NO872440L - Adsorpsjonsprosess. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en adsorbsjonsprosess, og har spesiell befatning med adsorbsjonsprosesser av varme- og massevekslings- (HME-) trykksvingnings- (PSA-) eller varmesving-nings- (TSA-)type. Slike prosesser finner anvendelse i mange forskjellige tilfeller hvor en gassblanding ønskes adskilt i en første strøm som er anriket i forhold til fødeblandingen, med hensyn til én eller flere gasskomponenter i blandingen, og en andre strøm som er anriket i forhold til fødeblandingen, med hensyn på én eller flere andre gasskomponenter i blandingen.

En HME-prosess er beskrevet i Chemical Engineering Science 40 (1985) nr. 11, side 2019-2025.

Prosesser av PSA- eller TSA-typen blir normalt gjennomført på en syklisk basis under anvendelse av et antall leier av adsorberende materiale, og i syklusen inngår grunntrinn omfatt-ende

a) leding av fødegass, av et første trykk, gjennom det adsorberende leie, hvorved den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, av fødegassen adsorberes på det adsor berende stoff, mens den mindre lettadsorberte komponent, eller komponentene, passerer gjennom leiet og frembringer eh første produktstrøm av et trykk som i forhold til trykket i fødegassen bare er redusert med det trykktap som skyldes motstanden mot gasstrømmen gjennom leiet, b) desorbering av den adsorberte gass fra leiet, ved redu-sering av trykket og/eller vedøking av temperaturen, f.eks. ved leding av en oppvarmet regenerasjonsgass gjennom leiet, hvorved den desorberte gass frembringer en andre produkt-strøm som inneholder den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, i fødegassen, og c) tilbakeføring av det adsorberende leie til adsorbsjons-trinn a).

Det kan alternativt benyttes en ikke-dynamisk PSA-syklus, hvorved eksempelvis et leie bringes under trykk med fødegassen og deretter trykkavlastes i to eller flere trinn, hvorved den mindre lettadsorberte komponent, eller komponentene, frigjøres under det eller de innledende trykkavlastingstrinn, og den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, frigjøres under ett eller flere etterfølgende trykkavlastingstrinn.

I syklusen kan det som kjent inngå forskjellige andre trinn, f.eks. ett eller flere trykkutjevningstrinn, rensings-, spylings-og/eller klaringstrinn, og desorbsjonen kan gjennomføres i stadier, for opprettelse av én eller flere strømmer av mellom-trykk og/eller -temperatur og inneholdende komponenter av middeladsorberbarhet, samt en strøm inneholdende de mer lettadsorberte komponenter. Eksempler på ulike PSA-sykler er beskrevet f.eks. i EP-A-183358.

Størrelsen av det adsorberende leie som må anvendes, avhenger av varigheten av det lengste trinn i syklusen, eksempelvis adsorbsjons- eller desorbsjons-/regenerasjonstrinnet, dersom dette lengste trinn kan gjøres kortere, er det mulig å benytte et adsorberende leie av mindre størrelse og følgelig en mindre tank for opptakelse av leie. Det nødvendige volum (V) av det adsorberende leie er i sin tur avhengig av det adsorberende materialets virkningsgrad som i sin tur avhenger bl.a. av forholdet mellom det adsorberende materialets geometriske flatestørrelse (GSA) og volumet (Va) av det adsorberende materiale i leiet. Va er selvsagt produktet av V og (1 - BV) hvor BV er poretallet. Adsorberende materialer er vanligvis blitt brukt i form av pellets, eksempelvis små sylindere eller kuler. GSA/Va-forholdet kan selvsagt økes ved å minske pelletstørrelsen, men dette har den ulempe for et leie hvor forholdet mellom lengden og tverrsnittsflaten er gitt, at leiets tendens til fluidisering, med derav følgende trykktap gjennom leiet,øker. Dette er ofte uønsket av økonomiske grunner.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er virkningsgraden hos det adsorberende materiale øket ved anvendelse av materiale i form av én eller flere enheter med et antall små og gjennomgående kanaler som gir leiet et høyt GSA/Va-forhold, uten at det adsorberende materiale forårsaker en uakseptabeløkning av trykkfallet.

I overensstemmelse med oppfinnelsen er det således angitt en varme- og massevekslings-, trykk- og/eller varmesvingningsad- sorbsjonsprosess, hvorved det anvendes et adsorberende leie bestående av én eller flere enheter med stort sett parallelle, gjennomgående kanaler, hvor hver enhet har minst 20 og fortrinnsvis minst 25 kanaler pr. kvadratcentimeter av enhetens tverr-snittsf late, og hvor antallet og tverrsnittsflaten av kanalene i hver enhet er slik anpasset at det geometriske poretall for hver enhet ikke overstiger 0,45.

