NL8601664A - Werkwijze voor het verhogen van het gehalte aan tenminste een gewenst bestanddeel van een meerdere bestanddelen bevattend gas; installatie voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze en lucht verrijkt met zuurstof onder toepassing van de werkwijze. - Google Patents

Description

I > I

865042/Ba/Jb

Titel: Werkwijze voor het verhogen van het gehalte aan tenminste één gewénst bestanddeel van een meerdere bestanddelen bevattend gas; installatie voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze en lucht verrijkt met zuurstof onder toepassing van de werkwijze.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verhogen van het gehalte aan tenminste één gewenst bestanddeel van een meerdere bestanddelen bevattend gas onder toepassing van drukschommelingsadsorptie.

5 · Een dergelijke werkwijze is bekend uit het

Amerikaanse octrooischrift 3237377. In bedoeld octrooischrift wordt een werkwijze beschreven waarin een luchtstroom wordt gevoerd in een adsorptiemiddel bevattend bed bij betrekkelijk hoge druk en waarbij stikstof, vocht en 10 C02 door het adsorptiemiddel worden geadsorbeerd. Het uit de adsorptiezone tredende produkt heeft daardoor een verhoogd zuurstofgehalte. Volgend op de adsorptie wordt een desorptie-trap uitgevoerd bij betrekkelijk lage druk om de door het adsorptiemiddel selectief geadsorbeerde gassen vrij 15 te maken en af te voeren. De stappen van adsorptie en desorptie worden betrekkelijk snel na elkaar uitgevoerd en de stromingsrichting door het bed gedurende adsorptie en desorptie is tegengesteld.

Bij de adsorptie van gasvormige stoffen aan vaste 20 adsorptiemiddelen komt latente adsorptiewarmte vrij. Deze adsorptiewarmte leidt tot een temperatuurverhoging van het adsorptiemiddel en het niet-geadsorbeerde gas.

De in de adsorptie-stap vrijkomende warmte wordt doof de stroming van het niet-geadsorbeerde gas in de 25 richting van het adsorptiemiddelbeduiteinde getransporteerd waar het met zuurstof verrijkte gas wordt afgevoerd. Bij de daarop volgende desorptie wordt warmte aan het bed onttrokken en aangezien in dat geval de 8601 δ δ"4 -2- * »· if k gasstromingsrichting tegengesteld is aan de richting die tijdens de adsorptie wordt toegepast zal in dat geval de temperatuur aan het beduiteinde (d.w.z. het uiteinde van het bed dat ligt aan de zijde waar in de adsorptie-trap de 5 gastoevoer plaatsvond) lager zijn dan op de plaats waar in de desorptie-stap het gas werd toegevoerd. Door voortgaan met het uitvoeren van adsorptie en desorptie-trappen wordt daardoor de temperatuur van het adsorptiemiddel aan de produktafvoerzijde steeds hoger en aan de toevoerzijde van 10 het onbehandelde gas steeds lager, waardoor zich een betrekkelijk grote temperatuurgradiënt over de lengte van het bed instelt.

Aangezien de desorptieeigenschappen van het adsorptiemiddel bij lagere temperatuur slechter worden 15 resulteert dit in de situatie dat de geadsorbeerde bestanddelen aan de voedingszijde van het bed bij voortgezet bedrijven van de inrichting slecht gedesorbeerd worden. Anderszins worden door de hoge temperatuur bij de produktafvoerzijde van het bed de adsorptieeigenschappen 20 van het adsorptiemiddel minder goed. Door deze beide omstandigheden neemt derhalve de effectiviteit van het adsorptiebed in de loop van de tijd af.

Door toevoer van warm onbehandelde gas repectieve-lijk koud regeneratiegas kan de door de adsorptie -25 desorptie veroorzaakte temperatuurgradient gedeeltelijk gereduceerd en zelfs omgekeerd worden. Een temperatuur vereffening is echter niet mogelijk aangezien de bij de invoer en uitvoeropeningen liggende zones sterk worden beïnvloed, terwijl de meer naar binnen gelegen zones van het adsorptie-30 middelbed echter nauwelijks beïnvloed worden.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel voor dit probleem een oplossing te verschaffen waarbij sterke temperatuurgradiënten over het adsorptiebed niet meer voorkomen en waarbij gedurende langer gebruik van het bed 35 de effectiviteit daarvan niet wezenlijk veranderd.

