NO152503B

NO152503B - Fremgangsmaate for separering av gassblandinger ved selektiv adsorbsjon

Info

Publication number: NO152503B
Application number: NO773091A
Authority: NO
Inventors: Shivaji Sircar; John William Zondlo
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 1976-10-15
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1985-07-01
Also published as: FR2367521A1; ZA775013B; NL7710305A; GB1579783A; ES462788A1; DE2745088A1; US4077779A; BE858762A; JPS5718932B2; FR2367521B1; JPS5360394A; CA1099925A; NO773091L; NO152503C

Abstract

FREMGANGSMÅTE FOR SEPARERING AV GASSBLANDINGER VED SELEKTIV ADSORBSJON.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt selektiv separering av gassformige blandinger og spesielt gjenvinning av i det vesentlige rent hydrogen ved selektiv adsorbsjon fra blandinger av karbondioksyd og/eller hydrokarbongasser i et vekseltrykk-system. Systemet ifølge oppfinnelsen kan også anvendes på separering av fra blandinger av denne med metan.

Cykliske vekseltrykksystemer beregnet for fraksjonering av gassformige blandinger ved selektiv adsorbsjon er vel kjent i teknikkens stand. I disse systemer blir en eller flere ønskede komponenter av gassblandinger gjenvunnet separat ved et utbytte og med en renhet avhengig av driftens effektivitet.

Illustrerende for typiske systemer som er antydet å være spesielt brukbare ved gjenvinning av hydrogen fra gassformige blandinger med CH4 og/eller C02 er de som er beskrevet i US PS 1 934 075, 3 104 162, 3 138 439, 3 142 547, 3 237 379 og 3 788 037.

Andre patenter beskriver generelt systemer for separering av i

det vesentlige binære gassblandinger eller av multikomponentgass-blandinger, ansett å være anvendbare ved gjenvinning av hydrogen fra gassblandinger. Illustrerende for disse er de systemer som er beskrevet i US PS 3 102 013, 3 149 934, 3 176 444, 3 221 476, 3 323 288, 3 430 418, 3 619 984, 3 720 042. Mens visse av disse beskrevne fremgangsmåter er angitt å oppnå et hydrogenprodukt med høy renhet, kan en slik høy renhet i praksis kun oppnås hvis man samtidig ofrer utbyttet av gjenvunnet hydrogenprodukt.

I US PS 3 751 878 beskrives en cyklisk adsorbsjonsprosess for masseseparering av karbondioksyd fra blandinger derav med metan.og/eller andre gasser inkludert hydrogen, i den hensikt å gjenvinne metan som sådan. Det gjenvunnede metanprodukt inneholder også usepar-ert hydrogen og karbonmonoksyd.

Visse av disse tidligere patenter benytter karakteristisk et antall parallelle kolonner anordnet for i en tidsregulert cyklisk sekvens å omfatte (1) adsorbsjon av den uønskede komponent fra

mategassen ved forhøyet trykk og avtrekking av en del av avløps-5 gassen som ønsket produkt; (2) trykkreduksjon i kolonnen for å desorbere den adsorberte gasskomponent eller gasskomponentene;

(3) spyling av kolonnen, vanligvis med en del av det primære av-løp fra (1); og igjen å sette kolonnen under trykk med mategass

eller med avløp fra det første trinn.

10

Blant de forskjellige typer adsorbsjonsmidler som foreslås i de forskjellige patenter nevnes molekylsikt-zeolitter med angitt porestørrelse, silikagel, aktivert trekull eller karbon samt

andre.

15

I de utviklingstrinn som førte til foreliggende oppfinnelse ble det funnet at visse av de nøkkelproblemer som må løses for effektiv separering av gasser ved vekseltrykkadsorbsjon er: a) Behandlingsmåten for utarmet gass i kolonnen etter avslut-<20> ning av adsorbsjonstrinnet. Behandlingen av den gjenværende gass i kolonnen etter avslutning av adsorbsjonstrinnet. Behandlingen av denne gass bestemmer den endelige grad av produktgjenvinning. Ved høyere driftstrykk blir en stor mengde av den ønskede komponent av mategassen tilbake i 25

hulrommene i kolonnen.

b) Regenereringsmåten eller rensemåten for kolonnen etter trykkreduksjonen. Måten og graden av rensing i kolonnen

bestemmer i sterk grad kvaliteten for den gjenvunnede komponent .

30

Både trinnen a) og b) er vesentlige for effektiv og økonomisk drift av vekseltrykkadsorbsjonene. Alvorlige økonomiske tap kan oppstå på grunn av tap av den ønskede komponent i mateblandingen i gassen som er tilbake i kolonnen, spesielt hydrogen, og fra et 35

ueffektivt regenereringstrinn.

I henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen overvinnes flere av manglene ved prosessene ifølge teknikkens stand, og det er utviklet et driftssystem hvorved hydrogen kan gjenvinnes fra en gassblanding i en renhet på over 9 9% og ved en gjenvinning på over 95% og opp til 99%.