Kanalene har fortrinnsvis sirkelformet tverrsnitt, selv om andre tverrsnittsformer også kan benyttes. Den effektive diameter (dp) av en kanal er i beskrivelsen definert som diameteren av en sirkel med samme omkrets som omkretsen av kanal-tverrsnittet. Hver kanal har en tenkt diameter (dn) som define-res som diameteren av en sirkel med samme tverrsnittsflate som kanalen. (Hvis kanalene har sirkelformet tverrsnitt, er den effektive diameter den samme som den tenkte, og lik den reelle kanaldiameter.)

Fortrinnsvis har minst 50%, og helst minst 80%, av kanalene i hver enhet en effektiv diameter av størrelse 0,03 - 2,5 mm, særlig 0,1-1 mm, og helst 0,2 - 0,5 mm.

Sideforholdene ved det absorberende leie kan være det samme som ved de adsorberende leier som vanligvis anvendes, eller større, og ligger typisk innenfor området 2-10, og fortrinnsvis over 3.

Med henblikk på foreliggende oppfinnelse er enhetenes geometriske poretall GV definert som forholdet mellom den totale tverrsnittsflate av kanalene i enheten, dvs. antallet kanaler ganger middelkanaltverrsnittsflaten, og enhetens tverrsnittsflate. Hvis det er N kanaler pr. cm<2>av enhetens tverrsnitt og hver kanal har en tenkt diameter dn cm, er følgelig det geometriske poretall lik N.ir .dn<2>/4.

Ved en utførelsesform av oppfinnelsen er det anordnet et tilfeldig pakket, adsorberende leie av enheter som tidligere nevnt. I dette tilfelle er enhetene fortrinnsvis sylinderformet med gjennomgående kanaler hvis akser forløper stort sett parallelt med sylinderens lengdeakse. Enhetene har fortrinnsvis en diameter og en lengde som er over 3, men under 20 mm, og et sideforhold, dvs. et forhold mellom enhetenes lengde og diameter, av 0,5 - 2, og fortrinnsvis 0,75 - 1,5. Både lengden og diameteren av disse enheter ligger fortrinnsvis mellom 6 og 15 mm.

Slike enheter har en høy GSA pr. volum av enheten, og selv om poretallet BV for et leie av disse enheter generelt vil være noe større enn poretallet for et leie av partikler uten gjennomgående kanaler, vil den høye GSA som skyldes det store antall gjennomgående kanaler, øke enhetenes effektivitet slik at forholdet mellom leiets GSA og volumet Va av det adsorberende materiale i leiet blir vesentlig høyere enn for et leie av partikler uten gjennomgående kanaler. Da GSA pr. volum av enhetenøker på grunn av de anordnede, gjennomgående kanaler, kan enhetenes størrelse økes og leiet likevel ha et tilsvarende eller større GSA/Va, hvorved trykkfallet gjennom leiet minsker. Som følge av at de gjennomgående kanaler bevirker reduksjon av trykktapet, er det alternativt også mulig å bruke mindre partikler enn i et konvensjonelt system.

Ved anvendelse i adsorbsjonsprosessen ifølge oppfinnelsen er det følgelig mulig å øke gasshastigheten gjennom leiet og/eller bruke mindre partikler enn vanlig, hvorved syklustiden reduseres ytterligere. Hvis det benyttes høye gasshastigheter, særlig i en PSA-prosess hvor det er vanlig at gasstrømmens retning reverseres på ulike stadier i syklusen, kan det være gunstig å anvende et kontrollert leie for å unngå fluidisering av enheten. Partiklene kan tilbakeholdes ved hjelp av en trådduk eller en perforert plate som er anbragt tvers over enden av leiet som består av adsorberende enheter.

I en annen versjon ifølge oppfinnelsen er det adsorberende leie anordnet i form av en enkelt enhet, eller en tettpakket stabel eller montasje av enheter, hvor kanalene gjennom enheten eller enhetene forløper i flukt med gassens strømningsretning gjennom leiet.

I et leie bestående av tilfeldig pakkede, sylindriske pellets med lengde lik diameteren er leiets poretall BV lik forholdet mellom volumet av tomrommene mellom nevnte pellets og volumet av leiet, og utgjør ca. 0,35 - 0,40. Hvis det adsorberende leie består av en enkelt konstruksjonsenhet, eller av en montasje av enheter som er anordnet side om side og/eller ende mot ende, kan volumet av eventuelle mellomrom mellom innbyrdes tilgrensende enheter bare representere en liten brøkdel, vanligvis mindre enn 10%, av leievolumet, og leiets poretall BV vil vanligvis ikke være meget større enn enhetenes geometriske poretall GV, som tidligere forklart. Ifølge oppfinnelsen er det geometriske poretall GV ikke over 0,45 og fortrinnsvis ikke over 0,40. Poretallet ligger helst mellom 0,15 - 0,40 og leiets poretall BV kan følgelig være av samme størrelsesorden, eller betydelig mindre enn poretallet for et tilfeldig pakket leie. Mengden av adsorberende materiale i et leie av gitt volum kan således være av samme størrelsesorden som hos et leie av tilfeldig pakkede enheter, eller betydelig større.