De werkwijze wordt daartoe volgens de uitvinding gekenmerkt doordat één of meer adsorptieinrichtingen worden 8601664 ✓ ♦ -3- tcegepast die elk meerdere kamers omvatten waarbij aan elkaar grenzende kamers met elkaar in warmteuitwisselings-aanraking zijn en de gasstroming in elk der kamers zodanig wordt ingesteld dat de zich in aan elkaar grenzende kamers 5 vormende temperatuurgradiënten tegengesteld zijn.

Door er voor te zorgen dat in een adsorptieinrichting steeds de in de aan elkaar grenzende kamers gevormde temperatuurgradiënten tegengesteld aan elkaar zijn en de warmteuitwisseling door de aard van de 10 aanraking tussen de kamers te bevorderen, wordt bij het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding bereikt dat een zeer hoge mate van temperatuuregaliteit over de in de kamers aanwezige adsorptiemiddelbedden wordt gerealiseerd, wat leidt tot een constante effectiviteit.

15 In het bijzonder zijn in de werkwijze volgens de uitvinding meerdere adsorptieinrichtingen in .warmteuitwisselingsaanraking met elkaar verbonden op zodanige wijze dat de zich in aan elkaar grenzende adsorptieinrichtingen vormende temperatuurgradiënten 20 tegengesteld zijn. Door deze maatregel wordt bereikt dat eventueel aan de begrenzingen van de adsorptieinrichtingen optredende gradiënten door aaneenschakeling van meerdere adsorptieinrichtingen nog zoveel mogelijk wordt voorkomen. Gedacht kan hierbij worden aan het met de zijwanden in 25 warmteuitwisselingsaanraking tegen elkaar plaatsen van meerdere adsorptieinrichtingen.

Met voordeel wordt in de werkwijze volgens de uitvinding ervoor gezorgd dat in aan elkaar grenzende kamers waarin dezelfde trap of verschillende trappen uit het druk-30 schommelingsadsorptieproces verlopen, die beide in de adsorp-tierichting of beide in de desorptierichting worden uitgevoerd, de gasstromingen in tegenstroom zijn, terwijl gelijkstroom wordt toegepast, alsvan dezelfde of verschillende trappen de ene in de adsorptierichting en de 35 andere in de desorptierichting wordt uitgevoerd. Bij deze maatregel kan gedacht worden aan het in lengterichting van de verschillende kamers laten stromen van het te behandelen gas S60 1 66 4 ί » -4- waarbij dus indien in twee aan elkaar grenzende kamers de adsorptie-stap wordt uitgevoerd de gasstroming in beide kamers tegengesteld dient te zijn; terwijl indien in de ene kamer adsorptie plaatsvindt en in de andere kamer desorptie de 5 stromingsrichting van het gas in dat geval gelijkgericht dient te zijn.

De onderhavige uitvinding heeft voorts betrekking op een installatie voor het door drukschommelingsadsorptie verhogen van het gehalte aan tenminste één gewenst 10 bestanddeel van een meerdere bestanddelen bevattend gas omvattende één of meer adsorptieinrichtingen.

Deze installatie wordt volgens de uitvinding gekenmerkt doordat elk der tot de installatie behorende adsorptieinrichtingen kamers omvat die door 15 warmtegeleidende tussenwanden zijn gescheiden en middelen aanwezig zijn voor het naar wens instellen van de gasstroming in elk der kamers.

- In een bijzondere uitvoeringsvorm van de installatie volgens de uitvinding geldt dat elk der kamers van een tot 20 de installatie behorende adsorptieinrichting door een warmtegeleidend schot in twee helften is verdeeld die door een opening in genoemd schot bij één der kameruiteinden met elkaar in verbinding staan.

