techniques, electrochemical catalysts, hollow fiber membrane technology and the like may be provided,
  • a vacuum pump 166 is provided in the third adsorption module 16, so that the process in the desorption phase can be positively influenced.
  • the secondary stage can be designed to carry out a variothermal process TSA (temperature swing adsorption) and/or TPSA (temperature pressure swing adsorption), with which the CCh extraction can be improved.
  • TSA temperature swing adsorption
  • TPSA temperature pressure swing adsorption
  • integrated heating elements can be provided at positions 126 and 135 to control the temperature of the sorbent material.
  • the heat used by the heating elements can be obtained from different sources. For example, the use of waste heat from the compressors by means of heat exchangers or electrical reheating is conceivable.

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Abstract

Ein modulares Gastrennverfahren zur Gewinnung von Produkten aus einer Umgebungsluft mittels Modulen eines modularen Gastrennvorrichtungssystems, umfassend Ansaugen eines Rohgases aus der Umgebungsluft und Abscheiden von O2 als erstes Produkt, N2 als zweites Produkt und CO2 als drittes Produkt aus dem Rohgas, wobei das Abscheiden der Produkte durch ein oder mehrere Adsorptionsverfahren geschieht, um das erste Produkt, das zweite Produkt und/oder das dritte Produkt zur Weiterverwendung zur Verfügung zu stellen, wobei das Verfahren so angepasst werden kann, dass die Produkte in einer gewünschten Reinheit, in einer gewünschten Menge und/oder in einer gewünschten Komposition zur Verfügung gestellt werden können, und die Adsorptionsverfahren Druckwechseladsorptionsverfahren beinhalten. Ein Gastrennvorrichtungssystem zur Umsetzung des Gastrennverfahrens und eine Gastrennvorrichtung basierend auf dem Gastrennvorrichtungssystem.

Description

Beschreibung
„Modulares Gastrennverfahren, modulares Gastrennvorrichtungssystem und modulare Gastrennvorrichtung“
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von technischen Gasen aus der Umgebungsluft sowie eine modulare Vorrichtung zur Umsetzung dieses Verfahrens.
Hintergrund der Erfindung
Aufgrund der Kosten, welche mit der Bereitstellung technischer Gase auf dem Markt verbunden sind, sowie der Gefahr der Verknappung oder dem Abbruch von Lieferketten, ist es vorteilhaft, Industriebetriebe in die Lage zu versetzen, technische Gase, insbesondere Disauerstoff, Distickstoff und Kohlenstoffdioxid mittels einem geeigneten Verfahren und einer geeigneten Vorrichtung, lokal und bedarfsgerecht in Menge und Typ der Gase aus der Umgebungsluft zu gewinnen.
Druckwechsel-Adsorption (PSA, Pressure Swing Absorption) ist ein physikalisches Verfahren zur Trennung von Gasgemischen unter Druck mittels eines Adsorbermaterials (auch: Sorbentmaterial) welches eine poröse Struktur aufweist. Adsorption bezeichnet die Eigenschaft von Gasen, Flüssigkeiten oder gelösten Festkörpern, sich an eine Oberfläche eines Festkörpers anzulagern. Die Trennung eines Gasgemischs beruht dabei auf einem von zwei bekannten physikalischen Prinzipien. Das erste bekannte Prinzip ist die der Trennung aufgrund der Gleichgewichtsadsorption. Unterschiedliche Gase haben eine unterschiedlich starke Tendenz, sich an bestimmten Festkörpern anzulagern. Moleküle, die sich an einer Oberfläche anlagern, haben eine Tendenz, sich aufgrund von thermischer Molekularbewegung wieder von dieser Oberfläche zu lösen. Je nach Beschaffenheit der Oberfläche und der Gasmoleküle stellt sich ein Gleichgewicht ein, in welchem in einem Zeitraum eine gleich große Anzahl von Gasmolekülen an der Oberfläche anlagert und von ihr löst, ein, sodass die Gesamtzahl, bzw. Konzentration, der Moleküle, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt an der Oberfläche angelagert bzw. adsorbiert sind, konstant ist. Die Gleichgewichtsadsorption macht sich zunutze, dass dieses Gleichgewicht sich für unterschiedliche Gase sich bei gleichen Rahmenbedingungen bei einer jeweils unterschiedlichen Konzentration einstellt. Es wird also eine der zu trennenden Komponenten stärker adsorbiert als eine andere und dadurch findet eine Anreicherung der schlechter adsorbierten Komponente in der Gasphase statt.
Das zweite Prinzip ist die Trennung aufgrund der Molekularsiebwirkung. Ein Molekularsieb ist ein poröses Material, welches von Molekülen oberhalb einer bestimmten Größe schlechter durchdrungen wird. Ein zweites Gas des Gasgemisches, mit einer kleineren Molekülgröße durchdringt die poröse Struktur des Sorbentmaterials schneller. Wird Sorbentmaterial in einem Reaktorbett von einem Gasgemisch durchströmt, so benötigen die Moleküle und Atome, die schlechter in die Poren eindringen, weniger Zeit um vorbeizuströmen, gelangen also in höherer Konzentration zum Ausgang des Reaktorbetts.
Verfahren, die sich einem der beiden Prinzipien bedienen, erlauben die Trennung von Gasgemischen. In einem Trennverfahren wird in einem ersten Prozessschritt ein Gasgemisch, welches aus mehreren Komponenten (Gasen) besteht, unter erhöhtem Druck (ca. 6-10 bar) oder bei höheren Arbeitsdrücken in den Eingang eines mit Sorbentmaterial gefüllten Reaktors (auch: Reaktorbett oder Sorbentbett) eingeleitet, sodass das Gasgemisch das Sorbentmaterial durchströmt. Eine oder mehrere Komponenten des Gemisches werden dabei an dem Sorbentmaterial bevorzugt adsorbiert (auch: die „schwere Komponente“). Die nicht bevorzugt adsorbierte Komponenten (auch: die „leichte Komponente“) kann an einem ersten Ausgang des Reaktorbetts entnommen werden. Nachdem eine bestimmte Menge Gasgemisch in das Reaktorbett eingeleitet wurde, stellt sich eine Situation ein, in welcher das Sorbentmaterial eine Konzentration der schwereren Komponente adsorbiert hat, sodass weitere Adsorption nicht mehr möglich ist. Das Reaktorbett ist dann gesättigt und es tritt am ersten Ausgang neben der leichten Komponente auch ein Teil der schweren Komponente aus.
In einem zweiten Prozessschritt kann eine Regeneration stattfinden. Dazu wird der erste Ausgang für die leichte Komponente geschlossen und ein zweiter Ausgang für die schwere Komponente geöffnet. Dies ist begleitet von einer schnellen Druckabsenkung. Der niedrigere Druck bewirkt, dass das adsorbierte Gas wieder desorbiert wird und am zweiten Ausgang abgegriffen werden kann.
Abwandlungen der PSA-Technik beinhalten die Nutzung einer Vakuumpumpe um größere Druckdifferenzen zwischen dem ersten und zweiten Prozessschritt zu erreichen. In diesem Fall kann die Methode auch als VSA (Vacuum Swing Adsorption) bezeichnet werden. Wenn man die Arbeitsdrücke über Atmosphärendruck und darunter einsetzt, kann von VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) gesprochen werden. Das Verfahren kann sich auch unterschiedliches Verhalten von Gasen und Sorbentmaterial bei höheren Temperaturen zunutze machen. In diesem Fall spricht man auch von TSA (Temperature Swing Adsorption).
Herkömmliche Luftzerlegungsanlagen arbeiten mit zwei Druckbehältern, wodurch kein gleichbleibender und kontinuierlicher Austritt an Stickstoff möglich ist, sondern sich eine signifikante Unterbrechung im Produktionsstrom ergibt. Damit ein konstanter Austritt möglich ist müssen zwingend sowohl ein Druckluftspeicherbehälter stromaufwärts der Druckbehälter, als auch ein Gasspeicherbehälter stromabwärts der Druckbehälter installiert sein.
Eine herkömmliche Druckwechseladsoptionsanlage zur Abscheidung von Sauerstoff aus Umgebungsluft wird beispielsweise in DE 102012 010292 A1 beschrieben. Eine solche Druckwechseladsorptionsanlage besteht aus zwei Druckbehältern, einer Druckluftversorgung sowie einem Druckluftspeicherbehälter und einem Gasspeicherbehälter. Von einer Druckluftversorgung strömt Öl-freie, saubere Druckluft in den Druckluftspeicherbehälter und von dort je nach einer Stellung der Einlassventile durch einen der beiden Druckbehälter hindurch.
EP 3 613492 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abtrennen von O2, aus N2 und/oder Ar aus Luft. Das Verfahren verwendet mindestens fünf Adsorptionsbetten, die kinetisch selektive Adsorptionsmittel für O2 umfassen. Die Adsorption und Anreicherung von CO2 wird nicht erwähnt. In der Patentliteratur 2 wird eine Druckwechseladsorptionsanlage zum ausschließlichen Trennen von N2 und O2 eines Gasgemisches genannt.
Die ebenfalls aus nur zwei parallelen Adsorbern aufgebaute Druckwechseladsorptionsanlage der EP 2 365 860 B1 ist zur Herstellung von Sauerstoff aus der Luft geeignet und zeichnet sich durch sehr kurze Zykluszeiten und einen geringeren Energieverbrauch aus.
US 6 171 371 B1 beschreibt ein Druckwechseladsorptionsverfahren auf der Basis von zwei Druckbehältern zum Abtrennen O2 und N2 aus Luft unter zusätzlicher Nutzung von Vakuum.