Da det ved denne versjon av oppfinnelsen, hvor leiet består av en enkelt enhet eller en tettpakket montasje eller stabel av enheter, vil enhetens eller enhetenes ytterflate bare representere en relativt liten del av det flateareal som står til rådighet for gassen som gjennomgår behandling, er enhetenes ytterflate, med henblikk på den etterfølgende beskrivelse, ikke tatt i betraktning i forbindelse med leiets geometriske flateareal GSA. Leiets GSA kan derfor betraktes som produktet av antallet enheter i leiet, antallet kanaler i hver enhet og hver kanals veggflatestørrelse som er lik produktet av kanalens tverrsnittsomkrets og kanallengden. Hvis et antall enheter er stablet ende mot ende, kan det igjen oppstå små mellomrom mellom ihvertfall deler av endene av innbyrdes tilgrensende enheter, av grunner som omtalt i det etterfølgende, men generelt vil produktet av antallet enheter langs leiet og lengden av kanalen i hver enhet, bare være litt mindre enn lengden av leiet. I forbindelse med oppfinnelsen kan følgelig forholdet GSA/Va, hvis det adsorberende materiale er anordnet som en enkelt enhet eller en stabel eller montasje av enheter, ansees å være lik

hvor N er antallet kanaler pr. cm<2>av enhetens tverrsnittsflate, dn er den tenkte kanaldiameter i cm og dp er en effektiv kanaldiameter i cm. Hvis det er anordnet et tilfeldig pakket leie av små, sylindriske enheter og lengde L cm og diameter D cm, kan enhetenes ytterflateareal bidra betydelig til det adsorberende

leies geometriske ytterflatestørrelse. I dette tilfelle kan forholdet GSA/Va settes lik

Kanalene i hver enhet danner fortrinnsvis et regelmessig mønster, særlig med samme avstand mellom innbyrdes tilgrensende kanaler. Kanalene har fortrinnsvis sirkelformet tverrsnitt og er anordnet i et sekskantmønster, dvs. med midtpunktet av hver kanal plassert i hjørnet av et likesidet triangel. I et slikt system er forholdet k mellom innbyrdes tilgrensende kanalers senteravstand og diameteren av kanalene fortrinnsvis av størrelsesorden 1,2 - 2,5 og særlig 1,4 - 2,0. I dette system er antallet kanaler pr. cm<2>av enhetens tverrsnittsflate lik dvs. ca. 1,15/(k<2>.d<2>), mens enhetens geometriske poretall er lik

dvs. ca. 0,9/k<2>, hvor de er kanaldiameteren i cm.

Trykkfallet gjennom leiet minsker når antallet kanaler pr. cm<2>av enhetens tverrsnittsflate øker, og når kanalenes hydrauliske diameter dhøker. Den hydrauliske diameter dh er lik kanaltverrsnittsflaten multiplisert med fire og dividert med kanaltverrsnittsomkretsen, dvs. dn<2>/dp. Det er konstatert at det ifølge foreliggende oppfinnelse er mulig å anvende et adsorberende materiale med et GSA/Va som er betydelig større enn hos et leie av tilfeldig pakkede, adsorberende partikler uten gjennomgående kanaler, men som gir et lignende trykkfall gjennom leiet. Hvis det f.eks. anvendes en stabel av adsorberende enheter i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse, hvor kanalene av sirkelformet tverrsnitt er anordnet i et sekskantmønster som tidligere nevnt, hvor forholdet k er lik 1,6, kan det adsorberende leies volum, jevnført med et konvensjonelt system basert på et leie hvor det adsorberende materiale er i form av kuler med diameter ca. 2 mm, reduseres med en faktor sirka 4 ved bruk av kanaler av diameter 0,5 mm, og sirka 30 hvis kanalene har en diameter av 0,2 mm.