Foreliggende oppfinnelse angår således en fremgangsmåte for separering av komponenter i en gassblanding til et primært gassprodukt og et sekundært gassprodukt, spesielt for separering av karbondioksyd og/eller hydrokarbongasser fra hydrogen, i et system som omfatter et antall adsorbsjonssoner som drives i cyklus i en på forhånd bestemt tidssekvens, hver av hvilke adsorbsjonssoner inneholder et sjikt av fast sorbsjonsmiddel som fortrinnsvis er selektivt for nevnte andre gassproduktkomponent, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved følgende sekvenser for hver av adsorbsjonssonenej a) tilførsel i løpet av en på forhånd bestemt tidsperiode av gassblanding som skal separeres til en av nevnte adsorbsjonssoner og føring av denne gjennom sorbsjonssjiktet i sonen mens det fra sonen slippes ut ikke sorbert gass som primærgassprodukt, hvilken adsorbsjonssone på forhånd er brakt til ønsket overatmosfærisk mategasstrykk med primært gassprodukt som er trukket av fra en annen sone i systemet, b) avslutning av trinn (a) på et ønsket tidspunkt og spyling av sonen i samme retning som den opprinnelige mategasstrøm med

en strøm av rekomprimert sekundærgassprodukt ved omkring

det foreliggende overatmosfæriske trykk i adsorbsjonssonen under samtidig utslipp fra sonen av et gasspylingsavløp som tilbakeføres til en annen adsorbsjonssone i systemet som på det tidspunkt underløper trinn (a) for blanding med mategassblanding til nevnte andre adsorbsjonssone,

c) senking til et mellomliggende nivå av trykket i sonen som nettopp er ferdig med trinn (b) for fra sonen å desorbere

gjenværende gass og avtrekking av nevnte restgass fra sonen i en retning motstrøms den for den tidligere mate-

gasstrøm, hvilken avtrukket restgass igjen komprimeres for bruk, i det minste delvis, som spyling av en adsorbsjonssone i systemet som underløper trinn (b), d) ved omtrent det mellomliggende trykknivå spyling av sonen som nettopp er ferdig med trinn (c) med luft eller en inertgass som sorberes mindre sterkt enn nevnte sekundære gassproduktkomponent i mategassblandingen, e) evakuering av den således spylte sone til et underatmos-færisk trykknivå for å fjerne spylegass tilført i trinn

(d), og

f) gjenoppretting av trykket i sonen til omtrent mategass-trykket i trinn (a) ved å tilføre til sonen en del av

primærproduktgasskomponenten som er trukket av fra adsorbsjonssonen i nevnte serier som underløper trinn (a).

De fordeler som oppnås ved gjennomføring på denne måte er:

1) Høy renhet i den oppnådde primærproduktstrøm med høy gjen-vinningsgrad.

2) Høy renhet i sekundærproduktstrømmen.

3) Effektiv utnyttelse av adsorbsjonskolonnen.

4) Effektiv utnyttelse av matetrykkenergien.

Gjennomføringen av oppfinnelsen vil forstås nærmere ut fra den detaljerte beskrivelse som følger nedenfor i forbindelse med de ledsagende tegninger.

I tegningene viser:

Fig. 1 et prosessflytskjerna av en utførelsesform som benytter 4 adsorbsjonskolonner som drives i en tidsregulert sekvenssyklus. Fig. 2 er et prosessflytskjerna som viser en annen utførelsesform der det benyttes 6 adsorbsjonskolonner.

Under henvisning til fig. 1 inneholder de 4 adsorbsjonskolonner hver et sjikt av fast adsorbsjonsmiddel og kolonnene angis med

A, B, C og D. Mategassen tilføres til en utvalgt av adsorbsjons-kolonnene gjennom en manifold 10 hvorfra forgrenede inntaksrør 11, 12, 13 og 14 forbinder denne med de individuelle kolonner A, B, ' C og D. Hver av de forgrenede rørledninger er utstyrt med en ventil 11a, 12a, 13a og 14a. Åpning av den riktige ventil tillater strømning av mategass fra manifolden 10 til den utvalgte kolonne. Ved således å åpne ventil 11a mens ventilene 12a, 13a og 14a er stengt, vil mategass strømme fra manifolden 10 til kolonne A gjennom rørledning 11.

Hver av kolonnene A, B, C og D er videre ved den ende som er motsatt den for det tilsvarende mategassinntak utstyrt med en gassledning betegnet med 15, 16, 17 og 18 og med henholdsvis ut-løpskontrollventiler 15a, 16a, 17a og 18a. Alle av rørledningene 15, 16, 17 og 18 er forbundet med en gassutslippsmanifold hvorigjennom primærgassavløp kan trekkes av. Ved å åpne den egnede ventil 15a, 16a, 17a eller 18a Vil gass strømme fra den angjeldende kolonne gjennom den forbindende rørledning hvori den åpnede ventil befinner seg til utslippsmanifolden 19.

Systemet omfatter videre en gasslagringstank angitt med S, hvorfra lagret gass kan trekkes av ved hjelp av rørledningen 20 under kontroll av en vifte 21 i rørledningen. Viften 21 blåser gass til en manifold 22 hvorigjennom den tidligere lagrede gass kan etter ønske sendes til en utvalgt kolonne A, B, C eller D gjennom den angjeldende forbindelsesledning. således går det fra manifolden 22 til inntaksledningen 11 i adsorberen A en forbindelsesledning 23 som er utstyrt med en ventil 23a. Med ventilen 23a i åpen tilstand vil gass strømme fra manifolden 22 til kolonnen A gjennom ledningene 23 og 11. På samme måte kan hver av kolonnene B, C og D settes i strømningskommunikasjon med manifolden 22 gjennom individuelle forbindelseslinjer 24, 25 og 26 og ved åpning av den riktige ventil 24a, 25a eller 26a.