Door in elk der kamers een schot op te nemen waardoor 25 de kamer in twee helften wordt verdeeld wordt de kamer in de lengte dubbelgevouwen en wordt bereikt dat hoge temperatuurzijde en lage temperatuurzijde van éénzelfde kamer tegen elkaar komen te liggen waardoor ook een belangrijke temperatuurvereffeningsmogelijkheid geschapen 30 is.

Doelmatig is in de installatie volgens de uitvinding voor het instellen van de gasstroming elk der kamers van een adsorptieinrichting van één of meer kleppen voorzien.

In het bijzonder zijn in de installatie volgens de 35 uitvinding elk der kamers van een adsorptieinrichting en indien meerdere adsorptieinrichtingen aanwezig zijn alle adsorptieinrichtingen met één centrale rotatieklep 8 60 1 6 6 4 -5- verbonden. Door het toepassen van één centrale klep voor het regelen van alle gasbewegingen wordt bereikt dat een belangrijke besparing aan installatiekosten wordt . verkregen samenhangend met de vereenvoudigde besturing voor 5 één enkele klep in vergelijking met de besturing en eventuele bekrachtiging die bij het gebruik van een systeem dat een groot aantal kleppen bevat benodigd is.

Een dergelijke centrale rotatieklep kan bijvoorbeeld gevormd worden door een van een gastoevoeropening 10 voorzien huis waarin twee van openingen voorziene delen afdichtend op elkaar aansluiten waarbij door beweging van beide delen ten opzichte van elkaar openingen van beide delen voor het vormen van verbindingen kunnen samenvallen.

In dat geval zal tenminste één van beide delen verbindings-15 elementen omvatten voor het met elkaar verbinden van openingen van dat deel. Door het bedienen van de hiervoor beschreven centrale klep kan worden bereikt dat afwisselend ih elk der met adsorptiemiddel gevulde kamers een adsorptieproces en een desorptieproces plaatsvindt terwijl 20 bovendien zoals gebruikelijk steeds voor het verhogen van de druk in één kamer een in een andere kamer beschikbare overtollige gashoeveelheid van voldoend hoge druk wordt toegepast.

Uiteraard is het zowel bij toepassing van met elk 25 der kamers samenwerkende kleppen alsook voor toepassing van één centrale rotatieklep noodzakelijk dat de klepbeweging volgens een bepaald programma worden uitgevoerd.

Met bijzonder veel voordeel is daartoe een regeleenheid aanwezig voor het geprogrammeerd bedienen van 25 de bij de inrichting behorende klep of kleppen. In dat geval dienen uiteraard de kleppen van een type te zijn dat op afstand bedient kan worden. Dergelijke kleppen zijn algemeen bekend.

In verband met veiligheidsvoorschriften zal ervoor 25 gezorgd worden dat de met het te behandelen gas in aanraking komende delen van de installatie van metalen gebruik wordt gemaakt die geen neiging tot vonkvorming vertonen. Voor het β SO 166 4 -6- geval van zuurstofverrijking van lucht kunnen koper en koperlegeringen genoemd worden.

In de klep of kleppen die deel uitmaken van de installatie zal voor het verminderen van de wrijving van 5 afdichtend op elkaar aansluitende vlakken gekozen worden voor een bekleding van één der vlakken met een geschikte kunststof, bijvoorbeeld met glasvezels versterkt polytetrafluorethyleen. Het andere vlak kan dan uit één van de eerdergenoemde metalen zijn vervaardigd.

10 Bij toepassing van een centrale vlakke klep zal met voordeel tussen de kunststofbekleding op één der vlakken en dat vlak een elastomeerlaag worden aangebracht. Door deze maatregel wordt de afdichting der vlakken nog verbeterd.

' De uitvinding zal nu worden toegelicht met behulp 15 van de tekening waarin:

Figuur 1 een schematische voorstelling is van een installatie volgens de uitvinding.

F'iguur 2 een perspectief beeld van een adsorptieinrichting volgens de uitvinding met een viertal kamers 20 weergeeft.

Figuur 3 een schematische weergave voorstelt van een adsorptieinrichting volgens de uitvinding waarbij in een deel der kamers de adsorptie-trap wordt uitgevoerd en in een ander deel der kamers 25 desorptie plaatsvindt.