Selv om det i visse tilfeller er mulig å opprette en enkelt enhet som vil oppta leiets totale tverrsnittsareal, bør hver enhet, dersom det skal benyttes en tettpakket montasje av mindre enheter som er stablet side om side og dessuten, om nødvendig, ende mot ende, ha en slik ytterform at det ikke oppstår vesent-lige tomrom mellom sidene av innbyrdes tilgrensende enheter. Dette kan oppnås ved at enhetene har ytterformer som prismer av mangekantet og fortrinnsvis regulær tverrsnittsform, eksempelvis kvadratisk, rektangulær, triangelformet eller sekskantet. Enheter med tverrsnitt av annen poligonform, eksempelvis åttekan-tet, kan anvendes, og enheter av ulike tverrsnittsformer, eksempelvis kvadratisk eller triangulært, og av passende stør-relse kan også innføyes i mønsteret, for å unngå tomrom mellom sidene av innbyrdes tilgrensende enheter. Alternativt kan leiet være sammensatt av enheter, f.eks. av sirkulær tverrsnittsform og pakket side om side, idet tomrommene mellom sidene av innbyrdes tilgrensende enheter er gjenfylt med et egnet fyllmateriale, såsom sement. I en montasje av enheter er enhetene slik orientert at kanalene forløper stort sett parallelt med strømningsretningen for gassen som behandles.

Hvis det adsorberende leie består av enheter som er stablet lagvis, ende mot ende, må det opprettes klaring, f.eks. ved å forsyne enhetene med veivede eller rugjorte ender eller ved anvendelse av perforerte avstandsholdere, eksempelvis trådduk, for å forhindre at inngangen til kanalene i den ene enhet blir sperret av en enhet i et tilgrensende lag, og å sørge for tilstrekkelig omblanding av gassen som forlater det ene lag av enheter, innen den innstrømmer i det neste lag. Det foretrekkes at slike tomrom mellom innbyrdes tilgrensende enheter er mindre enn 5 mm og helst av størrelse 1 - 5 mm.

I visse tilfeller hvor leiet er sammensatt av en rekke enheter som er stablet eller montert ende mot ende, kan det være ønskelig at en del av kanalene har større, effektiv diameter, for minsking av trykktapet i gassen som strømmer gjennom leiet. I en slik montasje eller stabel er imidlertid enhetene fortrinnsvis montert eller stablet slik at kanalene av større diameter ikke forløper i aksialflukt fra den ene enhet til den annen langs leiet. Der slike kanaler av større diameter er anordnet, har de typisk en effektiv diameter av opptil 10 ganger den effektive diameter av de mindre kanaler.

Hvis leiet består av en montasje av enheter, har hver enhet fortrinnsvis en tenkt tverrsnittsdiameter (dvs. diameter av en sirkel av samme tverrsnittsflate som enheten uten hensyn til de gjennomgående kanaler) av minst 5 mm, fortrinnsvis minst 10 mm og helst av størrelse 20 - 200 mm. Hver enhets sideforhold, dvs. forholdet mellom dens lengde og dens tenkte tverrsnittsdiameter, vil avhenge av fremstillingsmåten, og er fortrinnsvis større enn 1. Som det fremgår av det nedenstående, er enhetene helst fremstilt ved ekstrudering, og det kan i såfall frembringes enheter med en lengde av opptil 200 mm eller mer.

Enhetene som anvendes ifølge foreliggende oppfinnelse, kan være fremstilt ved ekstrudering av en egnet blanding gjennom en form med kjerner som frembringer deønskede kanaler. Alternativt kan enhetene tilvirkes ved bruk av pellet- eller tablettfremstil-lingsmetoder. I såfall kan kjernene i pelleteringsformen være svakt konisk, eksempelvis med skråvinkel opptil 3°, for at enhetene lettere skal kunne løsgjøres fra formen. Det er åpenbart at kanalene i slike tilfeller ikke kan ha fullstendig ensartet tverrsnitt. Pellet- eller tablettfremstillingsteknikker er mindre egnet enn en ekstruderingsmetode, dersom enhetene skal fremstilles i store antall og/eller med et stort antall kanaler i hver enhet.

Av materialer som er særlig egnet for fremstilling av enhetene, kan nevnes ethvert av de materialer som benyttes som adsorberingsmidler i PSA- eller TSA-prosessene, f.eks. zeolitt, kiselgel og aktivert karbon. Egnede zeolitter innbefatter zeolitt 4A, 5A og 13X, samt mordenitt. Det bør bemerkes at det også er mulig å benytte et kjemisk forløpermateriale som deretter omdannes til det aktive adsorberingsmateriale under eller etter at blandingen er formet til den ønskede flerhullskonstruksjon.

Det bør videre bemerkes at hvis leiet består av en montasje av enheter som er stablet ende mot ende, kan enhetene i det ene lag adskille seg fra enhetene i et annet, eksempelvis i størrelse og plassering av de gjennomgående kanaler, og/eller i kjemisk sammensetning. I slike tilfeller kan montasjen ansees å danne et antall rekkeplasserte, separate adsorberingsleier.

