NO177693B - Fremgangsmåte for fremstilling av oksygenanriket produktström - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å oppnå en oksygenanriket gass fra en blandet gass, inneholdende hovedsakelig oksygen og nitrogen som gasskomponenter, som luft, ved hjelp av trykksvingningsadsorpsjon (PSA).

Trykksvingningsadsorpsjons systemer og fremgangsmåte derav er blitt meget anvendt for å produsere oksygenanrikede strømmer fra blandede gasser, inkludert luft, og mange slike systemer og prosesser er blitt anvendt.

Det er i slike systemer fordelaktig å anvende en relativt kort tidssyklus for å utføre fremgangsmåten på grunn av at kortere tider fører til god anvendelse av siktemateriale anvendt for å adsorbere en av komponentene. De korte syklustidene anvender generelt et siktmateriale med finere partikkelstørrelse for å redusere difusjonsmotstanden. Typiske eksempler på korte syklustider er vist og beskrevet i US-patentene 4.194.891 og 4.194.892. Oksygenproduksjonen økte i fremgangsmåten i ovennevnte patenter, men utbyttet var meget lavt, for eksempel 10-2096 utbytte.

Konvensjonelle vakuum-PSA-prosesser danner et høyere oksygenutbytte (50-60$), men produksjonsraten er noe lav. Den normale produksjonsraten til konvensjonelle tre-sjikts-PSA-prosesser er ikke spesielt høy; som et eksempel er sjiktstør-relsesfaktoren omtrent 2000-2600 kg zeolitt pr. tonn oksygen produsert pr. dag.

Det er selvfølgelig ønskelig å oppnå høy produksjonsrate med hurtigere syklustider og finere siktmaterialer sammen med høyt utbytte, eksempelvis ved konvensjonelle tre-sjikts-systemer, men med en fremgangsmåte som er billig og relativt enkel i drift.

PSA-fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse til-veiebringer et anriket oksygenprodukt som har et høyt oksygenutbytte samt høy produksjonsrate ved å løse ulempene ifølge tidligere teknikk med minimalisering av kostnader og opprettholdelse av enkel drift.

Foreliggende oppfinnelse vedrører følgelig en fremgangsmåte for fremstilling av en oksygenanriket produktstrøm fra en tilførselsgass inneholdende minst oksygen og nitrogen ved anvendelse av to adsorpsjonskolonner inneholdende et adsorberingsmiddel med evne for selektiv adsorpsjon av nitrogen og et produktreservoar, kjennetegnet ved at

(i) gass føres inn i utløpet til en første adsorpsjonskolonne ved et lavt trykk fra utløpet til en andre adsorpsjonskolonne ved et høyere trykk for vesentlig å utligne trykkene i kolonnene mens gass fjernes fra

innløpet til den andre kolonnen;

(ii) etter utligningen ifølge trinn (i), introduseres produktgass innbefattet innenfor produktreservoaret i et høyt trykk i utløpet til den første kolonnen for å tilbakefylle den første kolonnen, mens gass fortsettes å bli fjernet fra innløpet til den andre

kolonnen;

(iii) tilførselsgass føres inn i innløpet til den første kolonnen ved et minimalt forutbestemt trykk, og produktet av anriket oksygengass utvinnes fra utløpet av den første kolonnen for å innføre nevnte anrikede oksygenstrøm til produktreservoaret, mens en del av produktstrømmen innføres til utløpet av den andre kolonnen for å spyle den andre kolonnen og samtidig fjerne gass fra innløpet til den adnre kolonnen for å desorbere og evakuere nitrogenrik gass fra den andre

kolonnen; (iv) gass innføres inn i utløpet til den andre kolonnen fra utløpet til den første kolonnen ved et opprinnelig høyt trykk for å utligne trykkene i kolonnene mens gass fjernes fra innløpet til den første kolonnen; (v) etter utligning ifølge trinn (iv) oksygenanriket produktgass innbefattet i produktreservoaret, innføres ved et høyere trykk inn i utløpet til den andre kolonnen, mens gass fortsatt fjernes fra

innløpet til den første kolonnen;

(vi) tilførselsgass føres inn i innløpet til den andre kolonnen ved et forutbestemt minimaltrykk, og produktet av anriket oksygengass utvinnes fra utløpet til den andre kolonnen for å innføre nevnte anrikede oksygenstrøm til produktreservoaret, mens en del av produktstrømmen føres inn i utløpet av den første kolonnen for å spyle den første kolonnen mens gass samtidig fjernes fra innløpet til den første kolonnen for å desorbere og evakuere nitrogenrik gass fra den

første kolonnen; og

(vil) trinnene (i) til (vi) gjentas syklisk mens oksygenan riket produktgass fjernes fra produktreservoaret.