Gass slippes til lagringstanken fra et manifold 30 som styres av et ventilsystem 31 og 32. Ventilen 31 forbinder når den er åpen manifolden 30 med inntaket for en kompressor 33 og der ut-slippssiden av kompressoren står i forbindelse med lagringstanken S. Ventilen 32 når den er åpen tillater gassen i manifolden 30

å slippes ut til lufting eller til enhver annen ønsket anvendelse. Når ventilene 31 og 32 begge delvis er åpne i ønsket grad, kan strømmen av gass til manifolden 30 splittes slik at den ønskede andel føres gjennom kompressoren 33 og til beholderen S mens resten slippes ut gjennom ventilen 32.

Gass kan komme inn i manifolden 30 fra hver av kolonnene A, B, C og D under ventilstyrt regulering slik det beskrives nedenfor. Forbundet til rørledningen 11 i forbindelse med kolonnen A er en rørledning 40 som fører til manifolden 30 gjennom en ventil 40a. Under de nedenfor beskrevne betingelser og med ventilen 11a lukket, kan gass trekkes av fra kolonnen A og slippes til manifolden 30 ved hjelp av rørledninger 11 og 40 når ventilen 40a er åpnet. På samme måte kan hver av kolonnene B, C h.h.v. D selektivt settes i strømningskommunikasjon med manifolden 30 gjennom individuelt forbundede rørledninger 41, 42 og 43 under styring av ventilene 41a, 42a h.h.v. 43a.

På motsatt side av mategassinntaksenden er kolonnene A, B, C og

D forbundet med en gassmanifold 50 ved hjelp av rørledninger 51, 52, 53 og 54 mellom manifolden 50 og de henholdsvise gassåvtrekks-rørledninger 15, 16, 17 og 18 under individuell styring av dermed forbundede ventiler 51a, 52a, 53a h.h.v. 54a. Fra manifolden 50 slippes gassen til manifolden 10.

Også forbundet med hver av kolonnene A, B, C og D ved enden som er motsatt mategassinntaket er en gassfordelingsmanifold 60 gjennom hvilken strippegass fra en kilde for fremmedgass kan slippes inn i kolonnene. Således har manifolden 60 forgrenede rørledninger 61, 62, 63 og 64 til de individuelle kolonner A, B, C og D under styring av dermed forbundede ventiler 61a, 6 2a, 63a og 64a.

Det er også anordnet innretninger for tilføring av en regulert andel av primærproduktgassen til de individuelle kolonner for strømning inn i kolonnen i en retning motsatt den for mategassen. Således er en manifold 19 anordnet med grenledninger 71, 72, 73 og 74 som setter manifolden i strømningskommunikasjonen med hver av kolonnene A, B, C og D. Grenledningene 71, 72, 73 og 74 er utstyrt med strømningsreguleringsventiler 71a, 72a, 73a og 74a som kan innstilles til å regulere mengden og strømningshastighet-en fra manifolden 19 til den utvalgte kolonne direkte eller gjennom en dermed forbundet rørledning 15, 16, 17,18 når den tilsvarende gassavtrekksventil 15a, 16a, 17a eller 18a befinner seg i lukket stilling.

For utslipp fra den spesielle kolonne av gassen som er kommet dit gjennom manifolden 6 0 sammen med medrevet gass som er strippet fra kolonnen er hver av kolonnene A, B, C og D ved mategassinntaket utstyrt med en lufteinnretning 81, 82, 83 og 84 som reguleres av tilsvarende ventiler 81a, 82a, 83a og 84a. Disse lufteinn-retninger 81 til 84 kan direkte være forbundet med tilmatnings-enden av de respektive kolonner eller som vist i fig. 1, kan for-bindelsen skje gjennom rørledningene 11, 12, 13 og 14 med de tilsvarende ventiler 11a, 12a, 13a og 14a i lukket stilling. Rør-ledningene 81, 82, 83 og 84 kan individuelt føre avtrukket gass til atmosfæren eller til en samlemanifold 85 slik som vist i fig.

1 for en hvilken som helst senere bruk.

Det er også anordnet innretninger for evakuering av hver av kolonnene gjennom rørledningen 90 som står i forbindelse med en vakuumpumpe 95. Hver av kolonnene A, B, C og D er forbundet med rørledningen 90 gjennom grenledninger 91, 92, 93 og 94 som står under styring av tilsvarende ventiler 91a, 92a, 93a, 94a.

Gjennomføringen av en utførselsform av oppfinnelsen i henhold til fig. 1 skal forklares i forbindelse med en tilfeldig valgt 16 minutters cyklus som angitt i tabell 1.

Som f. eks. vist skal kolonnen D settes i drift for adsorbsjon

av CC>2 fra en blanding omfattende hydrogen og CC^ • I løpet av det første minutt i denne cyklus bringes kolonnen D til det ønskede driftstrykk slik det fremgår nedenfor. For å bringe kolonnen D til adsorbsjonstrinnet i cyklusen blir gassen som skal renses sluppet til fra mategassmanifolden 10 ved åpning av ventilene 14a og 18a mens alle andre ventiler i forbindelse med kolonnen D er lukket. Mategassen vil således strømme til kolonnen D gjennom rørledningen 14. CC^-innholdet i mategassen vil holdes tilbake av sorbsjonsmidlet i kolonnen og den ikke adsorberte gass som i det vesentlige omfatter rent hydrogen vil slippes ut gjennom rørledningen 18 til samlemanifolden 19. I

den illustrerte 16 minutters cyklus kjører hver kolonne på adsorbsjon i 4 minutter. Under det fjerde minutt av adsorbsjonstrinnet blir en del av produktgassen benyttet til å sette den neste kolonne som skal bringes i adsorbsjonsdrift under et fortrykk.