In EP 0 705636 B1 wird ein Verfahren zur Sauerstofferzeugung beschrieben, das auf der Zusammenarbeit der Druckwechseladsorptions-Stickstofferzeugung und der chemischen Luftzerlegung (GLAS - Chemical Looping Air System) basiert. In dem beschriebenen Verfahren wird komprimierte Luft in ein PSA-System eingeführt, um O2, CO2 und Feuchtigkeit zu adsorbieren, um N2 mit einer Reinheit > 95% zu erhalten. Die adsorbierten Komponenten werden durch Druckaufbau und Druckreduzierung auf Normaldruck entfernt, um sauerstoffangereichertes Restgas (28-32% O2) zu bilden und das Adsorbens zu regenerieren. Das PSA-desorbierte sauerstoffangereichertes Restgas wird einem CLAS-System zugeführt, um die Sauerstoffabsorption zu vervollständigen. Allerdings handelt es sich nicht um ein reines PSA-Verfahren, denn es ist mit einer chemischen Luftzerlegung kombiniert.
Herkömmliche Verfahren beinhalten insbesondere eine Abtrennung von N2 und O2 aus Luft und die Gewinnung von reinem N2 und O2 mit Hilfe der Druckwechseladsorption.
Dagegen beinhalten herkömmliche Verfahren CC>2-Abtrenn und -Aufkonzentration aus industriellen Abgasströmen. Beispielsweise beschreibt EP 2 861 325 B1ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem N2 und CO2 aus einem heißen Abgasstrom (T = 400-500°C).
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gastrennverfahren bereitzustellen, der welches die optimierte Abtrennung von N2, O2 und CO2 aus der Umgebungsluft mittels Druckwechseladsorption erlaubt und diese als technische Gase zur Verfügung stellt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vorrichtungssystem bereitzustellen, welche in der Lage ist, das erfindungsgemäße Gastrennverfahren lokal und bedarfsgerecht in Menge und Typ der technischen Gase umzusetzen.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Gastrennverfahren nach unabhängigem Anspruch 1, einen Modulsatz für eine Gastrennvorrichtung nach Anspruch 7, ein Gastrennvorrichtungssystem nach Anspruch 8, einen Vorrichtungsmodulsatz nach Anspruch 14 und eine Gastrennvorrichtung nach Anspruch 15 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden bezeichnet nach der gängigen Praxis der Begriff „N2“ die chemische Verbindung Distickstoff, der Begriff „O2“ die chemische Verbindung Disauerstoff und „CO2“ die chemische Verbindung Kohlenstoffdioxid. Weiters bezeichnet „H2“ die chemische Verbindung Diwasserstoff und „Ar“ das chemische Element Argon. Der Aggregatzustand der jeweiligen Verbindung kann im Folgenden zwischen gasförmig und flüssig variieren. Verbindungen, welche andere als die häufigsten Isotope der Elemente, welche in den oben genannten Verbindungen präsent sind, enthalten, fallen unter die Bezeichnung der Verbindung. Andere chemische Verbindungen werden analog nach der gängigen Praxis in Formelschreibweise angegeben. Ein erfindungsgemäßes modulares Gastrennverfahren zur Gewinnung von Produkten aus einer Umgebungsluft mittels Modulen eines modularen Gastrennvorrichtungssystems umfasst Ansaugen eines Rohgases aus der Umgebungsluft und Abscheiden von O2 als erstes Produkt, N2 als zweites Produkt und CO2 als drittes Produkt aus dem Rohgas, wobei das Abscheiden der Produkte durch ein oder mehrere Adsorptionsverfahren geschieht, um das erste Produkt, das zweite Produkt und/oder das dritte Produkt zur Weiterverwendung zur Verfügung zu stellen, wobei das Verfahren so angepasst werden kann, dass die Produkte in einer gewünschten Reinheit, in einer gewünschten Menge und/oder in einer gewünschten Komposition zur Verfügung gestellt werden können, und die Adsorptionsverfahren Druckwechseladsorptionsverfahren beinhalten.
Das erfindungsgemäße modulare Gastrennverfahren ermöglicht es, neben der klassischen Druckluftaufbereitung auch entsprechende technische Gase wie z.B. vorrangig CO2, N2, O2 aber, in bestimmten Ausführungsformen, auch andere Gase, wie Ar, H2 etc. durch Einsatz einer Produktionslinie zu gewinnen.
Ein Adsorptionsverfahren beinhaltet ein Durchleiten eines Gases, beispielsweise eines Rohgases, durch ein in einem Behältnis enthaltenen Sorbentmaterials. Das Behältnis kann auch als Reaktorbett, Sorbentbett oder Bett bezeichnet werden. Eine Rohrleitungssystem, welches ein Reaktorbett beinhaltet und welches für die Durchführung eines Adsorptionsprozesses ausgelegt ist, kann auch als Kolonne bezeichnet werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung beispielsweise einer Druckwechseladsorptionsverfahrens (PSA- Verfahren) kann als PSA-Einheit oder als Adsorptionsvorrichtung bezeichnet werden. Eine PSA-Einheit kann mehrere Kolonnen umfassen. Eine Kolonne kann Sorbentmaterialen enthalten, wobei die Sorbentmaterialien physisch in dem in der Kolonne enthaltenen Reaktorbett enthalten sind. Sorbentmaterialen sind Materialien, welche auf mit Ihnen in Kontakt kommende Gase bzw. Gasmoleküle eine Adsorptionswirkung entfalten.
Sorbentmaterialen im Sinne der vorliegenden Offenbarung sind beispielsweise physikalische Sorbentmaterialien wie Zeolithe, Silika Materialien, MOF (Metal Organic Framework), Aktivkohle, COF (Covalent Organic Framework), Kohlenstoffmolekularsiebe, Materialien auf Basis von Alkalimetallen/Metalloxiden, geordneter poröser Kohlenstoff, ACF (Activated Carbon Fibres), Graphen, CMS (Carbon Molucular Sieve) und andere, und deren Verbundwerkstoffe. Darüber hinaus sind Sorbentmaterialien im Sinne der vorliegenden Offenbarung chemische Sorbentmaterialien wie Verbundadsorptionsmittel, hergestellt durch Imprägnierung mit K2CO3, binärem eutektischem Gemisch (KNO3 und UNO3), NaNCh, AI2O3, ZrC>2, TiC>2, MnCh, ZnO und andere. Durch das Abtrennen von benötigten technischen Gasen aus der Umgebungsluft kann die Produktion der technischen Gase am Ort des Verbrauchs gewährleistet werden, sodass auf ein kostspieliges Zuliefernetzwerk mit entsprechenden Kosten verzichtet werden kann. Insbesondere können Transportkosten und Personalkosten verringert werden.
Durch die Nutzung des Grundprinzips der Druckwechseladsorption kann eine notwendige Druckluftaufbereitung zur Verfügung zu gestellt und entsprechende technische Gase aus komprimierter Luft oder einer anderen Umgebung optimal gewonnen werden.
Es gibt Ausführungsformen, in welchen die Adsorptionsverfahren darüber hinaus Temperaturwechseladsorption und Temperaturdruckwechseladsorption beinhalten. Im Gegensatz zu Druckwechseladsorptionsverfahren, welche auf der Manipulation der Adsorptionswirkung von Sorbentmaterialen durch eine Änderung des Drucks in einem Sorbentbett beruhen, kann in Temperaturwechseladsorptionsverfahren die Adsorptionswirkung von Sorbentmaterialien durch eine Änderung der Temperatur in einem Sorbentbett manipuliert werden. Durch den geringeren mit der Termperaturwechseladsorption assoziierten Energiebedarf kann das Verfahren an die am Verbrauchsort vorherrschende Energieverfügbarkeit angepasst werden. Bei Temperaturdruckwechseladsorptionsverfahren wird die Adsorptionswirkung sowohl durch die Änderung des Drucks als auch der Temperatur manipuliert, wodurch eine effektivere Gastrennung erreicht werden kann. Durch die Nutzung von Adsorptionsprozessen, welche überwiegend ohne den mit chemischen Gastrennverfahren assoziiertem Materialverbrauch funktionieren, können Beschaffungskosten verringert werden.
Es gibt Ausführungsformen, bei denen aufbereitetes Rohgas als Produkt zur Weiterverwendung zur Verfügung gestellt wird. Aufbereitetes Rohgas kann Rohgas sein, welches mittels einer Ansaugvorrichtung angesaugt wird, mittels eines Filters oder Luftfilters von Partikeln, Staub und/oder Ruß gereinigt wird, mittels einer Entfeuchtungsvorrichtung entfeuchtet wird und mittels eines Verdichters verdichtet wird. Dadurch können durch dasselbe Verfahren technische Gase und Druckluft für eine Vielzahl technischer Anwendungen zur Verfügung gestellt werden. Auch wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt keine technischen Gase benötigt werden, kann das Ansaugen der Umgebungsluft nützliche Produkte zur Verfügung stellen.
Es gibt Ausführungsformen, in denen das Abscheiden der Produkte aus dem Rohgas ein Erzeugen eines reduzierten Rohgases durch das Abscheiden von O2 und N2 aus dem Rohgas und ein anschließendes Abscheiden von CO2 aus dem reduzierten Rohgas umfasst. Durch ein sequentielles Abscheiden der Produkte in hintereinander ablaufenden Trennverfahren kann die Abtrennung von Gasen mit natürlich geringer Konzentration in der Umgebungsluft verbessert werden. So beträgt die natürliche Konzentration von N2 in der Atmosphäre ca. 78%, die natürliche Konzentration von O2 ca. 21% und von CO2 weniger als 1%. Indem zunächst N2 und O2 aus dem aus der Umgebungsluft gewonnenen Rohgases abgetrennt werden, ist die Konzentration des dadurch erzeugten reduzierten Rohgases stark erhöht, wodurch die Effizienz und die Energieeffizienz des Abtrennens von CO2 erhöht ist.
Es gibt Ausführungsformen, in denen das Abscheiden von O2 und N2 aus dem Rohgas simultan geschieht. Dies kann beispielsweise durch parallel ausgeführte Abtrennverfahren für N2 und O2 geschehen.