Systemet anvender korte syklustider for å oppnå god anvendelse av siktmaterialet, men krever bare to sjikt, og den tidligere tresjikts-prosessen er dermed meget forenklet som tidligere var nødvendig for høye utbytter.

En av de ytterligere trekkene er energibesparelsen ved kontinuerlig drift av en vakuumpumpe med et to-kolonne-system ved samtidig å utføre et utiigningstrinn som tilfører en oksygenanriket strøm fra produktet til utløpsenden av en kolonne, og desorpsjon for å evakuere nitrogenrik gass fra innløpet til samme kolonne. På denne måten blir vakuumpumpen kjørt kontinuerlig gjennom dette trinnet, samt gjenværende trinn. På grunn av at vakuumpumpen ikke går på tomgang eller ubrukt i løpet av noen av trinnene i prosessen, blir anvendelsen derav og dermed energiforbruket optimalisert.

Tosjikts-PSA-fremgangsmåten med høyt utbytte og produksjonsrate blir oppnådd ved anvendelse av relativt fine partikler av zeolittmateriale, så som 0,84 mm - 0,50 mm (20-35 mesh) størrelse og selv med større partikler så som 2,38 mm - 1,68 mm (8-12 mesh) størrelse ved kortere syklustider som er mindre enn 30 sekunder, fortrinnsvis omtrent 15-25 sekunder. Området av trykksvingning anvender vakuum for desorpsjon på mindre enn 300 torr, fortrinnsvis til 200 torr og maksimalt produkttrykk på mindre enn 135,8 kPa, og fortrinnsvis mindre enn 122 kPa. Fig. 1 er et skjematisk flytdiagram ifølge foreliggende oppfinnelse; og Fig. 2 er en kolonnesyklus ifølge foreliggende oppfinnelse. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet med referanse til det skjematiske flytdiagrammet vist i fig. 1 og kolonnesyklusen ifølge fig. 2.

Dersom fig. 1 og fig. 2 sees sammen, vises en fremgangsmåte for fremstilling av en anriket oksygengasstrøm som kontinuerlig blir dannet fra en gass inneholdende hovedsakelig oksygen og nitrogen, så som luft. Hver av de to adsorpsjonskolonnene A og B inneholder et adsorberingsmiddel som selektivt kan adsorbere nitrogen.

Fremgangsmåten blir utført med relativt fine zeolittpartikler på omtrent 0,38 mm - 0,50 mm (8-35 mesh), fortrinnsvis omtrent 1,68 mm - 0,84 mm (12-20 mesh). Vanlige zeolittsikt-materialer er tilgjengelig fra forskjellige zeolitt-fremstillere i form av kuler eller pellets. Kontroll av hver av trinnene kan bli regulert på konvensjonelle måter, for eksempel en tidsmåler for å kontrollere solenoiddrevete ventiler med standard kommersielt design.

I trinn 1 er ventilene IA og 2A lukkede, og stenger dermed den lavere eller innløpsenden til den første kolonnen A. I toppen, eller utløpsenden av kolonne A, er ventilene 4A og 5A lukkede, og ventil 3A er åpen. Med hensyn på den andre kolonne B, er ventilene 9B og 10B lukkede, og gass fra utløpet av kolonne B blir ført inn i utløpet av kolonne A gjennom ventil 3A, og strømningen blir kontrollert av ventil 8B. På samme tid i trinn 1, ved innløpsenden av kolonne B, er ventil 6B lukket, mens ventil 7B er åpen, og dette fører til at gass blir fjernet fra innløpsenden av kolonne B ved hjelp av en vakuumpumpe 16.