I det viste eksempel blir således etter at kolonnen D har vært drevet for adsorbsjon i de første 3 minutter ventilen 71a åpnet i en regulert grad for å tillate at en del av hydrogengassen i rørledningen 19 strømmer til kolonnen A gjennom rørledningen 71

og rørledningen 15 ved regulert hastighet.

Strømmen av mategass til kolonnen D blir deretter avsluttet ved

å lukke ventilene 14a og 18a og kolonnen A bringes til adsorbsjon ved å lukke ventilen 71a og å åpne ventilene 11a og 15a. Under det samme tidsrom som kolonnen A forbindes med mategass-strømmen blir kolonnen D spylt for å fjerne gjenbleven gass i tomrommene i kolonnen (i det vesentlige mategass) og innholdet av masseover-føringssonen som forble i kolonnen ved slutten av adsorbsjonstrinnet. Spylingen av kolonnen gjennomføres ved å føre tidligere samlet sekundæravløp gjennom kolonnen i medstrømsretning til den for mategassen og ved omtrent mategasstrykk. I det viste eksempel blir således CC>2 trukket av fra lagringsbeholderen S og ført gjennom ledningen 22 til kolonnen D gjennom rørledning-en 26 og den åpnede ventil 26a. Gassen som feies ut av kolonnen D ved hjelp av spylegassen slippes ut fra kolonnen gjennom rør-

ledningen 54 og den åpnede ventil 54a til rørledningen 50 for utslipp til rørledningen 10 og kommer således til kolonnen A sammen med mategassen som slippes til denne.

Ved slutten av spylingen av kolonnen D med CO^ gass og ved luk-ning av ventilene 2 6a og 54a blir kolonnen D underkastet desorbsjon av gassen som holdes i adsorbsjonssjiktet (CG^)• Dette bevirkes ved å åpne ventilen 4 3a, noe som tillater en trykkreduksjon i kolonnen D til atmosfærisk trykk eller til et mellomliggende trykk ved avtrekking av sekundæravløp (karbondioksyd) gjennom rørledningen 43 og manifolden 30. Ventilene 31 og 32 åpnes, en-del av gassen i rørledningen 30 komprimeres ved 33 og slippes til beholderen S mens resten slippes ut gjennom ventilen 32 for ut-lufting eller for oppsamling som sekundærprodukt for ønsket bruk.

For å avslutte desorbsjonstrinnet i kolonnen D blir nå ventilen 43a lukket og denne kolonne underkastes en andre spyling, denne gang med fremmedgass. Dette skjer ved å åpne ventilen 64a for å tillate gass fra manifolden 60 til kolonnen gjennom rørledningen 64 i en retning motstrøms mategassen. Denne spyle- eller vaske-gass strømmer gjennom kolonnen D og feier ut mesteparten av den uønskede gasskomponent som ble tilbake etter det foregående des-orbs jonstrinn. Under dette vasketrinn er ventilen 84a åpen slik at gassavløpet strømmer gjennom rørledningen 84 til manifolden 85 for avlufting eller eventuelt direkte utslipp til atmosfæren. Spylegassen som benyttes i dette trinn kan være delvis eller

helt fortørket luft. Luften kan tørkes ved føring av den gjennom en separat tørkekolonne før innførsel til hovedadsorbsjons-kolonnen eller det kan i bunnen av kolonnen være anordnet et sjikt av tørkemiddel. Fordi luft adsorberes mindre sterkt og fordi kapasiteten ved eller nær omgivelsestrykk er meget mindre enn den for CG^/ reduserer dette spyle- eller vasketrinn belast-ningen på vakuumpumpen i det etterfølgende evakueringstrinn. Bruken av luft er tillatelig fordi kolonnen ved slutten av des-orbs jonstrinnet hvis overhodet, kun inneholder små mengder for-

brennbar gass (hydrogen) i forhold til den mengden som opprinne-lig var tilstede i mateblandingen. Hvis den opprinnelige mate-blanding er slik (f. eks. en som inneholder metan) at det fore-ligger fare for eventuell forbrenning ved bruk av luft, kan en inertgass slik som nitrogen benyttes istedet for luften.

Etter spyling av kolonnen D med luft eller inertgass i den ønskede grad blir ventilene 64a og 84a lukket og evakuering av kolonnen påbegynnes til det lavest benyttede trykk. Evakueringen gjennomføres ved åpning av ventilen 94a, noe som tillater at gjenværende gassinnhold i kolonnen D trekkes av gjennom rørled-ningen 94 til rørledningen 90 under påvirkning av en vakuumpumpe koblet inn på denne linje.

Når kolonnen D er evakuert til det ønskede laveste trykk blir ventilen 94a lukket og kolonnen D bringes til det ønskede matetrykk ved å slippe til et produktgassavløp (^J fra en kolonne i drift. Således blir i det viste eksempel ventilen 74a åpnet for å slippe til gass fra produktrørledningen 19 gjennom rørled-ningen 74. Produktet i rørledningen 19 vil komme fra kolonnen C som da drives under adsorbsjon, og denne slipper produktet til rørledningen 19 gjennom den åpne ventil 17a. Etter at den igjen er satt under trykk er kolonnen D klar til å motta mategass og til å gjenta den ovenfor angitte sekvens av trinn i driftssyklus-en .