Som tidligere nevnt blir enhetene fortrinnsvis fremstilt ved anvendelse av en ekstruderingsmetode. For å få en ekstruderbar konsistens, vil blandingen vanligvis inneholde en væske og et viskositetsmodifiserende polymer som er løsbart eller svellbart i væsken. Hvis væsken, slik det foretrekkes, består av vann kan polymerer eksempelvis bestå av et oppløsbart karbonhydrat, såsom stivelse, algenat eller santangummi, en celluloseeter, et protein, polyvinylalkohol, -ester, -acetal, -eter, eller blandet derivat, f.eks. delvis hydrolisert polyvinylacetat, polyalkylen-hydroksyd, polyakrylat eller metakrylat, polyakrylamid eller polymetakrylamid. Polymerblandinger kan benyttes. Hvis væsken er organisk kan tallrike, organiske polymerer komme til anvendelse, eksempelvis polyolefiner av høy molekylvekt (over 15000) med et plastifiseringsmiddel, såsom polyol, mens væsken eksempelvis består av glykol, glyserol eller ester med høyt kokepunkt. Polymerkombinasjoner som er særlig egnet med henblikk på den ekstruderbare konsistens i vann som inneholder blandinger, er beskrevet i EP-A-134138. Den ekstruderbare konsistens kan alternativt oppnås ved anvendelse av et sammensatt, anorganisk oksyd som vil svelle i vann, f.eks. et leirmineral såsom dentonit eller koloidalt magnesium aluminiumsilikat som handelsføres under varemerket Vee Gum T, alene eller tilsatt et viskositetsmodifiserende polymer.

Etter formingen og, dersom denne foregår ved ekstrudering, fortrinnsvis etter at ekstrudatet er kappet i ønsket lengde, blir det formede produkt om nødvendig tørket hvoretter den organiske komponent dersom det under formingen er benyttet et bindemiddel med en organisk komponent, om ønskelig kan utbrennes ved kalsi-nering fortrinnsvis ved 200 - 500°C i en oksygenholdig gass, f.eks. luft. Et slikt kalsineringstrinn kan også være fordelak-tig selv om det ikke anvendes organisk bindemiddel. Den utform-ede enhet kan deretter om ønskelig sintres, for kompaktgjøring og for øking av enhetens styrke, selvsagt under forutsetning av at et slikt trinn ikke vil innvirke ugunstig på enhetens adsor-beringsegenskaper. Hvis det adsorberende materiale eksempelvis består av aktivt karbon, bør kalsimering i et oksygenholdig miljø unngås, og hvis det benyttes et bindemiddel kan dette gjenstå i den adsorberende enhet, eller det kan velges et bindemiddel som vil fordampe eller forkulles ved oppvarming i en inert atmosfære, f.eks. nitrogen.

Hvis enhetene fremstilles ved ekstrudering, er det viktig at det ekstruderte produkt som kappes i ønskede lengder, ikke under kappingen påføres noen forvridning av betydning, som kan bevirke at det dannes uønskede tomrom mellom enhetene etterat disse er sammenføyd til det ønskede, adsorberende leie,

og/eller blokkering av kanalene. En skjæreteknikk som er særlig egnet for enheter med små tverrsnitt, er beskrevet i EP-A-223445. En annen, egnet skjæreteknikk er beskrevet i UK-patentsøknad

8610612, motsvarende europeisk patentsøknad 86308219.4.

En av fordelene ved anvendelse av de strukturerte, adsorberende materialer ifølge foreliggende oppfinnelse er, som tidligere nevnt, at det adsorberende leies volum, og følgelig syklustiden, kan reduseres vesentlig. Dette vil imidlertid i visse tilfeller kunne medføre problemer, særlig i forbindelse med en PSA-prosess med en syklustid som vanligvis er meget kortere enn ved en TSA-prosess, i tilknytning til kravet om en hurtig virkemåte av ventilene som styrer sekvensen. Denne vanskelighet kan avhjelpes på en måte, ved at det adsorberende materiale anordnes som et leie i en roterbar, sylindrisk tank som er utstyrt med hensikts-messig plasserte åpninger. Leiet strekker seg fortrinnsvis i tankens fulle lengde, og det kan være anordnet langsgående, uperforerte skillevegger som adskiller deler av leiet fra hverandre, men da trykkfallet i retningen perpendikulær mot de gjennomgående kanaler som regel er meget stort, kan slike skillevegger i visse tilfeller være unødvendige. Når tanken roterer, vil en spesiell del av det innvendige leie først bringes i forbindelse med fødegasskilden og utløpsåpningen for den uadsorberte, første produktstrøm. Denne del av leiet bringes deretter gradvis i forbindelse med den angjeldende åpning, eller åpningene, for de øvrige trinn i syklusen, mens en annen del av leiet står i forbindelse med tilførselsåpningen og utløpsåpningen for den første produktstrøm. Et system av denne type kan være slik innrettet at gasstrømmen rettes enten aksialt eller radialt. I stedet for en roterbar tank kan det anvendes en stasjonær, hvor kanalene eller forbindelsene mellom kanalene og leiet kan rotere i forhold til tanken.