Figuur 4 een uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding voorstelt waarbij elk der kamers door middel van een schot in twee gedeelten is verdeeld.

30 Figuur 5 een grafiek van het verloop van de druk in de tijd in een adsorptiekamer weergeeft.

In Figuur 1 is met algemeen verwijzingscijfer 1 een adsorptieinrichting volgens de uitvinding aangegeven, waarbij met 2 de kamers zijn aangeduid die met 35 adsorptiemiddel zijn gevuld.

Dit adsorptiemiddel kan uit een voor deze doeleinden bekend materiaal bestaan; voor het verrijken met zuurstof 8601664 -7- van lucht wordt met voordeel gebruik gemaakt van zeoliet-type moleculaire zeven waaraan stikstof, waterdamp en kooldioxyde selectief geadsorbeerd kunnen worden. Met cijfer 3 is schematisch het adsorptiemiddelbed aangegeven 5 waarbij zeefplaten 4 voor scheiding van het adsorptiemiddel en de gas aan- en afvoerruimten zorgdragen. Met 5 en 6 zijn respectievelijk de voedingsgasaanvoer en produktafvoer aangegeven.

Zoals aan de pijlen zichtbaar is zijn in aan elkaar IQ grenzende kamers 2 de stromingsrichtingen tegengesteld wat resulteert in tegengestelde temperatuurgradiënten.

In Figuur 2 is op wat vergrote schaal aangegeven hoe in een adsorptieinrichting een viertal kamers met elkaar verbonden zijn waarbij door geschikte keuze van de 15 verbindingen voor tegengestelde stroming aan elkaar grenzende kamers wordt zorggedragen. De verbinding tussen de diverse kamers wordt gevormd door warmtegeleidende tüssenschotten 7 waarbij de kamers door permanente verbindingstechnieken zoals lassen, lijmen e.d. aan elkaar 20 verbonden kunnen zijn maar waarbij uiteraard ook een losneembare constructie mogelijk is.

In Figuur 3 is de situatie weergegeven dat bij 10 te behandelen gas wordt aangevoerd en verdeeld wordt over een drietal kamers. De produktafvoer vindt via 9 plaats; 25 van de produktafvoer wordt een gedeelte 11 afgenomen en als spoelgas toegevoerd aan de resterende kamers die op deze wijze worden geregenereerd. Bij genoemde regeneratie vindt derhalve desorptie plaats van de aan het adsorptiemiddel geadsorbeerde gassen. Het tijdens de regeneratie 30 vrijkomende gasmengsel wordt afgevoerd via 8. De gasstroming in aan elkaar grenzende kamers is in dit geval gelijkgericht.

In Figuur 4 zijn vier kamers 12, 13, 14 en 15 aangegeven waarbij elke kamer door een tussenwand 16 in 35 twee gedeelten wordt verdeeld. Bij het uiteinde van elke kamer bezit de tussenwand een opening zodat het gas van de ene kamerhelft in de tweede kamerhelft terecht kan komen.

§601664 -8- * 'w t "

In dit voorbeeld zijn kamers 12, 13 en 14 in gebruik voor een adsorptie-stap of een drukverlagingsstap, die in dezelfde stromingsrichting als de adsorptierstap verloopt. Kamer 15 wordt geregenereerd.

5 Figuur 4 stelt de procestoestand voor zoals die in tabel A in stap 1 is weergegeven (genoemde tabel zal hierna nog uitgebreid besproken worden). Kamer 12 in Figuur 4 is bezig in de stap adsorptie met persen van lucht (PV) en (PVH); kamer 13 levert produklt (P) en levert gas 10 voor de drukvereffening (OVH). Kamer 14 geeft gas af voor spoelen (OOS) en kamer 15 wordt onder vacuum gespoeld (VS). Aangezien de stappen (OVH) (OVL) en (OOS) in dezelfde r'ichting als de desorptie verlopen, verkeren de aan elkaar grenzende kamerdelen van de kamers 12, 13 en 14 in 15 tegenstroom terwijl tussen de rechterkamerhelft van 14 en de linker kamerhelft van 15 gelijkstroom optreedt.