Hver av de andre kolonnene A, B og C gjennomgår i sin tur den samme sekvens av trinn som beskrevet ovenfor for kolonnen D. Rekkefølgen av disse trinn og tidsreguleringen for den viste 16 minutter cyklus er angitt i tabell 1. Stillingen for ventilene under hver del av cyklusen er vist i tabell 2 der bokstaven c angir lukket og bokstaven o angir åpen.

Den viste 16 minutters cyklus er valgt tilfeldig for å illustrere oppfinnelsen og man kan selvfølgelig benytte andre cyklustider. For selektiv adsorbsjon av CG^ eller lette gassformige hydrokarboner fra blandinger inneholdende hydrogen eller separering av CC>2 fra metan, er det foretrukne adsorbsjonsmiddel aktivert karbon. Andre faste adsorbsjonsmidler som kan benyttes omfatter molekylsiktzeolitter slik som "5A", molekylsikt karboner, silikagel, aktivert aluminiumoksyd eller blandinger av disse eller andre adsorbsjonsmidler som er istand til selektivt å holde tilbake CG^ og/eller hydrokarboner med lav molekylvekt mens de lar hydrogen slippe forbi ved driftsbetingelsene.

Trykket som benyttes under adsorbsjonstrinnet vil i sterk grad avhenge av trykket for den tilgjengelige gassblanding som skal renses. Aktuelle matetrykk kan variere over store områder fra over atmosfærisk trykk. Fortrinnsvis er matetrykket minst 3,5 kg/cm 2 manometertrykk, under desorbsjonstrinnet blir kolonnen bragt til et mellomliggende trykk i størrelsesorden 1,05 til<* >2,1 kg/cm 2 manometertrykk og den endelige evakuering kan være til et trykk på 50 til 300 torr.

Lengden av den tiden som beregnes til adsorbsjonstrinnet velges under henvisning til kapasiteten for adsorbsjonssjiktet i kolonnen. Generelt fortsettes adsorbsjonstrinnet inntil eller kort før gjennomløp av uønsket komponent (CO2 i det viste tilfelle) ved utløpsenden av kolonnen. På samme måte blir ved spyling eller vasking av kolonnen med sekundæravløp (CO2), dette trinn fortsatt inntil sorbsjonsfronten som er anriket på denne CO2 komponent er like ved å bryte gjennom utslippsenden av kolonnen.

Åpningen og lukkingen av de forskjellige ventiler i riktig sekvens gjennomføres ved hjelp av en tidsregulator som i og for seg er kjent.

For å bringe kompressoren 33 til kontinuerlig drift når ventilen 31 er lukket, kan lagret gass fra beholderen S internt tilbake-føres gjennom kompressoren ved å anordne en by-pass-ventil som antydet ved 31a, eller andre egnede innretninger slik som kjent når det gjelder kompressorer. Mens fig. 1 benytter et system med fire adsorbsjonskolonner, er det åpenbart at antallet kolonner avhenger av cyklusprogrammet. Uansett antallet kolonner vil hver av disse i sekvens gå gjennom trinnene(a) adsorbsjon, (b) første spyling, (c) desorbsjon, (d) spyling med luft eller inert gass, (e) evakuering, (f) gjenoppretting av trykk.

I den modifiserte utførelsesform som er vist i fig. 2 benyttes seks adsorbsjonskolonner betegnet E til J.

Denne utførelsesform forutsetter kontinuerlig drift av kompressoren og vakuumpumpen og eliminerer lagringstanken eller tankene som ellers er nødvendige i den tidligere beskrevne utførelsesform. Mategassmanifolden er anordnet i strømningskommunikasjon med kolonnen som skal bringes på nett ved å åpne den dermed forbundede ventil 101, 102, 103, 104, 105 eller 106, i den rørledning som fører til inntaksenden av kolonnen. I den viste utførelsesform er mategassinntaket ved kolonnens topp. Primærproduktavløpet d.v.s. ikke adsorbert gass, slippes til en manifold 107 gjennom en rørledning ved den motsatte ende av kolonnen gjennom en åpen kontrollventil 108, 109, 110, 111, 112 eller 113. Det vil være åpenbart at når mategassinntaksventilen'til en spesiell kolonne er åpen vil den tilsvarende utslippsventil ved den motsatte ende av samme kolonne også være åpen for å tillate at ikke adsorbert komponent(er) i mategassblandingen slippes ut til manifolden 107. Når således kolonnen E er på nett og mottar gassblandingen som skal fraksjoneres gjennom den åpne ventil 101, vil den tilsvarende ventil 108 være åpen for å slippe ut ikke adsorbert gasskomponent til manifolden 107.

Spyling av kolonnen med sekundæravløp, f. eks. CO,,, bevirkes ved tilførsel til kolonnen av spylegass fra en manifold 115

ved å åpne den tilsvarende ventil 116, 117, 118, 119, 120 eller 121, forbundet med kolonnen som skal spyles, d.v.s. den kolonne som nettopp er ferdig med adsorbsjonstrinnet. Under dette spyletrinn som gjennomføres i medstrømsretning for mategassen er den tilsvarende forbundede utslippsventil også åpen, d.v.s. en av 122, 123, 124, 125, 126, 127, for således å forbinde kolonnen

med samlemanifolden 128. Manifolden 128 slik den vises kan benyttes for å tilbakeføre gassen i denne til inntaksenden av en kolonne hvori en av ventilene 101 til 106 er åpen, d.v.s. at kolonnen mottar mategass under adsorbsjonstrinnet.

