NO145420B - Fremgangsmaate ved fraksjonering av en gassblanding. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåter ved fraksjonering av en gassblanding under anvendelse av minst to sjikt av et materiale som er i stand til ved et relativt høyt trykk selektivt å absorbere en av gassblandingens bestanddeler, idet sjiktene alternativt trykksettes og holdes ved det relativt høye trykk, henholdsvis avlastes fra dette trykk, idet trykksetningen, henholdsvis avlastningen for hvert sjikt skjer i et antall deloperasjoner, idet det i deloperasjon I

og II skjer en absorpsjon av den absorberbare bestanddel og en dannelse av produktgass, i deloperasjon III skjer en trykksenkning ved trykkutjevning mellom de- to sjikt, i deloperasjon IV skjer en trykksenkning. til 'désorps jonstrykket, 1 deloperasjon V og VI skjer en spyling av sjiktene med produktgass, idet det i deloperasjonene VII, VIII, IX og X skjer en trykkøkning i sjiktene inntil absorpsjonstrykket oppnås.

En fremgangsmåte av denne generelle art er tidligere kjent f.eks. fra det svenske patent 2 01 34 0 samt: fra US patent 2 944 '627. Foreliggende oppfinnelse hår til formål å til-veiebringe en fullstendigere fraksjonering og et bedre utbyt-te av den mindre lett adsorberbare komponent av gassblanding-en. Dette oppnås ifølge foreliggende oppfinnelse ved at trykkutjevningen mellom sjiktene i deloperasjon III utføres ved at det første sjikts utløpsside (bunn) forenes med det andre sjikts innløpsside (topp), at spylingen av sjiktene i deloperasjon V og VI utføres med produktgass fra en produktgasstank og at trykkforøkningen i deloperasjon VII utføres ved at produktgassen tilføres sjiktenes utløpsside (bunn) og i deloperasjon VIII ved at det andre sjikts utløpsside (bunn) forbindes med det første sjikts innløpsside (topp).

Oppfinnelsen anvendt ved et tosjiktsystem beskrives i det etterfølgende i forbindelse med tegningene, hvor fig. 1 viser et koblingsskjerna over anlegget, fig. 2 viser tidsrekkefølgen for de forskjellige funksjonsfaser for de to i anlegget inngående sjikt,

fig. 3 viser de gasstrømninger som hersker i anordningen under forskjellige funksjonsfaser, og

fig. 4 viser konsentrasjonsprofilen i et sjikt på forskjellige tidspunkter av en hel operasjonssyklus.

Den anordning som skjematisk vises i fig. 1 kan anvendes for fraksjonering av en vilkårlig gassblanding, men i foreliggende tilfelle kan antas at den er beregnet for fraksjonering av luft, slik at som produktgass fås oksygen, som er praktisk talt fri for nitrogen. Anordningen omfatter to sjikt 1 og 2. Hvert av disse inneholder en zeolittisk molekylsikt med evne til ved et relativt høyt trykk å adsorbere nitrogen i vesentlig høyere grad enn oksygen. Rågassen, som i dette tilfelle utgjøres av komprimert luft, tilføres en tilkobling 3. Den tilførte luft kan være komprimert til et trykk på ca. 4 bar. Fra tilkoblingen 3 passerer rågassen gjennom en trykkregulator 4 og en innstillbar struping 5 til et par styrbare ventiler 6 og 7. Gjennom disse kan rågassen ledes enten til sjiktet 1 eller til sjiktet 2. Den produktgass som forlater sjiktet 1 ved dets utløpsside når over en styrbar ventil 8 og en innstillbar struping 9 til en produkt-tank 10, som er beregnet for oppsamling av den frembragte produktgass. Den produktgass som frembringes i sjiktet 2 når på analog måte over en styrbar ventil 11 og strupingen 9 til produkttanken 10. Fra denne kan produktgassen uttas over en ut-løpsledning 12. Strupingen 9 inngår i en produktledning 13.

På i og for seg kjent måte kan utløpssiden av et sjikt forenes med innløpssiden for det andre sjikt. Dette skjer over styrbare ventiler 14 og 15 ved sjiktenes utløpsende og styrbare ventiler 16 og 17 ved sjiktenes innløpsende samt en mellom disse ventil-par innkoblet innstillbar struping 18. Videre kan innløpsenden av sjiktet 1 over en styrbar ventil 19 og innløpsenden av sjiktet 2 over en styrbar ventil 20 settes i direkte forbindelse med omgivende atmosfære eller med en vakuumpumpe over en avlast-ningsledning 21.