Det foretrekkes ved et slikt rotasjonssystem at leiet består av en enkelt, adsorberende enhet, alternativt en stabel eller montasje av adsorberende enheter.

Ved en slik rotasjonsprosess for separering av en fødegass inneholdende komponenter av forskjellig adsorberbarhet i en første produktstrøm, inneholdende den mindre lettadsorberbare komponent, eller komponentene, og en andre produktstrøm inneholdende den mer lettadsorberbare komponent, eller komponentene, samtidig som den relative rotasjon utføres kontinuerlig eller intermittent, blir matergassen ledet til en første del av det adsorberende leie som står i forbindelse med innløpsåpningen for fødegassen og med utløpsåpningen for den første produktstrøm, og den første produktstrøm fjernes gjennom den angjeldende utløpsåpning,

hvorved den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, adsorberes fra fødegassen på det adsorberende materiale i den første del av det adsorberende leie, og

den andre produktstrøm, i løpet av ihvertfall en del av det tidsrom hvorunder fødegaasén ledes til den første del av det adsorberende leie, blir desorbert fra en andre del av det adsorberende leie hvorpå den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, tidligere er blitt adsorbert, gjennom utløpsåpnin-gen for den andre produktstrøm, hvoretter

den første del av det adsorberende leie bringes i forbindelse med utløpsåpningen for den andre produktstrøm, og den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, desorberes fra den første del av det adsorberende leie, mens fødegassen ledes til den andre, eller annen del av det adsorberende leie.

For å illustrere oppfinnelsen er det i de etterfølgende eksempler 1 og 2 angitt beregnede prosessbetingelser for en PSA-prosess og en TSA-prosess, og i hvert av tilfellene er anvendelsen av et adsorberende leie ifølge oppfinnelsen jevnført med en prosess hvorved det benyttes et vanlig, partikkelformet adsorberingsmateriale uten gjennomgående kanaler.

Eksempel 1

Dette eksempel illustrerer anvendelsen av PSA for luftsepar-ering, hvorved det frembringes en produktstrøm inneholdende 90 volum-% oksygen i en mengde av 33 te/dag av luft som tilføres ved et absolutt trykk av 3 bar og med et trykkfall gjennom leiet av 0,23 bar.

Ovenstående spesifikasjon kan oppnås ved en konvensjonell prosess under anvendelse av et adsorberende materiale i form av kuler av diameter 2 mm som er tilfeldig pakket i tre leier, hvert av 6,40 meters høyde og 2,44 meters diameter. Den nødvendige totalmengde av adsorberende materiale i hvert leie er 30 m<3>. I dette system er adsorbsjonstiden i hver PSA-syklus lik 90 sekunder.

I overensstemmelse med oppfinnelsen vil ovennevnte spesifikasjon kunne oppnås ved anvendelse av tre leier, hvert med en høyde av 4,74 m og en diameter av 1,42 m, hvor det adsorberende materiale (kjemisk sett det samme som i den ovennevnte, konvensjonelle prosess) er anordnet som en montasje av enheter av sekskantet, prismatisk ytterform, som er stablet side om side i to lag med 2 mm mellomrom mellom innbyrdes tilgrensende lag, og derved danner det adsorberende leie, hvor hver enhet har en tenkt diameter av 15 mm og en lengde av 25 mm og innbefatter gjennomgående kanaler av sirkulær tverrsnittsform med diameter 0,52 mm, som er anordnet i et sekskantet mønster hvor det tidligere nevnte forhold k er lik 1,56. Hver enhet har et geometrisk poretall av ca. 0,37. Det nødvendige totalvolum av adsorberende materiale i hvert leie er i dette tilfelle lik 7,5 m<3>, og adsorberingstiden er bare 22,5 sekunder.

Ved anvendelse av et rotasjonssystem med horisontal strøm-ning gjennom et horisontalt, adsorberende enkeltleie vil den ovennevnte spesifikasjon også kunne oppnås ved anvendelse av et leie av diameter 2,80 m og lengde 1,54 m (adsorberende volum 3,3 m<3>) hvor det adsorberende materiale er anordnet i form av en montasje av enheter som tidligere omtalt, men med kanaler av diameter 0,2 mm, som igjen har en slik innbyrdes avstand at k er lik 1,56. I dette tilfelle vil adsorberingstiden i PSA-syklusen være bare 3,3 sekunder.