Es gibt Ausführungsformen, in denen weitere Produkte gewonnen werden, die H2 oder Ar umfassen. Durch das Abtrennen der häufigsten Komponenten des aus der Umgebungsluft gewonnenen Rohgases, N2 und O2, wird in dem reduzierten Rohgas die Häufigkeit von Spurengasen wie H2 und Ar erhöht, welche somit ebenfalls mittels entsprechender Verfahren abgetrennt und lokal zur Verfügung gestellt werden können.
Ein erfindungsgemäßer Modulsatz für eine Gastrennvorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Gastrennverfahrens umfasst ein Druckluftaufbereitungsmodul, und einen Adsorptionsmodulsatz, weicher ein erstes Adsorptionsmodul zum Abscheiden von N2, ein zweites Adsorptionsmodul zum Abscheiden von O2 und ein drittes Adsorptionsmodul zum Abscheiden von CO2 umfasst.
Ein modulares Gastrennvorrichtungssystem für die Durchführung des Gastrennverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst den Modulsatz für eine Gastrennvorrichtung, wobei das Druckluftaufbereitungsmodul eine Filtervorrichtung, einen Verdichter, eine Trocknereinheit und einen Druckluftspeicher umfasst, und jedes Adsorptionsmodul des Adsorptionsmodulsatzes eine Adsorptionsvorrichtung, eine Gasleitungsvorrichtung, eine Anschlussvorrichtung und Regelungselektronik beinhaltet. Dabei kann das Adsorptionsmodul zur Gewinnung von N2 ein erstes Adsorptionsmodul sein, das Adsorptionsmodul zur Gewinnung von O2 ein zweites Adsorptionsmodul sein und das Adsorptionsmodul zur Gewinnung von CO2 ein drittes Adsorptionsmodul sein, welche zusammen genommen Adsorptionsmodule sind.
Die Adsorptionsmodule sind so vorzusehen, dass sie in verschiedenen Kombinationen von verschiedenen Adsorptionsmodulen funktionsfähig sind. Eine Kombination kann beispielsweise eine Vorrichtung sein, welche ein Druckluftaufbereitungsmodul, ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von N2, also beispielsweise ein erstes Adsorptionsmodul, und ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von CO2, also beispielsweise ein drittes Adsorptionsmodul enthält.
Eine wiederum andere Kombination kann eine Vorrichtung sein, welche ein Druckluftaufbereitungsmodul, ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von O2, also beispielsweise ein zweites Adsorptionsmodul, und ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von CO2, also beispielsweise ein drittes Adsorptionsmodul enthält.
Eine weitere Kombination kann eine Vorrichtung sein, welche ein Druckluftaufbereitungsmodul, ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von N2, also beispielsweise ein erstes Adsorptionsmodul, und ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von O2, also beispielsweise ein zweites Adsorptionsmodul enthält. Eine weitere Kombination kann eine Vorrichtung sein, welche ein Druckluftaufbereitungsmodul, ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von N2, also beispielsweise ein erstes Adsorptionsmodul, und ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von O2, also beispielsweise ein zweites Adsorptionsmodul enthält.
Darüber hinaus kann eine weitere Kombination eine Vorrichtung sein, welche ein Druckluftaufbereitungsmodul und ein Adsorptionsmodul zur Gewinnung von CO2, also beispielsweise ein drittes Adsorptionsmodul enthält. Weitere Kombinationen, auch zur Gewinnung weiterer Produkte, sind erfindungsgemäß möglich.
Eine Kombination kann auch als Produktionslinie bezeichnet werden. Jedes Modul umfasst Bauteile, welche die Aufbewahrung von Gas ermöglichen, beispielsweise Rohrleitungen, welche auch als Gasleitungen oder Leitungen bezeichnet werden können, oder Gasspeicher, welche auch als Gastanks, Tanks oder Speicher bezeichnet werden können. Ein Speicher kann auch ein Druckluftspeicher oder ein Produktspeicher sein.
Jedes Adsorptionsmodul umfasst insbesondere einen oder mehrere Produktspeicher. Ein Speicher ist ein Behältnis, welches eine Gas in einem Über- Gleich- oder Unterdrück gegenüber der Umgebungsluft haltern kann. Jedes Modul umfasst Bauteile, welche eine Regelung eines Gasflusses zulassen, wie Ventile, Anschlüsse oder ähnliches. Insbesondere sind Anschlüsse Anschlussvorrichtungen, welche an eine Rohrleitung angeschlossen werden können und durch welche Gase oder Stoffe von außen in das Modul hinein und nach außen aus dem Modul heraus geleitet werden können. Jedes Modul kann Sensoren umfassen, beispielsweise Gassensoren. Jedes Modul kann Steuerelektronik umfassen.
Jedes Modul kann Bauteile beinhalten, welche Regelungssignale von einem externen Schaltkreis empfangen und interpretieren können. Jedes Modul kann optional eine Vorrichtung enthalten, die einem Nutzer die Regelung des durch das Modul durchgeführten Prozesses erlaubt. Jedes Modul kann Luftfilter zur Entfernung von Staub, Ruß oder anderen Fremdkörpern aus Gas umfassen. Jedes Modul kann Verdichter zur Erhöhung des Drucks von Gasen umfassen. Jedes Modul kann Trocknereinheiten zur Entfernung von Wasser oder Wasserdampf aus Gas umfassen.
Je nach Bedarf können verschiedene Module, wobei eine anfängliche Druckluftaufbereitung, beispielsweise mittels dem Druckluftaufbereitungsmodul und eine Verdichtung des Rohgases auf beispielsweise 7 bar, wobei höhere oder niedrigere Drücke möglich sind, vorzusehen ist, kombiniert werden. Nach der Druckluftaufbereitung wird das Rohgas in den Adsorptionskolonnen entsprechend geregelt stufenweise weitergeleitet. Durch modulare Kombination kann eine Produktionslinie zur Verfügung gestellt werden, um den lokalen Bedarf an technischen Gasen, N2, O2, CO2, in der benötigten Konzentration, Menge und Reinheit zu decken.
Die Sorbentbetten können bei Adsorptionsmodulen zur Gewinnung von N2 mit Aktivkohle und/oder Kohlenstoffgranulat gefüllt sein. Die Sorbentbetten können bei Adsorptionsmodulen zur Gewinnung von O2 mit Zeolithen gefüllt sein. Bei Sorbentbetten in Adsorptionsmodulen zur Gewinnung von N2 werden O2- und CO2-Molekule unter Fluiddruck von der Aktivkohle adsorbiert und N2 kann als Produkt in den Produktspeicher strömen. Bei Sorbentbetten in Adsorptionsmodulen zur Gewinnung von O2 adsorbiert Zeolith die N2-Moleküle und O2 kann als Produkt in den Produktspeicher strömen. Die Durchströmungsgeschwindigkeit beeinflusst dabei die Konzentration des verbleibenden Gasgemischs, das am produzierenden Sorbentbett abgegriffen werden kann.
Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen wenigstens eines der Adsorptionsmodule eine Vakuumpumpe umfasst. Mittels einem Vakuum, beispielsweise durch eine Vakuumpumpe erzeugt, kann die Desorptionsphase in einem Sorbentbett verlängert werden und somit die schwerere Komponente effektiver aus dem Sorbentbett entfernt werden. Es gibt Ausführungsformen, bei denen jedes Adsorptionsmodul des Adsorptionsmodulsatzes dafür vorgesehen ist, ein reduziertes Rohgas eines anderen, in Reihe angeordneten, Adsorptionsmoduls weiter zu verarbeiten, wobei das reduzierte Rohgas durch das Abscheiden von mindestens einem von O2, N2 oder CO2 aus dem Rohgas erzeugt wird.
Ein reduziertes Rohgas ist ein Rohgas, aus welchem eine Gaskomponente oder Komponente entfernt ist. So hat Rohgas beispielsweise die Komposition der Umgebungsluft, einfach reduziertes Rohgas die Komposition der Umgebungsluft mit reduziertem Anteil an O2 oder N2 oder CO2 und zweifach reduziertes Rohgas Komposition der Umgebungsluft mit reduziertem Anteil an zwei von O2, N2 oder CO2. Jedes Adsorptionsmodul kann so ausgebildet sein, dass es reduziertes Rohgas eines jeden anderen Adsorptionsmoduls weiterverarbeiten kann, um in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten weitere Produkte aus dem Rohgas abzuscheiden.
Es gibt Ausführungsformen, bei denen ein jedes Modul eine äußere Verschalung und/oder eine innere Struktur aufweist. Indem jedes Modul in einer eigenen Verschalung, mit autarker mechanischer Struktur vorgehalten wird, kann die Lebensdauer der Bauteile des Moduls verlängert werden, indem äußere Einflüsse minimiert werden. Außerdem kann die Form des Moduls kompakt gestaltet werden, sodass ein einfacherer Transport und eine einfachere Installation am Bestimmungsort ermöglicht wird. Eine innere Struktur ist Rahmen oder ein Gerüst, an welchem die Bauteile, aus welchen das Modul besteht, insbesondere, in Adsorptionsmodulen, die Adsorptionsvorrichtungen, befestigt sind. Durch eine kompakte Prozesstechnik kann mehr Flexibilität über die Reinheitsgradeinstellung der notwendigen Gase erzielt werden. Darüber hinaus kann der Prozess effizienter in Bezug auf die Energiebilanz sein.