Desorbsjonen av kolonnen gjennomføres ved å senke trykket i kolonnen i en retning motsatt retningen for mategasstrømmen gjennom en rørledning 130. Kolonnen som skal desorberes an-bringes i strømningsforbindelse med rørledningen 130 ved åpning av den tilsvarende ventil 131, 132, 133, 134, 135 eller 136.

En del desorbert gass som er sluppet til rørledningen 130 komprimeres igjen og brukes som spylegass i en adsorber som befinner seg i høytrykksspyletrinnet. Den gjenværende del av den desorberte gass som ikke på denne måte tilbakeføres kan samles som sekundærprodukt. Gjenoppretting av trykket bevirkes ved først å føre gassen i rørledning 130 gjennom den åpnede ventil 140 til det første trinn 141a i en kompressor og deretter å lukke ventilen 140 og åpne ventilen 142 slik at gassen strømmer gjennom begge trinn 141 og 141a i kompressoren. Det er åpenbart at oppfinnelsen ikke er begrenset til bruken av en totrinns eller flertrinns kompressor. En enkelttrinnskompressor med egnet konstruksjon kan hvis ønskelig benyttes, avhengig av des-orbs jonsegenskapene og spylekravene for den spesielle anvendelse. Utslippsåpningen for kompressoren står i forbindelse med manifolden 115 ved hjelp av hvilken den spesielle kolonne som skal spyles kan få sin tilførsel av høytrykksgass gjennom den åpne ventil som forbinder kolonnen med manifolden 115.

Når det er ønskelig å avslutte strømmen av komprimert spylegass til kolonnen, blir den forbundne ventil lukket og gassen ført til rørledning 145 ved å åpne den egnede ventil 146, 147, 148, 149, 150 eller 151. Den desorberte gass i rørledningen 145 slippes ut som sekundæravløp hvilket kan samles og lagres for ønsket bruk.

Den andre spyling i kolonnen med fremmed gass slik som luft eller inert gass bevirkes i en retning motstrøms mategassens bevegelseretning ved_å slippe inn spylegass fra manifolden 160 ved relativt lavt eller sogar omgivelsestrykk. Manifolden 160 står i forbindelse med kolonnene E til J gjennom ventiler 161, 162, 163, 164, 165, 166. Tilsvarende utslippsventiler er anbragt ved den motsatte ende av kolonnene og er gitt numrene 167, 168, 169, 170, 171, 172, gjennom hvilke ventiler, hvis disse er åpne, den utsluppede spylegass kan luftes ut.

Evakueringen av kolonnen til det lavest ønskede trykk bevirkes gjennom rørledningen 180 ved hjelp av en vakuumpumpe 181. De individuelle kolonner er anordnet i strømningskommunikasjon med rørledningen 180 ved åpning av den egnede treveisventil 182, 183, 184, 185, 186 eller 187. Som vist i fig. 2 kan evakueringen gjennomføres ved å trekke av restgass samtidig ved begge ender av kolonnen. Alternativt kan evakueringen gjennomføres ved å trekke av gass fra kolonnens sentrum.

Ved gjennomføring av systemet som er vist i fig. 2 går hver av kolonnene gjennom sekvensen av trinn som beskrives nedenfor under styring av en tidsregulator. Det trinn i cyklusen som gjennomføres av hver av kolonnene på et spesielt tidspunkt under cyklusen er angitt i tabell 3. Stillingen for ventilene på ethvert tidspunkt er gitt i tabell 4. Det ble vilkårlig valgt en 24 minutters tidscyklus for å illustrere denne, og kolonnen E er den første kolonnen som er på nett for å motta mategassen som skal fraksjoneres. Sekvensen av trinn beskrives under henvisning til kolonnen E og det er åpenbart at det samme gjelder de andre 5 kolonner i systemet.

Mategassblandingen tilføres til kolonnen E som tidligere er bragt opp til mategasstrykk ved primærproduktgass ved å åpne inntaksventilen 101. Ventilen 108 åpnes samtidig slik at ikke adsorbert produktgass som går gjennom kolonnen E slippes ut til manifolden 107. Hvis således mategassblandingen omfatter og C02 og/eller CH^, vil den ikke adsorberte primæravløpsgass som slippes ut i manifolden 107 bestå av i det vesentlige ren hydrogen. For å avslutte adsorbsjonstrinnet blir ventilene 101

og 108 lukket og ventilene 116 og 122 øyeblikkelig deretter åpnet for å initiere den første høytrykksspyling. Denne ventil-forandring skjer i foretrukket utførelsesform på et på forhånd bestemt tidsrom når masseoverføringssonen for adsorbsjonstrinnet når utslippsenden av kolonnen E. Med åpning av ventilene 116 og 122 føres en strøm av i det vesentlige ren sekundærkomponent av mategassen gjennom kolonnen E ved mategasstrykk og i samme retning som den for mategasstrømmen. Utslippsgassen slippes til en manifold 128 som står i forbindelse med mategassrørled-ningen 100. Fordi i det viste eksempel kolonnen F nå befinner seg i adsorbsjonstrinnet og mottar mategass gjennom den åpnede ventil 102, vil gass fra manifolden 128 tre inn i kolonnen F sammen med mategassen.