In tabel A is aangegeven het procesverloop voor een uit vier adsorptiekamers bestaand adsorptiemiddelsysteem waarbij als functie van de tijd de in de verschillende 20 kamers uitgevoerde processtappen zijn aangegeven. Op tijdstip 0 seconden vindt in adsorptiekamer 1 de persvereffening bij verhoogde druk plaats met behulp van overtollige lucht van voldoende druk uit adsorptiekamer 2 terwijl tegelijkertijd voedingslucht wordt bijgeperst. Na 25 drie seconden is een voldoend hoge druk bereikt en kan de produktafvoer aanvangen. Deze produktafvoer loopt door tot 10 seconden na de aanvang van de cyclus waarna een ontlaatvereffening plaatsvindt waarbij de daarbij vrijkomende lucht wordt toegevoerd aan adsorptiekamer 4 30 zoals met een pijl in de tabel is aangegeven. Op tijdstip 16 seconden is nog lucht van voldoende druk aanwezig om een persvereffening bij lage druk uit te voeren voor adsorptiekamer 3 zoals met de pijl is aangegeven. Deze persvereffening is op tijdstip 20 seconden beëindigd waarna 35 wordt ontlaten onder spoelen. De daarbij vrijkomende lucht wordt toegevoerd aan adsorptiekamer 2 die op dat moment op 3§01664 -9- een voldoend lage absolute druk verkeert. Dit ontlaten onder spoelen gaat door tot tijdstip 26 seconden, op welk tijdstip het systeem onder een sterk verlaagde druk wordt gebracht zodat de desorptie van geadsorbeerde gassen kan 5 worden gerealiseerd. Deze drukverlaging blijft doorgaan tot tijdstip 30 secconden waarna het vacuum spoelen een aanvang neemt. Tijdens het vacuum spoelen wordt gas van relatief hoge druk aan kamer 1 toegevoerd; de capaciteit van de vacuumpomp is voldoende hoog om een goede desorptie van 10 geadsorbeerde bestanddelen te waarborgen. Het vacuumspoelen gaat door tot tijdstip 36 seconden waarna de druk in adsorptiekamer 1 weer geleidelijk wordt opgevoerd door toevoer van gas van voldoend hoge druk uit adsorptiekamer 3'. Op tijdstip 40 seconden is de druk in adsorptiekamer 1 15 weer ongeveer atmosferisch waarna de hiervoor geschetste cyclus voor adsorptiekamer 1 weer opnieuw in de hiervoor beschreven volgorde kan plaatsvinden. In de tabel zijn voor de drie andere adsorptiekamers eveneens de druk/tijd processen weergegeven; de tabel spreekt voor zichzelf.

20 Uit de tabel wordt duidelijk dat steeds voor het verhogen van de druk in één der conmpartimenten een, in verband met de gewenste drukverlaging in een ander compartiment overtollige, gashoeveelheid van voldoende hoge druk wordt gebruikt. Op deze manier xvordt een aanzienlijke 25 besparing in pompkosten gerealiseerd.

De hiervoor aan de hand van tabel A beschreven druk/tijd geschiedenis van adsorptiekamers 1, 2, 3 en 4 wordt door adsorptiekamer 1 nogmaals in grafiekvorm in Figuur 5 weergegeven. In deze grafiek worden de stappen 30 van tijd 0 tot 26 in de adsorptieïichtinc^en de stappen van tijd 26 tot 40 in de desorptierichting uitgevoerd.

Opgemerkt wordt nog dat de uitvoering van de kamers 2 van het adsorptiemiddelsysteem buitengewoon eenvoudig is aangezien de vulling met zeoliettype moleculaire zeven een 35 ondersteuning van de wanden tijdens het vacuumgedeelte van elke cyclus mogelijk maken zodat de wandkonstruktie van de kamers bijzonder licht kan zijn wat direkr al tot een 860 1 664 \ -10- aanzienlijke besparing aan investeringen leidt.