Es gibt Ausführungsformen, in denen das Gastrennvorrichtungssystem außerdem ein oder mehrere Abscheidungsmodule umfasst, welche ausgebildet sind, weitere Produkte zu gewinnen, die H2 oder Argon umfassen. Die Abscheidungsmodule können ausgebildet sein, indem die weiteren Produkte durch weitere Anwendung geeigneter Adsorptionsmethoden aus dem reduzierten Rohgas abgeschieden werden. Alternativ sind Ausführungsformen denkbar, in denen die weiteren Produkte mittels anderer Verfahren, beispielsweise Membranverfahren, Destillationsverfahren, chemische Trennverfahren oder andere geeignete Verfahren aus dem reduzierten Rohgas gewonnen werden. Diese Abscheidungsverfahren können darüber hinaus zentrifugale Verfahren beinhalten, welche durch eine unterschiedliche Dichte unterschiedlicher Gase eine Trennung vornehmen, oder kryogene bzw. kältetechnische Verfahren, welche beispielsweise unterschiedliche Kondensationstemperaturen unterschiedlicher Gase nutzen, oder Membranverfahren. Die Abscheidungsmodule können weitere Produkte aus einem Rohgas oder reduziertem Rohgas, aus welchem durch die Adsorptionsmodule bereits N2, O2 oder CO2 abgetrennt haben.
Es gibt Ausführungsformen, in denen jede Adsorptionsvorrichtung zwei Kolonnen umfasst, welche dazu ausgebildet sind, parallel zueinander eines der Adsorptionsverfahren durchzuführen, um einen kontinuierlichen Produktfluss zu erzeugen. Indem zwei Kolonnen in einem Adsorptionsmodul vorgesehen sind, kann ein kontinuierlicher Produktstrom erzeugt werden. Eine Adsorptionsvorrichtung kann als PSA-Einheit bezeichnet werden. Dies kann erreicht werden, indem eine Kolonne Adsorptionsphase durchläuft, während eine zweite Kolonne eine Desorptions- bzw. Regenerationsphase durchläuft. Wenn die Adsorptionsphase eine Sättigung eintritt, was mittels Messung durch entsprechende Sensorik, beispielsweise mittels eines Gasmessgeräts, ermittelt werden kann, wird durch eine Regelung die erste Kolonne aus der Adsorptionsphase in die Desorptionsphase und die zweite Kolonne von der Desorptionsphase in die Adsorptionsphase überführt. Darüber hinaus kann, um den Überstand an desorbierter schwerer Komponente aus dem Sorbentbett auszutreiben, mit einem Anteil des Produktes nachgespült werden, um Verunreinigungen zu vermeiden.
Es gibt Ausführungsformen, in denen mindestens eine Adsorptionsvorrichtung zur Reinheitsgradeinstellung eingerichtet ist. Eine Reinheitsgradeinstellung kann dadurch realisiert werden, dass am Ausgang eines Sorbentbett in einer Adsorptionsphase die Konzentration einer vorzugsweise adsorbierten Komponente, also einer schwereren Komponente, gemessen wird, und sobald eine entsprechende Konzentration gemessen wird, die Kolonne, welche das Sorbentbett enthält, in die Desorptionsphase überführt wird.
Ein erfindungsgemäßer Vorrichtungsmodulsatz für die Gewinnung von Produkten aus einer Umgebungsluft umfasst ein Druckluftaufbereitungsmodul und wenigstens eines der Module des Adsorptionsmodulsatzes. Eine erfindungsgemäße Gastrennvorrichtung zur Gewinnung von Produkten aus einer Umgebungsluft, umfasst den Vorrichtungsmodulsatz. Durch die Kombination verschiedener Adsorptionsmodule mit mindestens einem Druckluftaufbereitungsmodul kann auf Basis des modularen Gastrennvorrichtungssystem eine Gastrennvorrichtung realisiert werden, die auf die Deckung des lokalen Bedarfs an technischen Gasen, die wenigstens eines von N2, O2, CO2 umfassen, ausgerichtet ist. Dabei kann eine Bedarfsdeckung in der benötigten Menge, Reinheit und Komposition aus der Umgebungsluft gewonnen werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 schematisch drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Gastrennverfahrens und Vorrichtungen nach dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem;
Fig. 2 schematisch eine detaillierte Darstellung einer Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem in einem Ausführungsbeispiel mit zwei Modulen; und
Fig. 3 schematisch eine detaillierte Darstellung eine Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem in einem Ausführungsbeispiel mit vier Modulen zeigt.
Im Folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der Figuren erläutert. Dabei ist, sofern nicht anders erwähnt, unter einem erfindungsgemäßen Verfahren das von der jeweils gezeigten Vorrichtung durchgeführte Verfahren zu verstehen. Das Verb „angeschlossen“ ist zu verstehen als ein Rohrleitungsverbindung, die so ausgelegt ist, dass ein Gas oder eine Flüssigkeit von einer ersten Komponente, Baugruppe oder Bauteil zu einer zweiten Komponente, Baugruppe oder Bauteil, welches an der ersten Komponente, Baugruppe oder Bauteil angeschlossen ist, fließen kann.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Gastrennverfahren und einer Gastrennvorrichtung 10 nach dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 1a) gezeigt. Die Vorrichtung umfasst ein Druckluftaufbereitungsmodul 11, ein erstes Adsorptionsmodul 12 zur Gewinnung von N2 inklusive Reinheitsgradeinstellung und ein zweites Adsorptionsmodul 13 zur Gewinnung von O2 inklusive Reinheitsgradeinstellung. Die Module, hier das Druckluftaufbereitungsmodul 11 , das erste Adsorptionsmodul 12 zur Gewinnung von N2 inklusive Reinheitsgradeinstellung und das zweite Adsorptionsmodul 13 zur Gewinnung von O2 inklusive Reinheitsgradeinstellung, sind erfindungsgemäß als abgeschlossene Komponenten zu verstehen, welche nach Bedarf in unterschiedlicher Art und Weise miteinander verbunden werden können.
In dem in Fig. 1a) dargestellten Ausführungsbeispiel saugt zunächst das Druckluftaufbereitungsmodul 11 Umgebungsluft als an. Aufgabe des Druckluftaufbereitungsmoduls 11 ist eine Aufbereitung des angesaugten Rohgases zur Weiterverarbeitung. Die Aufbereitung kann ein Filtern mittels einem Durchlaufen einer Filtervorrichtung zur Entfernung von Festkörpern wie Staub oder Rußpartikeln und Ähnlichem umfassen, sodass ein gefiltertes Rohgas erzeugt wird.
Die Aufbereitung kann außerdem ein optionales Trocknen des Rohgases zur Entfernung von Wassermolekülen beinhalten. Das Trocknen kann durch eine geeignete Trocknervorrichtung geschehen, welche Wassermoleküle mittels eines Trockenverfahrens aus dem Rohgas entfernt. Das Trockenverfahren kann beispielsweise ein Membranverfahren sein, welches das Durchlaufen einer Hohlfasermembran oder Ähnlichem beinhaltet. Das Trockenverfahren kann auch ein Adsorptionsverfahren oder ein Kondensationsverfahren sein. Das Trocknen erzeugt ein getrocknetes Rohgas.
Die Aufbereitung umfasst außerdem eine Verdichtung des Rohgases mittels einer Verdichtungsvorrichtung, beispielsweise einem Axialkompressor. Die Verdichtung kann vor dem Trocknen oder nach dem Trocknen geschehen. Die Verdichtung erzeugt ein verdichtetes Rohgas. Das Ansaugen, das Filtern, das Trocknen und das Verdichten stellen gemeinsam Aufbereitungsprozesse dar.
Es gibt Ausführungsformen, in welchen außer den genannten noch andere Aufbereitungsprozesse vorgesehen sind. Das verdichtete Rohgas kann auch als aufbereitetes Rohgas bezeichnet werden. Das Druckluftaufbereitungsmodul 11 kann ferner einen oder mehrerer Druckluftspeicher umfassen, in welchem das aufbereitete Rohgas zwischengelagert wird, um für nachfolgende Verarbeitungsschritte zur Verfügung zu stehen. Das Druckluftaufbereitungsmodul 11 umfasst ferner Anschlussvorrichtungen, mittels welchem das aufbereitete Rohgas aus dem Druckluftaufbereitungsmodul 11 abgeleitet werden kann. Die Anschlussvorrichtungen können verschließbar ausgestaltet sein. Das Druckluftaufbereitungsmodul 11 kann ferner Ableitungsvorrichtungen für die Abfallprodukte der Aufbereitungsprozesse umfassen.
Im Folgenden werden erste Adsorptionsmodule, zweite Adsorptionsmodule etc. als Ausführungsbeispiele von Adsorptionsmodulen im Allgemeinen verstanden.
In dem in Fig. 1 a) gezeigten Ausführungsbeispiel wird das vom Druckluftaufbereitungsmodul 11 zur Verfügung gestellte aufbereitete Rohgas von dem ersten Adsorptionsmodul 12 weiter verarbeitet. Dazu kann das aufbereitete Rohgas beispielsweise mittels einer dafür vorgesehen Rohrleitung in das erste Adsorptionsmodul eingeleitet werden. Das hier beispielhaft gezeigte erste Adsorptionsmodul 12 umfasst eine Adsorptionsvorrichtung, welche mittels eines Adsorptionsverfahren N2 aus dem aufbereiteten Rohgas gewinnt. Die Adsorptionsvorrichtung umfasst ein oder mehrere, beispielsweise zwei, Reaktorbetten, welche mit einem geeigneten Sorbentmaterial gefüllt sind und welche mit dem Rohgas beladen werden können. Entsprechend des in Fig. 1 a) dargestellten Ausführungsbeispiels ist die von dem ersten Adsorptionsmodul 12 umfasste Adsorptionsvorrichtung ausgeführt, dass eine Reinheitsgradeinstellung vorgenommen werden kann. Entsprechend der gewählten Reinheitsgradeinstellung kann N2 als erstes Produkt mit dem gewählten Reinheitsgrad aus dem aufbereiteten Rohgas gewonnen werden. Entsprechend einem Verfahren, wie es beispielsweise weiter unten beschrieben ist, gewinnt das erste Adsorptionsmodul 12 N2 aus dem aufbereiteten Rohgas.