I løpet av dette trinnet blir trykket i kolonne B som opprinnelig er høyere enn trykket i kolonne A, anvendt for å utligne trykkene i begge kolonnene, dvs. kolonne B kan, ved begynnelsen av trinn 1, ha et positivt trykk på omtrent 1010 torr, og blir redusert til omtrent 500 torr i slutten av trinn 1, mens kolonne A setter igang trinn 1 ved et trykk på omtrent 260 torr, og trykket blir hevet til 470 torr. I slutten av trinn 1 er kolonnetrykkene derfor utlignet. Trinn 1 kan foregå ekstremt hurtig, og fortrinnsvis fra omtrent 2 sekunder til omtrent 6 sekunder, og det er mere foretrukket i løpet av omtrent 4 sekunder.

I trinn 2 er ventil 3A lukket og ventil 5A og 24 åpnet, og oksygenanriket produktgass fra reservoar 18 blir ført inn i innløpet til kolonne A og blir kontrollert av måleventil 26 for å tilbakefylle kolonne A og å øke trykket ytterligere i kolonne A. På grunn av at trykket i produktreservoaret er omtrent 800 torr, fortsetter trykket innenfor kolonne A å øke fra 470 torr til omtrent 660 torr. På samme tid blir gass fortsatt unndratt fra innløpet til kolonne B gjennom åpen ventil 7B av vakuumpumpe 16, og trykket innenfor kolonne B fortsetter å bli redusert. Dette trykket kan reduseres i trinn 2 fra 500 torr til omtrent 450 torr. Igjen er tidsbe-stemmelsen av trinn 2 ekstremt hurtig, og er fortrinnsvis fra omtrent 1 til 5 sekunder, og mere foretrukket omtrent 3 sekunder.

I trinn 3 blir ventil IA åpnet, og luft eller annen tilfør-selsgass inneholdende hovedsakelig oksygen og nitrogen under et forutbestemt tilførselstrykk, innført i innløpet til kolonne A. Innløpstrykkene kan variere, men innløpstrykket bør ha et minimalt forutbestemt trykk på mellom 122 og 149,6 kPa, og fortrinnsvis omtrent 175,8 kPa. Ved utløpet til kolonne A blir ventil 5A lukket og ventil 4A åpnet, og dette fører til at tilførselsluften går igjennom kolonne A der nitrogen blir adsorbert og en oksygenanriket produktstrøm passerer fra utløpesenden av kolonne A gjennom ventil 4A, sjekkventil 11 og gjennom linje 20 til produktreservoar 18. I løpet av dette trinnet kan trykket i kolonne A øke fra 660 torr til omtrent 1010 torr ved fremstilling av oksygenanriket produkt. På samme tid, i trinn 3, blir gassen fortsatt unndratt til innførselsenden av kolonne B for å desorbere eller evakuere nitrogenanriket gass fra kolonne B ved hjelp av vakuumpumpe 16. Samtidig, med desorpsjonen av kolonne B via innløpet, er ventil 10B åpen og ventil 24 åpen, og oksygenanriket produktstrøm blir ført inn i utløpet av kolonne B for å spyle kolonne B. Strømning av oksygenanriket produktstrøm blir kontrollert av målingsventil 26. Kolonne B blir dermed både spylt av en oksygenanriket gasstrøm ført inn i utløpet, og desorbert av unndratt nitrogenrik gass fra innløpet. Trykket i kolonne B fortsetter derfor å bli redusert, vanligvis fra omtrent 450 torr til omtrent 260 torr, når fjerningen ved hjelp av vakuumpumpe 16 fortsetter uavbrutt. Trinn 3 ble også utført meget hurtig i et område av syklustid på fortrinnsvis omtrent 10 sek. til 25 sek., og mere foretrukket omtrent 18 sek.

I trinn 4 foregår igjen utligning, og denne gangen ved å innføre den nå høyere trykkgassen til kolonne A inn i kolonne B. Dette utføres ved å lukke ventil 4A ved utløpet av kolonne A og åpning av ventil 3A. Ved utløpet av kolonne B blir ventil 10B lukket, og gass fra kolonne A blir dermed ført til kolonne B for utligning av trykket, kontrollert av måleventil 8B. På samme tid blir selvfølgelig tilførselsstrømmen stengt ved lukking av ventil IA ved innløpet til kolonne A, og ventil 2A blir åpnet, slik at gassen kan bli unndratt fra innløpsenden av kolonne A gjennom vakuumpumpe 16. Innløpet til kolonne B blir fullstendig lukket ved å lukke ventil 7B.