Door uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding kan bijvoorbeeld een verrijking met zuurstof van lucht worden verkregen zoals in onderstaande tabel is 5 aangegeven.

bestanddeel_voedings lucht_produkt O2 20,95 vol. % 80-96 vol. % N2 78,08 vol. % aanvulling

Argon. 0,93 vol. % 3,5-4,5 vol. % 10 C02 0,03 vol. % vrij H20 verzadigd of minder vrij

Koolwaterstoffen sporen vrij

In het hiervoor gegeven voorbeeld is uitgegaan van de toepassing van de werkwijze voor het met zuurstof 15 verrijken van lucht. De werkwijze kan echter met.evenveel succes worden toegepast voor het verrijken aan één of meer bestanddelen van een ander meerdere bestanddelen bevattend gas zolang er een affiniteitsversch.il bestaat tussen het gewenste bestanddeel of de gewenste bestanddelen en de 20 overige bestanddelen.

S601664

Claims (9)

1. Werkwijze voor het verhogen van het gehalte aan tenminste één gewenst bestanddeel van een meerdere bestanddelen bevattend gas onder toepassing van drukschommelingsadsorptie 5 met het kenmerk dat één of meer adsorptieinrichtingen (1) worden toegepast . die elk meerdere kamers (2) omvatten waarbij aan elkaar grenzende kamers (2) met elkaar in warmteuitwisselings-aanraking zijn en de gasstroming in elk der kamers (2) 10 zodanig wordt ingesteld dat de zich in aan elkaar ' grenzende kamers (2)als gevolg van adsorptie en desorptie warmte vormende temperatuurgradiënten tegengesteld zijn.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk 15 dat meerdere adsorptieinrichtingen (1) in warmteuitwisselingsaanraking met elkaar verbonden zijn op zodanige wijze dat de zich in aan elkaar grenzende adsorptieinrichtingen (1) vormende temperatuurgradiënten tegengesteld zijn.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk dat in aan elkaar grenzende kamers (2) waarin dezelfde trap of verschillende trappen uit het drukschommelingsadsorptie tieproces verlopen, die beide in de adsorptierichting of 25 beide in de desorptierichting worden uitgevoerd, de gasstromingen in tegenstroom zijn terwijl gelijkstroom wordt toegepast als van dezelfde of verschillende trappen de ene in de adsorptierichting en de andere in de desorptierichting wordt uitgevoerd.

4. Installatie voor het door drukschommelingsadsorptie verhogen van het gehalte aan tenminste één gewenst 860 1 664 τ -12- bestanddeel van een meerdere bestanddelen bevattend gas omvattende één of meer adsorptieinrichtingen (1) met het kenmerk dat elk der tot de installatie behorende 5 adsorptieinrichtingen (1) kamers (2) omvat die door warmtegleidende tussenwanden (7) zijn gescheiden en middels aanwezig zijn voor het naar wens instellen van de gasstroming in elk der kamers.

5. Installatie volgens conclusie 4 10 met het kenmerk dat elk der kamers van een tot de installatie behorende adsorptieinrichting door een warmtegeleidend schot (16) in twee helften (2,2") is verdeeld die door een opening in genoemd schot bij één der kameruiteinöen met elkaar in 15 verbinding staan.

6. Installatie volgens conclusie 4 of 5 met het kenmerk dat voor het instellen van de gasstroming elk der kamers (2) van een adsorptieinrichting (1) van één of meer kleppen 20 is voorzien.

7. Installatie volgens conclusie 4 of 5 met het kenmerk dat elk der kamers (2) van een adsorptieinrichting (1) en eventueel alle adsorptieinrichtingen (1) met één centrale 25 rotatieklep zijn verbonden.

8. Installatie volgens conclusie 6 of 7 met het kenmerk dat een regeleenheid aanwezig is voor het geprogrammeerd bedienen van de bij de inrichting behorende klep of 30 kleppen. 8601684 V , -13-

9. Lucht verrijkt met zuurstof met het kenmerk dat deze lucht verkregen is onder toepassing van de werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1-4 en 5 gebruik van een adsorptiemiddel in de vorm van zeoliettype moleculaire zeven. 860 1 66 4