Das erste Adsorptionsmodul 12 kann einen Tank umfassen, in welchem das gewonnene N2 als erstes Produkt gelagert wird. Das aufbereitete Rohgas, welches um ein Produkt, hier beispielsweise N2 in der gewählten Reinheit, reduziert wurde, kann als einfach reduziertes Rohgas bezeichnet werden. Da die Umgebungsluft, aus welcher das aufbereitete Rohgas gewonnen wurde, zu ca. 78% (Molanteil) aus N2 besteht, ist der Molanteil derjenigen Komponenten, die nicht N2 sind, in einfach reduziertem Rohgas gegenüber der Umgebungsluft anteilig erhöht. Dadurch, dass das für weitere Verarbeitungsschritte nicht etwas ein dem aufbereiteten Rohgas analoges Gas als Ausgangspunkt dient, sondern ein einfach oder mehrfach reduziertes Rohgas, kann die Effizienz der Gasgewinnung und die Energieeffizienz der Gasgewinnung in folgenden Adsorptionsprozessen erhöht werden.
Es sind Ausführungsformen möglich, in welchen ein dem hier beispielhaft gezeigten ersten Adsorptionsmodul 12 gleiches erfindungsgemäßes Adsorptionsmodul nicht mit aufbereitetem Rohgas beladen, sondern mit einfach oder mehrfach reduziertem Rohgas, welches zuvor bereits durch andere erfindungsgemäße Adsorptionsmodule verarbeitet wurde. Das hier beispielsweise einfach reduzierte Rohgas wird dann in einem zweiten Adsorptionsmodul 13 weiterverarbeitet.
Das hier beispielhaft gezeigte zweite Adsorptionsmodul 13 umfasst eine Adsorptionsvorrichtung, welche mittels eines Adsorptionsverfahren O2 aus dem einfach reduzierten Rohgas gewinnt. Die Adsorptionsvorrichtung umfasst ein oder mehrere, beispielsweise zwei, Reaktorbetten, welche mit einem geeigneten Sorbentmaterial gefüllt sind und welche mit dem Rohgas beladen werden können. Entsprechend des in Fig. 1 a) dargestellten Ausführungsbeispiels ist die von dem zweiten Adsorptionsmodul 13 umfasste Adsorptionsvorrichtung ausgeführt, dass eine Reinheitsgradeinstellung vorgenommen werden kann. Entsprechend der gewählten Reinheitsgradeinstellung kann O2 als zweites Produkt mit dem gewählten Reinheitsgrad aus dem einfach reduziertem Rohgas gewonnen werden. Entsprechend einem Verfahren, wie es beispielsweise weiter unten beschrieben ist, gewinnt das zweite Adsorptionsmodul 13 O2 aus dem einfach reduziertem Rohgas. Das zweite Adsorptionsmodul 13 kann einen Tank umfassen, in welchem das gewonnene O2 als zweites Produkt gelagert wird. Das einfach reduzierte Rohgas, welches um ein Produkt, hier beispielsweise O2 in der gewählten Reinheit, reduziert wurde, kann als zweifach reduziertes Rohgas bezeichnet werden. Da der Molanteil an O2 in dem einfach reduzierten Rohgas gegenüber der Umgebungsluft erhöht ist, ist der Molanteil derjenigen Komponenten, die nicht O2 sind, gegenüber einfach reduziertem Rohgas in zweifach reduziertem Rohgas anteilig erhöht. Jedes Adsorptionsmodul 12,13 umfasst Anschlussvorrichtungen, mittels welchem das Produkt und das reduzierte Rohgas aus dem Adsorptionsmodul abgeleitet werden kann. Insbesondere ist in zweifach reduziertem Rohgas, welches hier als drittes Produkt identifiziert ist, der Molanteil an CO2 gegenüber der Umgebungsluft signifikant erhöht. Eine erfindungsgemäße Gastrennungsvorrichtung 10, die nach dem erfindungsgemäßen Gastrennverfahren arbeitet und in Fig. 1a) gezeigt ist, erzeugt N2 als erstes Produkt, O2 als zweites Produkt und ein Gasgemisch, welches einen stark erhöhten Molanteil an CO2 ausweist als drittes Produkt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Gastrennverfahren und einer Gastrennvorrichtung 10 nach dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 1b) gezeigt. Die Vorrichtung umfasst das Druckluftaufbereitungsmodul 11, das erste Adsorptionsmodul 12 zur Gewinnung von N2 inklusive Reinheitsgradeinstellung, das zweite Adsorptionsmodul 13 zur Gewinnung von O2 inklusive Reinheitsgradeinstellung und ein drittes Adsorptionsmodul 14 zur Gewinnung von CO2 inklusive Reinheitsgradeinstellung. Die Verarbeitung des Rohgases erfolgt identisch zu dem in Fig. 1a) gezeigten Ausführungsbeispiel, jedoch wird das zweifach reduzierte Rohgas in dem dritten Adsorptionsmodul 14 weiterverarbeitet. Das hier beispielhaft gezeigte dritte Adsorptionsmodul 14 umfasst eine Adsorptionsvorrichtung, welche mittels eines Adsorptionsverfahren CO2 aus dem zweifach reduzierten Rohgas gewinnt. Die Adsorptionsvorrichtung umfasst ein oder mehrere, beispielsweise zwei, Reaktorbetten, welche mit einem geeigneten Sorbentmaterial gefüllt sind und welche mit dem Rohgas beladen werden können. Entsprechend des in Fig. 1 b) dargestellten Ausführungsbeispiels ist die von dem dritten Adsorptionsmodul 14 umfasste Adsorptionsvorrichtung ausgeführt, sodass eine Reinheitsgradeinstellung vorgenommen werden kann. Entsprechend der gewählten Reinheitsgradeinstellung kann CO2 als drittes Produkt mit dem gewählten Reinheitsgrad aus dem zweifach reduziertem Rohgas gewonnen werden. Entsprechend einem Verfahren, wie es beispielsweise weiter unten beschrieben ist, gewinnt das dritte Adsorptionsmodul 14 O2 aus dem zweifach reduziertem Rohgas. Das dritte Adsorptionsmodul 14 kann einen Tank umfassen, in welchem das gewonnene CO2 als drittes Produkt gelagert wird. Das einfach reduzierte Rohgas, welches um ein Produkt, hier beispielsweise CO2 in der gewählten Reinheit, reduziert wurde, kann als dreifach reduziertes Rohgas bezeichnet werden. Da der Molanteil an CO2 in dem zweifach reduzierten Rohgas gegenüber der Umgebungsluft erhöht ist, ist der Molanteil derjenigen Komponenten, die nicht CO2 sind, gegenüber einfach reduziertem Rohgas in dreifach reduziertem Rohgas anteilig erhöht. Das so erzeugte dreifach reduzierte Rohgas weist dann beispielsweise eine erhöhte Konzentration an Argon auf, welches in weiteren Verfahrensschritten beispielsweise als viertes Produkt gewonnen werden kann.
Eine entsprechend den Ausführungsbeispielen ausgeführte Anlage wird effizienter, weil im Druckluftaufbereitungsmodul 11 bereits eine Gastrennung stattgefunden hat, was zu einer höheren Selektivität der Gastrennung im ersten Adsorptionsmodul 12 führen kann.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Gastrennverfahren und einer Gastrennvorrichtung 10 nach dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 1c) gezeigt. Die Vorrichtung umfasst das Druckluftaufbereitungsmodul 11 und das dritte Adsorptionsmodul 14 zur Gewinnung von CO2 inklusive Reinheitsgradeinstellung. Hier wird CO2 als das dritte Produkt direkt aus dem aufbereiteten Rohgas gewonnen.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur exemplarisch als Kombinationsmöglichkeiten der mittels dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem bereitgestellten Gastrennvorrichtungen 10. Es sind Ausführungsformen denkbar, in denen die erfindungsgemäßen Module in anderen Kombinationen als hier dargestellt, in anderer Sequenz, seriell oder parallel zueinander bereitgestellt werden, um die erwünschte Produktkombination und/oder eine erwünschte Konzentration und/oder eine gewünschte Menge der Produktgase zu erzeugen. Eine solche Kombination kann auch als Produktionslinie bezeichnet werden. Durch einen erfindungsgemäßen modularen Aufbau kann der Prozess der Gastrennung optimal ablaufen.
Ein viertes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Gastrennverfahren und einer Gastrennvorrichtung 10 nach dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem zur Durchführung des Verfahrens ist schematisch in höherem Detailgrad in Fig. 2) gezeigt. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel ist beispielsweise analog zu dem in Fig. 1c) gezeigten Ausführungsbeispiel. Eine erfindungsgemäße Gastrennvorrichtung 10 kann zwei Module umfassen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Modul das Druckluftaufbereitungsmodul 11 ein Modul das dritte Adsorptionsmodul 14 für die Gewinnung von CO2-Gewinnung inklusive Reinheitsgradeinstellung. Das Druckluftaufbereitungsmodul 11 besteht aus einer Ansaugstelle mit Filtervorrichtung 111 , mit dem Staubpartikel aus der Luft entfernt werden, einem Verdichter 112, einer Trocknereinheit 113 und einem Luftspeicher 114, in dem der Verdichter fortwährend die angesaugte Umgebungsluft auf einen voreingestellten Druck komprimiert der voreingestellte Druck kann beispielsweise 7 bar sein. An dem Luftspeicher 114 können weitere Armaturenelementen wie Ventile, Wasserabscheider 115, etc. angebracht sein. Auf einer oberen Seite des Luftspeichers 114 ist eine Leitung 116 ausgebildet, mit welcher aufbereitetes Rohgas, welches nicht zur Weiterverarbeitung durch die Gastrennvorrichtung 10 bestimmt ist, zu externen Verbrauchern transportiert werden kann. Mit einer weiteren Leitung 117 wird das aufbereitete Rohgas zum dritten Adsorptionsmodul 14 geleitet. Das Adsorptionsmodul 14 kann unterschiedlich ausgestaltet werden. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel beinhaltet das Adsorptionsmodul 14 eine primäre Stufe 141 und eine sekundäre Stufe 142. Vor der primären Stufe 141 kann optional eine Rest- Entfeuchtungseinheit 143, welche durch verschiedene Trocknungsmittel, beispielsweise Silica Gel, Aluminiumoxid-Verbindungen etc., eine weitere Luftentfeuchtung vornimmt, eingesetzt werden. Durch den Einsatz einer Rest-Entfeuchtungseinheit 143 kann sichergestellt werden, dass das Gas, welches zur Gewinnung von CO2 eingesetzt wird, eine möglichst geringe Restfeuchtigkeit aufweist, wodurch die eingesetzten Sorbentmaterialien vor einer Wasseraufnahme geschützt werden. An die sekundäre Stufe ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Produktspeicher 144 ausgebildet, an welchen optional ein Hochdruck- Verdichter inklusive Bündel 145 angeschlossen ist. Das gewonnene CO2, welches in dem Produktspeicher 144 gelagert ist, wird dann entweder mittels einer Leitung 146 zum externen Verbraucher weitergeleitet oder im Bündel mittels eines Hochdruck-Kompressors 147 auf z.B. 150 bar verdichtet. Die primäre Stufe 141 beinhaltet eine PSA-Einheit 148, die als solche entsprechend ausgebildet ist und vollständig unabhängig vom Druckluftaufbereitungsmodul 11 arbeiten kann. Die PSA-Einheit beinhaltet zwei separat geregelte und gesteuerte Kolonnen 149,1410, die wiederum Leitungen, Ventile, Sensorik etc. beinhalten.