Eksempel 2

Dette eksempel viser anvendelsen av TSA for tørking av en ammoniakksyntesegass inneholdende hydrogen og nitrogen i et molarforhold av ca. 3:1 og ca. 0,06 volum-% vanndamp, for frembringelse av en produktstrøm inneholdende mindre enn 1 volum-ppm av vanndamp i en mengde av 6000 kg mol/time ved anvendelse av renset ammoniakksyntesegass av temperatur 290°C som regenereringsgass.

Ovennevnte spesifikasjon kan oppnås med en konvensjonell prosess hvorved det anvendes adsorberende materiale i form av kuler med diameter 1,6 mm, som er tilfeldig pakket i leier og som gir et totalt, adsorberende volum av 16,3 m<3>. Ved anvendelse av dette system blir adsorberingstiden i hver TSA-syklus 8 timer, mens den nødvendige tid for regenerering er 2,3 timer (varm regenereringsgass i 1,6 time med en avkjølingstid av 0,7 timer), og den nødvendige mengde av regenereringsgass er 600 kg mol/time.

Ved anvendelse av et rotasjonssystem av ovennevnte art vil den ovenstående spesifikasjon kunne oppnås, i overensstemmelse med oppfinnelsen, ved bruk av bare 10,5 m<3>adsorberende materiale i form av en montasje av enheter som er stablet side om side og ende mot ende og derved danner det adsorberende leie, hvor hver enhet innbefatter gjennomgående kanaler av sirkelformet tverrsnitt med diameter 1,12 mm, som er anordnet i et sekskantmønster hvor det tidligere angitte forhold k er lik 1,6. Hver enhets geometriske poretall er ca. 0,35. Adsorberings- og regenerering-stidene er i dette tilfelle de samme som i den førnevnte prosess basert på bruk av det konvensjonelle adsorberingsmateriale, men regenereringsgassens nødvendige strømningsmengde er bare 120 kg mol/time.

Ved bruk av samme regenereringsgassmengde, dvs. 120 kg mol/time, vil det nødvendige volum av det adsorberende materiale bare utgjøre 0,33 m<3>dersom de adsorberende enheter er forsynt med 0,2 mm huller som imidlertid er tettere plassert slik at k fremdeles er lik 1,6, hvorved adsorberingstiden reduseres til 0,26 timer og regenereringstiden til 0,07 timer, (varm regenereringsgass i 0,05 timer med en avkjølingstid av 0,02 timer).

I den ovennevnte, konvensjonelle TSA-prosess foregår oppvarmingen av regenereringsgassen diskontinuerlig, og det vil derfor kreves et varmeelement med kapasitet 1,25 MW, selv om det gjennomsnittlige kraftbehov utgjør 0,25 MW. I de ovenstående eksempler hvor det benyttes ekstruderte enheter ifølge oppfinnelsen for TSA under anvendelse av et adsorberende rotasjonsleie, kan det brukes et varmeelement av en lavere kapasitet, foruten at det er økonomisk rimeligere å gjenvinne varme fra regenereringsgassen etter at denne har passert gjennom den del av det adsorberende leie som gjennomgår regenereringstrinnet, ved varmeveksling med gassen som fremføres til varmeelementet. Videre er det mulig å utnytte varmgassen fra den del av leiet som avkjøles etter regenereringen, som regenereringsgass for en annen del av leiet. Varmeelementet behøver i såfall bare å levere 0,09 MW, og dette representerer en betydelig kraftbespa-relse.

Eksempel 3

Dette eksempel viser virkningen av enhetens geometriske poretall i et PSA-luftseparasjonssystem.

Det adsorberende leie består av en montasje av sekskant-prisme-enheter av zeolitt 5A som er anbragt side om side, hvor hver enhet innbefatter et større antall gjennomgående kanaler som er anordnet i et sekskantmønster og hvor kanalaksene forløper stort sett parallelt med den langsgående sylinderakse. Hver enhet har et geometrisk flateareal pr. volumenhet av ca. 47 cm- 1 .

I den etterfølgende tabell er det angitt de beregnede adsorberingsleie-volumer som kreves for produsering av 33 te/dag av oksygenanriket luft inneholdende 90 volum-% oksygen av luft som tilføres ved et absolutt trykk av 3 bar, for enheter av forskjellige kanaldiametre og geometriske poretall. Tabellen angir også de beregnede effektbehov for komprimering av luften som overføres til adsorberingssystemet.

Det fremgår således at det ved bruk av adsorberende fler-hullsenheter med lavt poretall, foruten å muliggjøre anvendelse av adsorberende leier av mindre volum, men også gjør det mulig å redusere den nødvendige kompresjonskraft, som følge av den mer effektive virkemåte hvorved denønskede produktmengde kan fremstilles av en mindre luftmengde.