For å muliggjøre at spyling og trykkavsetting av et sjikt med produktgass skal kunne utføres uavhengig av funksjonstilstanden for det andre sjikt er anordningen utført slik at produktgass fra tanken 10 over en ledning 22 og én av de styrbare ventiler 14 og 15 kan tilføres utløpssiden av resp. sjikt. Av grunner som vil fremgå av det etterfølgende er ledningen 22 oppdelt i to parallelle grener, hver inneholdende en styrbar ventil 23 resp. 24 samt en innstillbar struping 25 resp. 26.

De forskjellige styrbare ventiler styres, fortrinnsvis automa-tisk, slik at under de deloperasjoner betegnet med I ... X, som tiIsammen danner en hel operasjonssyklus, tilveiebringes de gasstrømninger som er vist i fig. 3. Tilsvarende deloperasjoner som funksjon av tiden vises i fig. 2, hvor den øvre rekke viser deloperasjonene for sjiktet 1 og den nedre rekke viser deloperasjonene for sjiktet 2. Således skjer for sjiktet 1 under fasene I og II adsorpsjon av adsorberbar komponent og dannelse av produktgass, under fase III trykksenkning ved trykkutjevning mellom sjiktene 1 og 2 (Tsl) og under fase IV trykksenkning til det relativt lave desorpsjonstrykk (Ts2). Under fasene V og VI skjer i sjiktet 1 en spyling med produktgass, hvorefter under fasene VII - X en trykkøkning i sjiktet 1 fore-tas, nemlig under fase VII med produktgassen (To2), under fase VIII ved trykkutjevning mellom sjiktene (Tol) og endelig under fasene IX og X ved hjelp av rågass (T63). Derefter er dette sjikt på ny klart til å frembringe produktgass. Ved det her valgte utførelseseksempel er en hel syklustid = 208 sek., og av fig. 2 fremgår tidspunktene når anlegget går over fra en deloperasjon til neste. Av figurene 2 og 3 fremgår at operasjonssyklusen for sjiktet 2 er tidsforskjøvet i forhold til operasjonssyklusen for sjiktet 1 på en slik måte at under trykkutjevning mellom sjiktene skjer trykksenkning i det ene sjikt og trykkøkning i det andre sjikt.

Fig. 4 viser et eksempel på utseendet av konsentrasjonsprofilen, altså innholdet av oksygen, innenfor forskjellige partier av sjiktet 1 fra innløpssiden øverst, til utløpssiden, altså ned-erst i resp. delfigur. Hver delfigur anskueliggjør konsentrasjonsprofilen på et i resp. delfigur angitt tidspunkt under overgangen fra en deloperasjon til neste.

Under henvisning til tegningene skal i det efterfølgende rede-gjøres mere detaljert for de prosesser som foregår i sjiktet 1.

På tidspunktet 0 er i sjiktet 1 adsorpsjonstrykket oppnådd ved tilførsel av luft under deloperasjonene IX og X. I sjiktets inn-løpsende er molekylsikten mettet med luft av herskende trykk. I utløpsenden finnes "ren" produktgass, altså en gass som tilnærmelsesvis består av 95% oksygen og 5% argon. Under delopera-sjonen I tas produktgassen ut av sjiktet med en av strupingen 9 nøye kontrollert hastighet, og trykkregulatoren 4 ved innløps-enden bevirker at luft tilføres på en slik måte at trykket hele tiden holdes konstant. Når gassen passerer gjennom sjiktet skjer en fraksjonering, da nitrogen adsorberes i høyere grad enn oksygen. Alt eftersom adsorpsjonen skrider frem, blir sjiktet mer og mer mettet med luft. Ved at gasshastigheten holdes under en høyeste kritisk verdi, bibeholdes en nitrogenfri sone nærmest utløpsenden under hele den tid produktgass uttas fra sjiktet.

Under deloperasjon II fortsetter produksjonen av nitrogenfri produktgass fra sjiktet 1. Denne produksjon avbrytes på tidspunktet 66 (sek) umiddelbart før innholdet av nitrogen stiger i den utgående produktgass.

Under deloperasjon III er utløpsenden av sjiktet 1 blitt forenet med innløpsenden av sjiktet 2 samtidig som tilførsel av luft til sjiktet 1 er blitt avbrutt og som følge av dette skjer en trykksenkning i sjiktet 1. Partialtrykksenkningen for gasskompo-nentene som blir resultatet, forårsaker desorpsjon av disse i sjiktet. Den første andel av gassen som forlater sjiktet 1 inneholder ca. 95% oksygen, mens den siste andel inneholder 40 - 60%. Gjennomsnittsinnholdet oksygen i gassen som forlater sjiktet 1 ligger altså betydelig over oksygeninnholdet i luft.