Høytrykkspylingen av kolonnen E avsluttes på det på forhånd bestemte tidspunkt når masseoverføringssonen for dette trinn når bunnen av kolonnen E og skjer ved å lukke ventilene 116 og 122. Ventilen 131 åpnes nå for å redusere trykket i kolonnen E og derved desorbere kolonnen motstrøms mategassretningen. I den viste utførelsesform føres den desorberte gass gjennom den åpne ventil 131 til rørledningen 130 og rekomprimeres ved hjelp av en totrinnskompressor 141, 141a som beskrevet ovenfor. Den rekomprimerte gass slippes til manifolden 115. På dette tidsrom vil kolonnen F befinne seg i høytrykksspyletrinnet med ventilene 117 og 123 åpne slik at spylegassen fra rørledningen 115 vil gå gjennom kolonnen F. Etter at kolonnen E har nådd et på forhånd bestemt trykknivå blir ventilen 131 lukket og ventilen 146 åpnet for å tillate at desorbentgassen slippes ut i rørledningen 145 fra hvilken rørledning sekundærproduktgass trekkes av. Ved slutten av desorbsjonstrinnet (ved trykkredusering) blir ventilen 146 lukket og kolonnen E spyles med omgivelsesluft eller en annen inert fremmedgass ved det foreliggende trykk. Denne gass føres gjennom kolonnen i en retning motstrøms den for mategassen ved å åpne ventilene 161 og 167. Etter denne spyling med luft eller inertgass, blir ventilene 161 og 167 lukket og ventilen 182 åpnet for å evakuere beholderen til det laveste ønskede trykk gjennom rørledningen 180 og vakuumpumpen 181.

I den viste utførelsesform i fig. 2 er evakueringen vist som gjennomført samtidig ved topp og bunn av kolonnen. Dette er ønskelig i relativt store kolonner. Alternativt og spesielt for store kolonner kan evakueringen skje fra midten av kolonnen. I mindre kolonner behøver evakuering fra begge ender av kolonnen ikke å gjennomføres. I slik tilfeller skjer evakueringen fortrinnsvis ved gassavtrekk i en retning motstrøms den for mate-gasstilførselen. Når kolonnen E er bragt til det ønskede laveste trykk, blir ventilen 182 lukket og kolonnen igjen satt under trykk ved tilførsel av i det vesentlige rent primærprodukt som på det tidspunkt slippes ut fra kolonnen J som på det tidspunkt vil befinne seg i adsorbsjonstrinnet. Dette skjer ved nå å åpne ventilen 108 i en regulert grad for således å tillate at en del av produktgassen i rørledningen 107 føres oppover inn i kolonnen E mens ventilen 101 forblir lukket. Den komplette sekvens av driftstrinn i kolonnen E gjentas deretter når kolonnen er bragt til matetrykk ved åpning av ventilen 101 for å motta frisk mategass fra manifolden 101 inkludert tilbakeført gass fra rørledningen 128 som slippes inn i denne rørledning fra kolonnen J gjennom den åpnede ventil 127, hvorved kolonnen J på dette tidspunkt befinner seg under høytrykksspylingen.

Det er åpenbart at hver av kolonnene E til J i rekkefølge under-løper den beskrevne sekvens av driftstrinn som angitt i tabell 3. Mens 24 minutters-cyklusen vilkårlig ble valgt for å illustrere denne utførelsesform av oppfinnelsen, er det åpenbart at andre tidscykler kan benyttes. Det skal bemerkes at i utførelsesform-en i fig. 2 elimineres CG^-lagringstanken (S i fig. 1), og to-trinnskompressoren 141, 141a arbeider kontinuerlig for kompri-mering av gass som chargeres til denne via rørledning 130 og for å føre den komprimerte gass til manifolden 115. Selvom prosessen i de forskjellige utførelsesformer er beskrevet spesielt under henvisning til separering CO^-H^/ er det også mulig å benytte mategassblandinger som inneholder spormengder av andre forurensende stoffer slik som vann og C1 , til C4. hydrokarboner.

Mens andre adsorbsjonsmidler som er istand til å holde tilbake den uønskede komponent i mategassblandingen, kan benyttes, slik som antydet ovenfor, er bruken av aktivert karbon spesielt foretrukket ,spesielt når det gjelder separering av C02 fra H2-Sammenlignet med en "5A" molekylsiktadsorber gir aktivert karbon en høyere arbeidskapasitet, lavere sorbsjonsvarme og mer gunstige desorbsjonskarakteristika når det gjelder CO,,-H2 systemet.

Effektiviteten for prosessen ifølge oppfinnelsen, anvendt på separering av en binær gassblanding, er vist i det følgende eks-empe1.

Eksempel 1.

En mategassblanding inneholdende 75 mol% H,, og 25 mol% C02 ble matet til en adsorbsjonskolonne inneholdende et kilo "BPL" aktivert karbon som på forhånd var mettet med hydrogen ved mate-gasstrykket. Mategassen befant seg under et trykk på 28,2 atmosfærer og en temperatur på 22°C. Kolonnen var 5,08 cm i indre diameter og 101,6 cm lang.

Mategassen ble ført gjennom kolonnen i 6,5 minutter i en hastighet på 4 0,1 standard liter pr. minutt. Det ble oppnådd et av-løp inneholdende 99,99 mol% H2. Det totale volum for avløpet var 246,2 standardliter. 188,7 standardliter av denne gass ble trukket av som primært hydrogenprodukt og de gjenværende 57,5 standardliter ble benyttet om igjen for å sette kolonnen under trykk til matetrykksnivået. Tilførselen av mategass ble deretter avbrutt og en strøm av CO,, ved 28,2 atmosfærer ble tilført til kolonnen i samme retning som for mategassen. CG^ strømnings-hastigheten var 35,2 standardliter pr. minutt og denne ble fortsatt i et tidsrom på 2,28 minutter. Avløpsgassen i løpet av dette spyletrinn beløp seg til 36,1 standardliter, noe som ble tilbakeført som mategass.