Claims (10)

1. Varme- og massevekslings-, trykk- og/eller varmessvingnings-adsorbsjonsprosess, karakterisert ved at det anvendes et adsorberende leie bestående av én eller flere enheter med et antall gjennomgående, stort sett parallelle kanaler, hvor hver enhet innbefatter minst 20 kanaler pr. cm <2> av enhetens tverrsnittsflate, og hvor antallet og tverrsnittsflaten av kanalene i hver enhet er slik at hver enhet har et geometrisk poretall som ikke overstiger 0,45.

2. Prosess i samsvar med krav 1, karakterisert ved at minst 50% av kanalene i hver enhet har en effektiv diameter av størrelse 0,03 - 2,5 mm.

3. Prosess i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver enhets geometriske poretall GV er av størrelsesorden 0,15 - 0,40.

4. Prosess i samsvar med ett av kravene 1-3, karakterisert ved at kanalene har sirkelformet tverrsnitt og er anordnet i hver enhet i et sekskantmønster med midtpunktet av hver kanal plassert i et hjørne av et likesidet triangel idet forholdet mellom avstanden mellom sentrene i innbyrdes tilgrensende kanaler i hver enhet og kanaldiametrene utgjør 1,2-2,5.

5. Prosess i samsvar med ett av kravene 1-4, karakterisert ved at det adsorberende leie består av tilfeldig pakkede, sylindriske enheter med gjennomgående kanaler hvis akser forløper stort sett parallelt med den langsgående sylinderakse, hvor diameteren og lengden av hver enhet ligger mellom 3 og 20 mm og hvor forholdet mellom lengden og diameteren av hver enhet er av størrelsesorden 0,5-2.

6. Fremgangsmåte i samsvar med ett av kravene 1-4, karakterisert ved at det adsorberende leie består av én enkelt enhet eller av en tettpakket stabel eller montasje av enheter, hvor de gjennomgående kanaler i enheten, eller i hver av disse, forløper i flukt med gassens strømningsretning gjennom leiet.

7. Prosess i samsvar med krav 6, karakterisert ved at det adsorberende leie består av en tettpakket montasje av enheter som er stablet side om side og, om ønskelig, ende mot ende hvor hver enhet har ytterform som et mangekantet prisme uten betydelige tomrom mellom sidene av innbyrdes tilgrensende enheter.

8. Prosess i samsvar med krav 6 eller 7, karakterisert ved at det adsorberende leie består av enheter som er stablet lagvis, ende mot ende, med mellomrom av størrelse 1-5 mm mellom innbyrdes tilgrensende lag, for å forhindre at inngangen til kanalene i én enhet blokkeres av en enhet i et tilgrensende lag, og for å bevirke at gassen som forlater et lag av enheter, omblandes innen den innstrømmer i det neste lag.

9. Prosess i samsvar med ett av kravene 6-8, karakterisert ved at det adsorberende leie består av en montasje av enheter som hver for seg har en tenkt tverrsnittsdiameter av størrelse 20-200 mm, og hvor forholdet mellom enhetens lengde og den tenkte tverrsnittsdiameter er større enn 1.

10. Prosess i samsvar med ett av kravene 1-9, for separering av en fødegass inneholdende komponenter av forskjellig adsorberbarhet, i en første produktstrø m inneholdende den mindre lettadsorberbare komponent, eller komponentene, og en andre produkt-strøm inneholdende den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, karakterisert ved at det adsorberende materiale er anordnet som et leie i en sylindrisk tank som er utstyrt med åpninger for innføring av fødegassen til tanken, avleding av den første produktstrøm fra tanken, og avleding av den andre produktstrøm fra tanken, og hvor åpningene og tanken er bevegelig i forhold til hverandre , hvorved det, under opprettholdelse av kontinuerlig eller periodisk, relativ rotasjon, ledes fødegass til en første del av det adsorberende leie i forbindelse med innløpsåpningen for fødegassen og med utløpsåp-ningen for en første produktstrø m, mens den første produktstrøm avledes gjennom utlø psåpningen, idet den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, derved adsorberes fra fødegassen på det adsorberende materiale i den første del av det adsorberende leie, mens det ihvertfall under en del av det tidsrom hvorunder fødegassen ledes til den første del av det adsorberende leie, desorberes den adsorberte, andre produktstrø m fra en andre del av det adsorberende leie, hvorpå den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, på forhånd er blitt adsorbert, gjennom utlø psåpningen for den andre produktstrø m, hvoretter den første del av det adsorberende leie bringes i forbindelse med utløpsåpningen for den andre produktstrøm, for desorbering av den mer lettadsorberte komponent, eller komponentene, fra den første del av det absorberende leie samtidig som fø degassen ledes til den andre, eller en annen del av det adsorberende leie.