Under deloperasjon IV skjer trykksenkning i sjiktet 1 ved at dets innløpsende forbindes med atmosfæren eller med en vakuumpumpe. Senkningen av partialtrykkene gir da en ytterligere desorpsjon og en del av det desorberte materiale spyles ut.

Under deloperasjon V påbegynnes spyling av sjiktet 1 fra dets utløpsende til innløpsenden ved at nitrogenfri produktgass til-føres fra produkttanken 10 over den styrbare ventil 2 3 og den innstillbare struping 25 i ledningen 22. Den innstillbare struping 25 er da således avpasset at tilførselen av produktgass skjer relativt langsomt.

Under deloperasjon VI fortsetter spylingen av sjiktet 1 med produktgass over ventilen 23 og strupingen 25. Det lave partialtrykk av nitrogen i spylegassen gjør at nitrogen desorberes fra molekylsikten og spyles ut fra sjiktet.: Ved innledningen av deloperasjon VII stenges utløpet til atmosfæren og tilførsel av produktgass til sjiktet 1 fortsetter, nu gjennom den styrbare ventil 24 og den innstillbare struping 26. Den nitrogenfrie produktgass som nu strømmer inn i sjiktet til-veiebringer dels en trykkøkning, dels en desorpsjon av nitrogen i den nedre utløpsende. Det desorberte nitrogen føres med gass-strømmen mot sjiktets øvre innløpsende og adsorberes igjen i molekylsikten når gassens partialtrykk av nitrogen overskrider det som tilsvarer likevektsforholdet i molekylsikten. Under deloperasjon VII skjer således en forflytting av nitrogen fra sjiktets utløpsende mot dets innløpsende, samtidig som en nitrogenfri sone opprettes i sjiktets utløpsende.

Ved begynnelsen av deloperasjon VIII avbrytes tilførselen av produktgass til sjiktet 1 og i stedet forenes innløpsenden av sjiktet 1 med utløpsenden av sjiktet 2. Gass strømmer således fra sjiktet 2 til sjiktet 1 under trykkøkning i dette. Denne deloperasjon fortsetter inntil trykklikevekt er oppnådd mellom sjiktene. For trykkøkningen av sjiktet 1 anvendes én relativt oksygenrik gass, slik som angitt i forbindelse med beskrivelsen av deloperasjon III. Da denne gass dog har betydelig lavere oksygeninnhold enn den gass som befinner seg ved utløpsenden av sjiktet 1 får ikke trykkutjevningen gjøres så raskt at den nitro-genrike gass strømmer gjennom sjiktet 1 med en så høy hastighet at nitrogenet ikke rekker å adsorberes. Den nødvendige lave strømningshastighet tilveiebringes i dette tilfelle, med den innstillbare struping 18.

Under deloperasjon IX strømmer komprimert luft inn via innløps-enden av sjiktet 1. Derved skjer en langsom, fortsatt trykkøkning, og sjiktet blir under denne deloperasjon mettet med luft i sin innløpsende, samtidig som en nitrogenfri sone i sjiktets utløpsende bibeholdes.

Under deloperasjon X fortsetter trykkøkningen i sjiktet 1 ved tilførsel av luft, inntil adsorpsjonstrykket er oppnådd, hvorpå sjiktet er ferdig for produksjon, hvilket innebærer at de hittil beskrevne deloperasjoner gjentas syklisk.

Som det fremgår av ovenstående beskrivelse skjer trykkøkningen

i sjiktet 1 opp til sluttrykket i tre trinn. Under det første trinn, deloperasjon VII, skjer trykkøkningen med produktgass fra produkttanken 10. Umiddelbart før denne deloperasjon har spyling med produktgass funnet sted og konsentrasjonsprofilen i sjiktet er da tilnærmelsesvis rettlinjet, hvilket fremgår av den delfigur i fig. 4, som er betegnet t = 152. Når nu under deloperasjon VII nitrogenfri produktgass tilføres via utløpsen-den av sjiktet 1 under samtidig trykkøkning, fås i gassfasen en økning av forholdet mellom oksygenets og nitrogenets partialtrykk. Nitrogenet desorberes og føres lengre inn i sjiktet i retning mot dets innløpsende. Efter denne trykkøkning har sjiktet omtrent den konsentrasjonsprofil, som i fig. 4 vises på delfiguren, betegnet t = 170. Av denne fremgår at en sone med nitrogenfri gass er blitt opprettet nærmest utløpsenden. I denne sone skjer senere sluttfraksjoneringen under adsorpsjonen. Nitrogenholdig gass kan nu slippes inn i sjiktet 1, men dette må skje gjennom sjiktets innløpsende, da ellers den nevnte nitrogenfrie sone ville ødelegges. I denne forbindelse kan påpekes at hvis nitrogenholdig gass var blitt innført i sjiktets inn-løpsende direkte efter spylingen under deloperasjon VI, ville dette medført at en del nitrogen hadde passert gjennom sjiktet uten å adsorberes. Man ville derved ha fått nitrogenholdig gass ved utløpsenden og som følge av dette en nitrogenholdig produktgass .