I trinn 4 blir trykkene innenfor kolonne A og B omtrent utlignet, trykket i kolonne A blir redusert fra omtrent 1010 torr til omtrent 500 torr, men trykket i kolonne B blir øket fra omtrent 260 torr til omtrent 470 torr. Trinn 4 blir fortrinnsvis utført i løpet av fra omtrent 2 til omtrent 6 sekunder, og mere foretrukket i løpet av omrent 4 sekunder.

I trinn 5 blir ventil 3A lukket, og utløpsenden av kolonne A blir dermed lukket fullstendig, mens gass fortsetter å bli fjernet fra innførselsenden av kolonne A med reduksjon av trykket, vanligvis fra 500 torr til 450 torr. Ventil 10B og 28 blir åpnet og oksygenanriket produkt fra produktreservoar 18 går inn i kolonne B for å tilbakefylle den kolonnen kontrollert av måleventil 30, slik at trykket i kolonne B blir øket fra vanligvis omtrent 470 torr til omtrent 660 torr. Som i trinn 2 foregår tilbakefyllingstrinnet på fra omtrent 1 til 5 sekunder, og fortrinnsvis i kløpet av omtrent 3 sekunder.

I trinn 6 blir tilslutt ventil 6B åpnet, for derved å innføre den trykkbelastede tilførselsstrømmen inn i innløpet til kolonne B. Ventil 9B blir åpnet, slik at den oksygenanrikede produktstrømmen fra kolonne B går igjennom sjekkventil 12 og fortsetter via linje 20 til produktreservoar 18.

I løpet av trinn 6 blir ventilene 24 og 5A åpnet for å muliggjøre at oksygenanriket gass går inn i utløpet til kolonne A for å spyle kolonne A, kontrollert av måleventil 26. Samtidig med spyling av kolonne A, blir gass fortsatt fjernet fra innløpet til kolonne A av vakuumpumpe 16 for å desorbere eller evakuere nitrogenrik gass. Trykket i kolonne A reduseres vanligvis igjen fra omtrent 450 torr til omtrent 260 torr, mens trykket i kolonne B øker fra omtrent 660 torr til omtrent 1010 torr. Tiden i trinn 6 kan være fra omtrent 10 til omtrent 25 sekunder, og fortrinnsvis i løpet av omtrent 18 sekunder.

Etter fullført trinn 6 blir hele sekvensen gjentatt på en kontinuerlig syklisk basis, slik at produktet kontinuerlig blir tatt ut fra produktreservoar 18 gjennom ventil 32 i løpet av hver av trinnene.

Vakuumpumpe 16 blir også kontinuerlig anvendt for å fjerne gass alternativt fra den ene eller andre av de to kolonnene, og blir dermed effektivt anvendt for å minimalisere energien anvendt i prosessen.

EKSEMPLER

Ved anvendelse av apparaturen som er beskrevet, og med rekken av trinn som vist, ble denne fremgangsmåten drevet på en slik måte at den oppnår en oksygenanriket produktstrøm. To adsorpsjonskolonner, A og B, hver 5,1 cm i diameter og 38 cm høyde, ble pakket med kalsium X zeolitt molekylærsiktmateri-ale i form av kuler kommersielt tilgjengelige fra Laporte Co. for tre kjøringer, og zeolittmaterialet i form av pellets fra Tosoh Company for én kjøring.