Die Arbeitsweise der primären Stufe 141 ist für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt, so dass die erste Kolonne 149 eine Adsorptionsphase durchläuft, während zugleich die zweite Kolonne 1410 eine Desorptions- bzw. Regenerationsphase durchläuft. Wenn die Adsorptionsphase eine Sättigung in der ersten Kolonne 149 oder in der zweiten Kolonne 1410 erreicht hat, was mittels Messung durch entsprechende Sensorik, beispielsweise ein Gasmessgerät, ermittelt werden kann, wird durch eine Regelung die erste Kolonne 149 aus der Adsorptionsphase in die Desorptionsphase und die zweite Kolonne 1410 von der Desorptionsphase in die Adsorptionsphase überführt. Beide Kolonnen 149 und 1410 sind mit einem Sorbentmaterial oder mit einer Rezeptur, die sich aus mehreren Typen von Sorbentmaterial zusammensetzt, gefüllt. Erfindungsgemäß wird das Sorbentmaterial mit getrocknetem Rohgas von unten nach oben durchströmt bzw. benetzt. Während mittels des Sorbentmaterials die Adsorption, also in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Bindung der CCh-Moleküle, stattfindet, wird der restliche Volumenstrom mit Hilfe der Schaltung von dazu vorgesehenen Ventilen aus der ersten Kolonne 149 durch eine zentrale Druckluftleitung 1411 zum externen Verbraucher weitergeleitet.
Dabei ist sicherzustellen, dass eine ungewollte Rückströmung entlang der Arbeitsstrecke verhindert wird, was beispielsweise durch eine wechselseitige Verschaltung der Ventile oder Rückschlagventile erreicht werden kann. Der Luftspeicher 114 ist insbesondere ein Speicher, welcher zur Lagerung von Gasen unter, gegenüber der Umgebung, hohen Drücken geeignet ist. Der Luftspeicher 114 kann also auch als Druckluftspeicher 114 bezeichnet werden. Insbesondere ist hier die leichte Komponente (hier N2, O2 etc.) als Restgas zu verstehen. Es wird in die zentrale Druckluftleitung 1411 zurückgeführt. Die schwere Komponente, welche als CO2 in der primären Stufe gewonnen wurde, wird in die sekundäre Stufe 142 weitergeleitet. Alternierend zwischen der ersten Kolonne 149 und der zweiten Kolonne 1410 findet kontinuierlich eine Abtrennung von CO2 aus dem Rohgas und eine Gewinnung von CO2 statt. In der primären Stufe 141 kann eine C02-Selektivität vorgesehen werden. Das Adsorptionsverfahren kann abwechselnd zwischen der ersten Kolonne und der zweiten Kolonne eine Adsorptionsphase beinhalten, bei welcher ein Druck von bis zu 6 bar zum Einsatz kommt. Der Druck in der Desorptionsphase kann beispielsweise zwischen 1 bar und 0,001 bar betragen.
Die sekundäre Stufe 142 kann eine erste Kolonne 1414 und einer zweite Kolonne 1415 umfassen. Er sind verschiedene Ausführungsformen für die sekundäre Stufe 142 denkbar. Beispielsweise kann eine weitere Trennstation (nicht dargestellt) vorgesehen werden, welche die Trennung von unerwünschten Gasanteilen (Rest O2, N2 etc.) erlaubt. Diese Trennung kann einen geringerem Aufwand gegenüber der Trennung reiner Umgebungsluft aufweisen. Darüber hinaus kann das System die Verwendung von Verfahren vorsehen welche sich von dem Adsorptionsverfahren unterscheiden. Es können beispielsweise Membranverfahren etc. vorgesehen sein, mit welchem ein erwünschter Reinheitsgrad beispielsweise von 2,0 bis 5,0 von CO2 eingestellt werden kann. Optional kann eine Vakuumpumpe 1413 vorgesehen sein, mit welcher in beiden Kolonnen 1414 und 1415 ein Unterdrück erzeugt werden kann. Es sind weitere Ausführungsformen denkbar, mit welchen die die Gewinnung von CO2 beschleunigt werden kann. Beispielsweise kann die sekundäre Stufe ausgebildet sein, um eine variotherme Prozessführung TSA (Temperature Swing Adsorption) und/oder TPSA (Temperature Pressure Swing Adsorption) durchzuführen, mit welchen die CCh-Gewinnung verbessert werden kann. Darüber hinaus kann an den Positionen 149a und 1410a ein integrierten Heizelement (nicht dargestellt) zur Temperierung des Sorbentmaterials vorgesehen sein. Die von dem Heizelement genutzte Wärme kann aus unterschiedlichen Quellen gewonnen werden. Beispielsweise ist die Nutzung von Abwärme der Kompressoren mittels Wärmetauschern oder eine elektrische Nachheizung denkbar. Weitere Ausführungsformen können vorsehen, dass die Kolonnen 1414 und 1415 mit einem Sorbentmaterial befüllt werden, welches nur unerwünschte Gasmoleküle bindet, wodurch sich eine weitere Steigerung des Reinheitsgrades erreichen lässt. In der sekundären Stufe 142 kann ein Reinheitsgrad der CO2 Gewinnung von 2,0 bis 5,0 einstellbar sein. Dabei können nachgelagerte Selektivitätstechniken zum Einsatz kommen. Insbesondere können als nachgelagerte Selektivitätstechniken elektrochemische Katalysatoren, Hohlfaser Membrantechnik und Ähnliches vorgesehen sein,
Ein fünftes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Gastrennverfahren und einer Gastrennvorrichtung 10 nach dem erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtungssystem zur Durchführung des Verfahrens ist schematisch in höherem Detailgrad in Fig. 3 gezeigt. Die in Fig. 3 gezeigte Gastrennvorrichtung beinhaltet vier Module. Das erste Modul ist das Druckluftaufbereitungsmodul 11, das zweite Modul ist das erste Adsorptionsmodul 12, das dritte Modul ist das zweite Adsorptionsmodul 13, das vierte Modul ist eine zweite Ausführungsform des dritten Adsorptionsmoduls 14, welches im Folgenden als drittes Adsorptionsmodul 16 bezeichnet wird. Hier ist das erste Adsorptionsmodul 12 für die Gewinnung von N2 ausgelegt, das zweite Adsorptionsmodul 13 ist für die Gewinnung von O2 ausgelegt und das dritte Adsorptionsmodul 16 ist für die Gewinnung von CO2 ausgelegt.
Das Druckluftaufbereitungsmodul 11 besteht aus einer Ansaugstelle mit Filtervorrichtung 111, mit dem Staubpartikel aus der Luft entfernt werden, einem Verdichter 112, einer Trocknereinheit 113 und einem Luftspeicher 114, in dem der Verdichter fortwährend die angesaugte Umgebungsluft auf einen voreingestellten Druck komprimiert der voreingestellte Druck kann beispielsweise 7 bar sein. An dem Luftspeicher 114 können weitere Armaturenelementen wie Ventile, Wasserabscheider, etc. 115 angebracht sein. Parallel zu dem Luftspeicher 114 kann ein zweiter Luftspeicher 114a vorgesehen sein. Der zweite Luftspeicher 114a ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen separaten Kreis angeschlossen, wodurch sichergestellt ist, dass beide Luftspeicher 114,114a unabhängig voneinander arbeiten können. An dem Luftspeicher können weitere Armaturenelemente wie Ventile, Wasserabscheider 115 angebracht sein. Auf der oberer Seite des Luftspeichers 114a ist eine Leitung 116 ausgebildet, mit welcher aufbereitetes Rohgas, welches nicht zur Weiterverarbeitung durch die Gastrennvorrichtung 10 bestimmt ist, zu externen Verbrauchern transportiert werden kann. Folglich ist das in dem Luftspeicher 114a gespeicherte Rohgas für die Weiterleitung zu den externen Verbrauchern bestimmt. Mit einer weiteren Leitung 117 wird aufbereitetes Rohgas zum ersten Adsorptionsmodul 12 weitergeleitet. Dabei ist die Leitung 117 nicht mit dem Luftspeicher 114a verbunden. Das Druckluftaufbereitungsmodul 11 stellt in dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren eine erste Stufe dar, in welcher das aus der Umgebungsluft angesaugte Rohgas aufbereitet wird. Das erste Adsorptionsmodul 12 stellt in dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren eine zweite Stufe dar, in welcher N2 aus dem aufbereiteten Rohgas gewonnen wird. Zwischen dem Druckluftaufbereitungsmodul 11 und dem ersten Adsorptionsmodul 12 kann optional eine Rest-Entfeuchtungseinheit 118 vorgesehen sein, um das aufbereitete Rohgas vor der Weiterverarbeitung von eventuellen Wasserrückständen zu befreien.