Trykket ble deretter latt ut av kolonnen i 5 minutter ned til

1 atmosfære i en retning motstrøms den for mategass-strømmen. Under denne trykkreduks jon ble det oppnådd et desorbert gassav-løp bestående i det vesentlige av ren CG^ i en total mengde på 10 3,3 standardliter, hvorav 80,2 standardliter ble rekomprimert og benyttet som høytrykksspylegass. De gjenværende 23,1 standardliter av den desorberte C02 ble trukket av som sekundærprodukt-strøm. Kolonnen ble deretter spylet i 5 minutter med omgivelsesluft i motstrøms retning til mategassen ved bruk av en luftstrøms-ningshastighet på 13,5 standardliter pr. minutt. Tilslutt ble kolonnen evakuert i 3 minutter til 100 torr i motstrømsretning for mategassen. I det ovenfor beskrevne forsøk var den totale mengde friskt hydrogen som ble tilført som tilmatning til en komplett cyklus 195,5 standardliter hvorav 188,7 standardliter hydrogenprodukt ble gjenvunnet med en renhet på 99,99 mol%.

Den tilsvarende gjenvinning av i det vesentlige ren fra til-matningen var 35,5%. Høyere gjenvinninger kan man oppnå i eff-ektivt drevne kommersielle installasjoner.

Claims

1. Fremgangsmåte for separering av komponenter i en gassblanding til et primært gassprodukt og et sekundært gassprodukt, spesielt for separering av karbondioksyd og/eller hydrokarbongasser fra hydrogen, i et system som omfatter et antall adsorbsjonssoner som drives i cyklus i en på forhånd bestemt tidssekvens, hver av hvilke adsorbsjonssoner inneholder et sjikt av fast sorbsjonsmiddel som fortrinnsvis er selektivt for nevnte andre gassproduktkomponent, karakterisert ved følgende sekvenser for hver av adsorbsjonssonene; a) tilførsel i løpet av en på forhånd bestemt tidsperiode av gassblanding som skal separeres til en av nevnte adsorbsjonssoner og føring av denne gjennom sorbsjonssjiktet i sonen mens det fra sonen slippes ut ikke sorbert gass som primærgassprodukt, hvilken adsorbsjonssone på forhånd er brakt til ønsket overatmosfærisk mategasstrykk med primært gassprodukt som er trukket av fra en annen sone i systemet, b) avslutning av trinn (a) på et ønsket tidspunkt og spyling av sonen i samme retning som den opprinnelige mategasstrøm med en strøm av komprimert sekundærgassprodukt ved omkring det foreliggende overatmosfæriske trykk i adsorbsjonssonen under samtidig utslipp fra sonen av et gasspylingsavløp som tilbakeføres til en annen adsorbsjonssone i systemet som på det tidspunkt underløper trinn (a) for blanding med mategassblanding til nevnte andre adsorbsjonssone, c) senking til et mellomliggende nivå av trykket i sonen som nettopp er ferdig med trinn (b) for fra sonen å desorbere gjenværende gass og avtrekking av nevnte restgass fra sonen i en retning motstrøms den for den tidligere mategass-strøm, hvilken avtrukket restgass igjen komprimeres for bruk, i det minste delvis, som spyling av en adsorbsjonssone i systemet som underløper trinn (b), d) ved omtrent det mellomliggende trykknivå spyling av sonen som nettopp er ferdig med trinn (c) med luft eller en inertgass som sorberes mindre sterkt enn nevnte sekundære gassproduktkomponent i mategassblandingen, e) evakuering av den således spylte sone til et underatmos-færisk trykknivå for å fjerne spylegass tilført i trinn (d), og (f) gjenoppretting av trykket i sonen til omtrent mategass-trykket i trinn (a) ved å tilføre til sonen en del av primærproduktgasskomponenten som er trukket av fra adsorbsjonssonen i nevnte serier som underløper trinn (a).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at luft benyttes som spylegass i trinn (d) når nevnte sekundærproduktgasskomponent er ikke-forbrennbar.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en inertgass benyttes som spylegass i trinn (d).

4. Fremgansmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at systemet omfatter fire adsorbsjonssoner som arbeider i parallell, og at den rekomprimerte gass fra trinn (c) lagres for etterfølgende bruk i en adsorbsjonssone som under-løper trinn (b).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at systemet omfatter seks adsorbsjonssoner i parallell og at den rekomprimerte gass fra trinn (c) sendes direkte til en annen adsorbsjonssone i systemet som underløper trinn (b) .

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at det som fast sorbsjonsmiddel benyttes aktivert karbon.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at evakueringen av adsorbsjonssonen som underløper trinn (e) bevirkes i en retning motstrøms den for den opprinnelige gjennomgang av mategassblandingen gjennom sonen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at evakueringen av adsorbsjonssonen som underløper trinn (e) bevirkes samtidig fra begge ender av sonen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at evakueringen av adsorbsjonssonen som underløper trinn (e) bevirkes fra en stilling mellom mate- og utslippsenden av kolonnen.