Det andre trinn av trykkøkningen tilveiebringes ved trykkutjevning mellom sjiktene. Dette skjer for sjiktet 1 under delopera-sjonen VIII. Ved denne trykkutjevning skjer en trykksenkning i sjiktet 2, og derved desorberes i dette en del nitrogen, som følger med inn i sjiktet 1 som skal trykkavsettes. Av denne grunn skjer tilførselen til sjiktet 1 ved dets innløpsside, slik at den nitrogenfrie sone kan opprettholdes ved utløpsenden. Den nitrogenholdige gass som tilføres fraksjoneres i sjiktet 1 under denne deloperasjon, og ved slutten av trykkutjevningen har mån • oppnådd den konsentrasjonsprofil som i fig. 4 vises på den delfigur som er betegnet t = 183.

Trykkøkningen til det endelige adsorpsjonstrykk skjer ved til-førsel av luft fra kompressoren via innløpsenden av sjiktet 1. Under denne trykkøkning skjer en fraksjonering av den innstrøm-mende luft, og når efter deloperasjonene IX og X det endelige adsorpsjonstrykk er oppnådd, fremviser sjiktet 1 en konsentrasjonsprofil ifølge den delfigur i fig. 4 som er betegnet t =

208. Sjiktet 1 er dermed igjen ferdig for produksjon.

Den her beskrevne trykkavsettingssekvens skiller seg f-ra og innebærer forbedringer sammenlignet med tidligere kjente sekvenser i følgende henseender. Trykkøkning med produktgass fri for adsorberbar komponent skjer som det første trinn og produktgassen innføres via sjiktets utløpsende. Derved frembringes en konsen-tras jonsf ordeling i sjiktet som er gunstig for fraksjonering av gass som innføres senere under operasjonssyklusen. Videre inn-føres all gass som inneholder den adsorberbare komponent all-

tid via sjiktets innløpsende og efterat produktgass, som er fri for adsorberbar komponent, er innført via utløpsenden. En fraksjonering skjer av den gass som innføres via sjiktets innløps-ende, og den sone ved sjiktets utløpsende som er fri for adsorberbar komponent, holdes stort sett intakt. Dette ér en'forutset-ning for at en produktgass fri for adsorberbar komponent skal kunne oppnås.

Claims (2)

1. Fremgangsmåter ved fraksjonering av en gassblanding under anvendelse av minst to sjikt (1,2) av et materiale som er i stand til ved et relativt høyt trykk selektivt å absorbere en. av gassblandingens bestanddeler, idet sjiktene alternativt trykksettes og holdes ved det relativt høye trykk, henholdsvis avlastes fra dette trykk, idet trykksetningen, henholdsvis avlastningen for hvert sjikt skjer i et antall deloperasjoner, idet det i deloperasjon (I) og (II) skjer en absorpsjon av den absorberbare bestanddel og en dannelse av produktgass, i deloperasjon (III) skjer en trykksenkning ved trykkutjevning mellom de to sjikt, i deloperasjon (IV) skjer en trykksenkning til desorpsjonstrykket, i deloperasjon (V) og (VI) skjer en spyling av sjiktene med produktgass, idet det i deloperasjonene (VII, VIII, IX og X) skjer en trykk-økning i sjiktene inntil absorpsjonstrykket oppnås, karakterisert ved at trykkutjevningen mellom sjiktene i deloperasjon (III) utføres ved at det første sjikts utløpsside (bunn) forenes med det andre sjikts innløps-side (topp), at spylingen av sjiktene i deloperasjon (V) og (VI) utføres med produktgass fra en produktgasstank og at trykkforøkningen i deloperasjon (VII) utføres ved at produktgassen tilføres sjiktenes utløpsside (bunn) og i deloperasjon (VIII) ved at det andre sjikts utløpsside (bunn) forbindes med det første sjikts innløpsside (topp).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at produktgassen tilføres til en produktgasstank (10) via en produktledning (13) og at produktgassen for det første trinn (7) av et sjikts (for eksempel 1) trykkavsetning uttas fra produkttanken (10) via en ledning (22) som er adskilt fra produktledningen (13).