Das erste Adsorptionsmodul 12 beinhaltet eine PSA-Einheit 121 und einen Produktspeicher 122, welcher in dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel zur Lagerung von N2 bestimmt ist. Die PSA-Einheit 121 und das erste Adsorptionsmodul 12 ist erfindungsgemäß so ausgelegt, dass es unabhängig und autark von anderen Modulen, insbesondere von dem Druckluftaufbereitungsmodul 11 und anderen Adsorptionsmodulen arbeiten, also das Adsorptionsverfahren durchführen, kann. Die PSA-Einheit beinhaltet eine erste Kolonne 123 und eine zweite Kolonne 124, welche separat voneinander geregelt und angesteuert werden können, wobei Leitungen, Ventile, Sensorik und weitere Komponenten entsprechend vorgehalten sind. Die Arbeitsweise des ersten Adsorptionsmoduls 12 ist für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt, so dass die erste Kolonne 123 eine Adsorptionsphase durchläuft, während zugleich die zweite Kolonne 124 eine Desorptions- bzw. Regenerationsphase durchläuft. Wenn die Adsorptionsphase eine Sättigung, hier beispielsweise mit O2 und CO2, in der ersten Kolonne 123 oder in der zweiten Kolonne 124 erreicht hat, was mittels Messung durch entsprechende Sensorik, beispielsweise ein Gasmessgerät, ermittelt werden kann, wird mittels einer Regelung die erste Kolonne 123 aus der Adsorptionsphase in die Desorptionsphase und die zweite Kolonne 124 von der Desorptionsphase in die Adsorptionsphase überführt.
Beide Kolonnen 123 und 124 sind mit einem Sorbentmaterial oder mit einer Rezeptur, die sich aus mehreren Typen von Sorbentmaterial zusammensetzt, gefüllt. Erfindungsgemäß wird das Sorbentmaterial mit getrocknetem Rohgas von unten nach oben durchströmt bzw. benetzt. Während mittels des Sorbentmaterials die Adsorption, also in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Abtrennung von Molekülen von O2 und CO2, stattfindet, wird der restliche, mit N2 angereicherte, Volumenstrom als Produkt mit Hilfe der Schaltung von dazu vorgesehenen Ventilen beispielsweise aus der ersten Kolonne 123 oder der zweiten Kolonne
124 durch eine Leitung zum externen Verbraucher weitergeleitet. Alternativ zur Leitung zum externen Verbraucher kann ein Produktspeicher 122 vorgesehen sein, in welchen das Produkt eingeleitet wird. Dabei ist sicherzustellen, dass eine ungewollte Rückströmung entlang der Arbeitsstrecke verhindert wird, was beispielsweise durch eine wechselseitige Verschaltung der Ventile oder Rückschlagventile erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird hier also N2 als leichte Komponente bzw. als Produkt aus abgetrennt und gespeichert bzw. dem externen Verbraucher zur Verfügung gestellt. Das dadurch erzeugte einfach reduzierte Rohgas, welches durch die Abtrennung von N2 eine erhöhte Molkonzentration von O2, CO2, H2 und ggf. anderen Gasen aufweist, und eine schwere Komponente ist, wird nicht als Abfallprodukt in die Umgebungsluft entlassen, sondern weiterverarbeitet.
Das einfach reduzierte Rohgas wird in dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel in das zweite Adsorptionsmodul 13 weitergeleitet. Zwischen dem ersten Adsorptionsmodul 12 und dem zweiten Adsorptionsmodul 13 kann optional ein weiterer Verdichter bzw. Zwischenverdichter
125 vorgesehen sein, wodurch eine größere Flexibilität in der Prozesstechnik ermöglicht werden kann.
Das zweite Adsorptionsmodul 13 beinhaltet eine PSA-Einheit 131 und einen Produktspeicher 132, welcher in dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel zur Lagerung von O2 bestimmt ist. Die PSA-Einheit 131 und das zweite Adsorptionsmodul 13 ist erfindungsgemäß so ausgelegt, dass es unabhängig und autark von anderen Modulen, insbesondere von dem Druckluftaufbereitungsmodul 11, dem ersten Adsorptionsmodul 12 und anderen Adsorptionsmodulen arbeiten, also das Adsorptionsverfahren durchführen, kann. Die PSA- Einheit beinhaltet eine erste Kolonne 133 und eine zweite Kolonne 134, welche separat voneinander geregelt und angesteuert werden können, wobei Leitungen, Ventile, Sensorik und weitere Komponenten entsprechend vorgehalten sind.
Die Arbeitsweise des zweiten Adsorptionsmoduls 13 ist für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt, so dass die erste Kolonne 133 eine Adsorptionsphase durchläuft, während zugleich die zweite Kolonne 134 eine Desorptions- bzw. Regenerationsphase durchläuft. Wenn die Adsorptionsphase eine Sättigung, hier beispielsweise mit CO2 und/oder H2, in der ersten Kolonne 133 oder in der zweiten Kolonne 134 in erreicht hat, was mittels Messung durch entsprechende Sensorik, beispielsweise ein Gasmessgerät, ermittelt werden kann, wird mittels einer Regelung die erste Kolonne 133 aus der Adsorptionsphase in die Desorptionsphase und die zweite Kolonne 134 von der Desorptionsphase in die Adsorptionsphase überführt.
Beide Kolonnen 133 und 134 sind mit einem Sorbentmaterial oder mit einer Rezeptur, die sich aus mehreren Typen von Sorbentmaterial zusammensetzt, gefüllt. Erfindungsgemäß wird das Sorbentmaterial mit getrocknetem Rohgas von unten nach oben durchströmt bzw. benetzt. Während mittels des Sorbentmaterials die Adsorption, also in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Abtrennung von Molekülen von CO2, H2 und eventuellen Resten von N2, stattfindet, wird der restliche, mit O2 angereicherte, Volumenstrom als Produkt mit Hilfe der Schaltung von dazu vorgesehenen Ventilen beispielsweise aus der ersten Kolonne 133 oder der zweiten Kolonne 134 durch eine Leitung zum externen Verbraucher weitergeleitet.
Alternativ zur Leitung zum externen Verbraucher kann ein Produktspeicher 132 vorgesehen sein, in welchen das Produkt eingeleitet wird.
Dabei ist sicherzustellen, dass eine ungewollte Rückströmung entlang der Arbeitsstrecke verhindert wird, was beispielsweise durch eine wechselseitige Verschaltung der Ventile oder Rückschlagventile erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird hier also N2 als leichte Komponente bzw. als Produkt aus abgetrennt und gespeichert bzw. dem externen Verbraucher zur Verfügung gestellt. Das dadurch erzeugte zweifach reduzierte Rohgas, welches durch die Abtrennung von O2 aus dem einfach reduzierten Rohgas eine erhöhte Molkonzentration von CO2, H2 und ggf. anderen Gasen aufweist, und eine schwere Komponente ist, wird nicht als Abfallprodukt in die Umgebungsluft entlassen, sondern weiterverarbeitet.
Das einfach reduzierte Rohgas wird in dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel in ein drittes Adsorptionsmodul 16 weitergeleitet. Das hier gezeigte dritte Adsorptionsmodul 16 ist eine alternative Ausführungsform des dritten Adsorptionsmoduls 14. Das dritte Adsorptionsmodul 16 beinhaltet eine PSA-Einheit 161 und einen Produktspeicher 164, welcher in dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel zur Lagerung von CO2 bestimmt ist. Optional beinhaltet das dritte Adsorptionsmodul ein einen Hochdruckverdichter inklusive Bündel 165. Die PSA-Einheit 161 und das dritte Adsorptionsmodul 16 ist erfindungsgemäß so ausgelegt, dass es unabhängig und autark von anderen Modulen, insbesondere von dem Druckluftaufbereitungsmodul 11 , dem ersten Adsorptionsmodul 12 und dem zweiten Adsorptionsmodul 13 und ggf. anderen Adsorptionsmodulen arbeiten, also das Adsorptionsverfahren durchführen, kann.
Die PSA-Einheit beinhaltet eine erste Kolonne 162 und eine zweite Kolonne 163, welche separat voneinander geregelt und angesteuert werden können, wobei Leitungen, Ventile, Sensorik und weitere Komponenten entsprechend vorgehalten sind. Die Arbeitsweise des dritten Adsorptionsmoduls 16 ist für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt, so dass die erste Kolonne 162 eine Adsorptionsphase durchläuft, während zugleich die zweite Kolonne 163 eine Desorptions- bzw. Regenerationsphase durchläuft. Wenn die Adsorptionsphase eine Sättigung, hier beispielsweise mit CO2, in der ersten Kolonne 162 oder in der zweiten Kolonne 163 in erreicht hat, was mittels Messung durch entsprechende Sensorik, beispielsweise ein Gasmessgerät, ermittelt werden kann, wird mittels einer Regelung die erste Kolonne 162 aus der Adsorptionsphase in die Desorptionsphase und die zweite Kolonne 163 von der Desorptionsphase in die Adsorptionsphase überführt.