Produksjonsrate og utbytter, ble oppnådd i henhold til følgende tabell:

Testen ovenfor vier at et høyt utbytte, høy produksjonsrate ved høy renhet kan bli oppnådd ved hjelp av et to-kolonne-system der vakuum kontinuerlig blir anvendt på den ene eller andre av kolonnene i løpet av hver av trinnene, og vakuumpumpen blir dermed effektivt anvendt og energi blir konservert. Syklusene er ekstremt hurtige for oppnåelse av god anvendelse av siktmaterialet, men konstruksjonen og driften av de to sjiktsystemene er mer fordelaktig enn de mer komplekse, dyrere tresjikts-systemene.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en oksygenanriket pro-duktstrøm fra en tilførselsgass inneholdende minst oksygen og nitrogen ved anvendelse av to adsorpsjonskolonner inneholdende et adsorberingsmiddel med evne for selektiv adsorpsjon av nitrogen og et produktreservoar, karakterisert ved at (i) gass føres inn i utløpet til en første adsorpsjonskolonne ved et lavt trykk fra utløpet til en andre adsorpsjonskolonne ved et høyere trykk for vesentlig å utligne trykkene i kolonnene mens gass fjernes fra innløpet til den andre kolonnen; (ii) etter utligningen ifølge trinn (i), introduseres produktgass innbefattet innenfor produktreservoaret i et høyt trykk i utløpet til den første kolonnen for å tilbakefylle den første kolonnen, mens gass fortsettes å bli fjernet fra innløpet til den andre kolonnen; (ili) tilførselsgass føres inn i innløpet til den første kolonnen ved et minimalt forutbestemt trykk, og produktet av anriket oksygengass utvinnes fra utløpet av den første kolonnen for å innføre nevnte anrikede oksygenstrøm til produktreservoaret, mens en del av produktstrømmen innføres til utløpet av den andre kolonnen for å spyle den andre kolonnen og samtidig fjerne gass fra innløpet til den adnre kolonnen for å desorbere og evakuere nitrogenrik gass fra den andre kolonnen; (iv) gass innføres inn i utløpet til den andre kolonnen fra utløpet til den første kolonnen ved et opprinnelig høyt trykk for å utligne trykkene i kolonnene mens gass fjernes fra innløpet til den første kolonnen; (v) etter utligning ifølge trinn (iv) oksygenanriket produktgass innbefattet i produktreservoaret, innføres ved et høyere trykk inn i utløpet til den andre kolonnen, mens gass fortsatt fjernes fra innløpet til den første kolonnen; (vi) tilførselsgass føres inn i innløpet til den andre kolonnen ved et forutbestemt minimaltrykk, og produktet av anriket oksygengass utvinnes fra utløpet til den andre kolonnen for å innføre nevnte anrikede oksygenstrøm til produktreservoaret, mens en del av produktstrømmen føres inn i utløpet av den første kolonnen for å spyle den første kolonnen mens gass samtidig fjernes fra innløpet til den første kolonnen for å desorbere og evakuere nitrogenrik gass fra den første kolonnen; og (vii) trinnene (i) til (vi) gjentas syklisk mens oksygenanriket produktgass fjernes fra produktreservoaret.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte tilførselsgass som føres inn i trinnene (iii) og (vi) er luft ved et trykk på fra omtrent 101,3 kPa til omtrent 149,6 kPa og nevnte adsorberingsmiddel er en fin zeolittpartikkel på omtrent 2,38-0,50 mm.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at nevnte fine zeolittpartikkel som anvendes er i form av kuler eller pellets ved en størrelse på mellom omtrent 1,68 mm og omtrent 0,84 mm.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnene (i) og (iv) foregår i løpet av omtrent 2 til 6 sekunder; trinnene (ii) og (v) foregår i løpet av omtrent 1 til 5 sekunder; og trinnene (iii) og (vi) foregår i løpet av omtrent 10 til 25 sekunder.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at trinnene (i) og (iv) foregår i løpet av omtrent 4 sekunder, trinnene (ii) og (v) foregår i løpet av omtrent 3 sekunder; og trinnene (lii) og (vi) foregår i løpet av omtrent 18 sekunder.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinn (i) og (Iv) innbefatter utligning av trykkene i kolonnene til et trykk på fra omtrent 470 til omtrent 500 torr, idet nevnte produktgass i trinnene (ii) og (v) innføres ved et trykk på omtrent 800 torr; og nevnte tilførselsgass innføres i trinnene (iii) og (vi) i et trykk på fra omtrent 101,3 kPa til 149,6 kPa.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at nevnte tilførselsgass innføres i trinnene (iii) og (vi) i et trykk på mindre enn omtrent 135,8 kPa.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnene (i) til og med (vi) utføres i løpet av mindre enn omtrent 30 sekunder.