Beide Kolonnen 162 und 163 sind mit einem Sorbentmaterial oder mit einer Rezeptur, die sich aus mehreren Typen von Sorbentmaterial zusammensetzt, gefüllt. Erfindungsgemäß wird das Sorbentmaterial mit getrocknetem Rohgas von unten nach oben durchströmt bzw. benetzt. Da in dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel das einströmende Gas ein zweifach reduziertes Rohgas ist, welches bereits um N2 und O2 reduziert wurde, ist in dem zweifach reduzierten Rohgas bereits ein erhöhter Molanteil von CO2 zu erwarten. Insbesondere kann das Sorbentmaterial so gewählt und eingesetzt werden, dass eventuell in dem zweifach reduzierten Rohgas verbleibende Reste von N2 oder O2 sich wie schwere Komponenten verhalten. Das gewonnene CO2 kann als Produkt zum externen Verbraucher weitergeleitet oder im Produktspeicher 164 gelagert werden, oder mittels eines Kompressors im optionalen Bündel 165 kann das Produkt auch beispielsweise auf 150 bar verdichtet werden.
In einer alternativen Ausführungsform, äquivalent zur Sekundärstufe 142, kann in der PSA- Einheit 161 ein Sorbentmaterial eingesetzt werden, in welchem sich CO2 als schwere Komponente verhält, also im Sorbentmaterial adsorbiert wird, wodurch sich die leichte Komponente, beispielsweise H2, separieren lässt und entsprechend als Produkt in einen Produktspeicher 15 weitergeleitet werden kann. Eine entsprechend dem erfindungsgemäßen Vorrichtungssystem ausgebildete Gastrennvorrichtung 10 erlaubt die Gewinnung sowohl von H2 also auch N2, als auch, O2, als auch CO2 als Produkte.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann insbesondere in den Adsorptionsmodulen eine Reinheitsgradeinstellung vorgesehen sein. Im ersten Adsorptionsmodul 12 kann ein der Reinheitsgrad der N2 Gewinnung von 2,0 bis 6,0 einstellbar sein. Dabei können nachgelagerte Selektivitätstechniken zum Einsatz kommen. Im zweiten Adsorptionsmodul 13 kann ein der Reinheitsgrad der O2 Gewinnung von 2,0 bis 5,0 einstellbar sein. Dabei können nachgelagerte Selektivitätstechniken zum Einsatz kommen. Im dritten Adsorptionsmodul kann ein der Reinheitsgrad der CO2 Gewinnung von 2,0 bis 5,0 einstellbar sein. Dabei können nachgelagerte Selektivitätstechniken zum Einsatz kommen. Insbesondere können als nachgelagerte Selektivitätstechniken elektrochemische Katalysatoren, Hohlfaser Membrantechnik und Ähnliches vorgesehen sein,
Weiterhin sind Ausführungsformen denkbar, in denen im dritten Adsorptionsmodul 16 eine Vakuumpumpe 166 vorgesehen ist, sodass der Prozess in der Desorptionsphase positiv beeinflusst werden kann.
Es sind weitere Ausführungsformen denkbar, mit welchen die die Gewinnung von CO2 beschleunigt werden kann. Beispielsweise kann die sekundäre Stufe ausgebildet sein, um eine variotherme Prozessführung TSA (Temperature Swing Adsorption) und/oder TPSA (Temperature Pressure Swing Adsorption) durchzuführen, mit welchen die CCh-Gewinnung verbessert werden kann.
Darüber hinaus kann an den Positionen 126 und 135 integrierte Heizelemente (nicht dargestellt) zur Temperierung des Sorbentmaterials vorgesehen sein. Die von den Heizelementen genutzte Wärme kann aus unterschiedlichen Quellen gewonnen werden. Beispielsweise ist die Nutzung von Abwärme der Kompressoren mittels Wärmetauschern oder eine elektrische Nachheizung denkbar.
Bezugszeichenliste
Gastrennvorrichtung
Druckluftaufbereitungsmodul
(erstes) Adsorptionsmodul
(zweites) Adsorptionsmodul
(drittes) Adsorptionsmodul
Produktspeicher
(drittes) Adsorptionsmodul zweite Ausführungsform-110 freibleibend 1 Filtervorrichtung 2 Verdichter 3 Trocknereinheit 4 Luftspeicher 4a Luftspeicher 5 Wasserabscheider 6 Leitung 7 Leitung 8 Rest-Entfeuchtungseinheit 9-120 freibleibend 1 PSA-Einheit 2 Produktspeicher 3 Erste Kolonne 4 Zweite Kolonne 5 Zwischenverdichter 6 Heizelementspositionen 7-130 freibleibend 1 PSA-Einheit 2 Produktspeicher 3 Erste Kolonne 4 Zweite Kolonne 5 Heizelementspositionen 6-140 freibleibend 41 Primärstufe 42 Sekundärstufe 143 Rest-Entfeuchtungseinheit 144 Produktspeicher 145 Bündel 146 Leitung 147 Hochdruck-Kompressor 148 PSA-Einheit 149 Erste Kolonne 149a Heizelementsposition 150-160 freibleibend 161 PSA-Einheit 162 Erste Kolonne 163 Zweite Kolonne 164 Produktspeicher 165 Hochdruckverdichter mit Bündel 166 Vakuumpumpe 167-1409 freibleibend 1410 Zweite Kolonne 1410a Heizelementsposition 1411 Druckluftleitung 1412 freibleibend 1413 Vakuumpumpe 1414 Erste Kolonne 1415 Zweite Kolonne

Claims

Patentansprüche
1. Modulares Gastrennverfahren zur Gewinnung von Produkten aus einer Umgebungsluft mittels Modulen eines modularen Gastrennvorrichtungssystems, umfassend:
Ansaugen eines Rohgases aus der Umgebungsluft und Abscheiden von O2 als erstes Produkt, N2 als zweites Produkt und CO2 als drittes Produkt aus dem Rohgas, wobei das Abscheiden der Produkte durch ein oder mehrere Adsorptionsverfahren geschieht, um das erste Produkt, das zweite Produkt und/oder das dritte Produkt zur Weiterverwendung zur Verfügung zu stellen, wobei das Verfahren so angepasst werden kann, dass die Produkte in einer gewünschten Reinheit, in einer gewünschten Menge und/oder in einer gewünschten Komposition zur Verfügung gestellt werden können, und die Adsorptionsverfahren Druckwechseladsorptionsverfahren beinhalten.
2. Gastrennverfahren nach Anspruch 1, wobei die Adsorptionsverfahren darüber hinaus Temperaturwechseladsorption und Temperaturdruckwechseladsorption beinhalten.
3. Gastrennverfahren, nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei aufbereitetes Rohgas als Produkt zur Weiterverwendung zur Verfügung gestellt wird.
4. Gastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Abscheiden der Produkte aus dem Rohgas ein Erzeugen eines reduzierten Rohgases durch das Abscheiden von O2 und N2 aus dem Rohgas und ein anschließendes Abscheiden von CO2 aus dem reduzierten Rohgas umfasst.
5. Gastrennverfahren nach Anspruch 4, wobei das Abscheiden von O2 und N2 aus dem Rohgas simultan geschieht.
6. Gastrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei weitere Produkte gewonnen werden, die H2 oder Ar umfassen.
7. Modulsatz für eine Gastrennvorrichtung (10) zur Umsetzung des Gastrennverfahrens nach Ansprüchen 1 bis 6, umfassend ein Druckluftaufbereitungsmodul (11), und einen Adsorptionsmodulsatz, welcher ein erstes Adsorptionsmodul (12) zum Abscheiden von N2, ein zweites Adsorptionsmodul (13) zum Abscheiden von O2 und ein drittes Adsorptionsmodul (14,16) zum Abscheiden von CO2 umfasst.
8. Modulares Gastrennvorrichtungssystem für die Durchführung des Gastrennverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gastrennvorrichtungssystem umfasst:
Modulsatz nach Anspruch 7, wobei das Druckluftaufbereitungsmodul (11) eine Filtervorrichtung (111), einen Verdichter (112), eine Trocknereinheit (113), einen Druckluftspeicher (114) umfasst, und jedes Adsorptionsmodul (12,13,14,16) des Adsorptionsmodulsatzes eine Adsorptionsvorrichtung (121 ,131 ,141,142,161), eine Gasleitungsvorrichtung, eine Anschlussvorrichtung und Regelungselektronik beinhaltet.
9. Modulares Gastrennvorrichtungssystem nach Anspruch 8, wobei jedes Adsorptionsmodul (12,13,14,16) des Adsorptionsmodulsatzes dafür vorgesehen ist, ein reduziertes Rohgas eines anderen, in Reihe angeordneten, Adsorptionsmoduls (12,13,14,16) weiter zu verarbeiten, wobei das reduzierte Rohgas durch das Abscheiden von mindestens einem von O2, N2 oder CO2 aus dem Rohgas erzeugt wird.
10. Modulares Gastrennvorrichtungssystem nach Anspruch 8, wobei ein jedes Modul eine äußere Verschalung und/oder eine innere Struktur aufweist.
11. Modulares Gastrennvorrichtungssystem nach Anspruch 8, wobei das Gastrennvorrichtungssystem außerdem ein oder mehrere Abscheidungsmodule umfasst, welche ausgebildet sind, weitere Produkte zu gewinnen, die H2 oder Argon umfassen.
12. Modulares Gastrennvorrichtungssystem nach Anspruch 8, wobei jedes Adsorptionsvorrichtung (121 ,131,141 ,142,161) zwei Kolonnen (123,124,133,134,162,163) umfasst, welche dazu ausgebildet sind, parallel zueinander eines der Adsorptionsverfahren durchzuführen, um einen kontinuierlichen Produktfluss zu erzeugen.
13. Modulares Gastrennvorrichtungssystem nach Anspruch 8, wobei mindestens eine Adsorptionsvorrichtung (121,131 ,141 ,142,161) zur Reinheitsgradeinstellung eingerichtet ist.
14. Vorrichtungsmodulsatz für die Gewinnung von Produkten aus einer Umgebungsluft umfassend ein Druckluftaufbereitungsmodul (11) nach Anspruch 7; und wenigstens eines der Module des Adsorptionsmodulsatzes nach Anspruch 7.
15. Gastrennvorrichtung zur Gewinnung von Produkten aus einer Umgebungsluft, umfassend den Vorrichtungsmodulsatz nach Anspruch 13.
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