PL191724B1

PL191724B1 - Sposób rozdzielania mieszanin gazowych tlenu, argonu i azotu

Info

Publication number: PL191724B1
Application number: PL338531A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Budner; Andrzej Kołodziejski; Zbigniew Kruszyński; Janusz Dula
Original assignee: Inst Ciezkiej Syntezy Orga; Instytut Ciezkiej Syntezy Organicznej Blachownia; Kopalnia Wegla Brunatnego Koni; Kopalnia Wegla Brunatnego Konin Sa
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2006-06-30
Also published as: EP1125623A1; PL338531A1

Abstract

1. Sposób rozdzielania mieszanin gazowych tlenu, argonu i azotu metoda adsorpcji zmien- nocisnieniowej, w kinetycznie selektywnym procesie PSA na weglowych lub zeolitowych sitach molekularnych, znamienny tym, ze pro- ces PSA jest realizowany w instalacji zawiera- jacej co najmniej dwa adsorbery (1A) i (1B) oraz zbiornik buforowy frakcji argonowej (2) i pelny cykl PSA zawiera kolejno po sobie wy- konywane operacje technologiczne: - operacje napelniania (AR1), wktórej do adsorbera (1A) lub (1B), wczasie 30 ÷ 60 s doprowadza sie zanieczyszczony tlen i jedno- czesnie odprowadza sie zadsorbera (1A) lub (1B) frakcje argonowa do zbiornika buforo- wego, a cisnienie w adsorberze i zbiorniku bu- forowym wzrasta od cisnienia 300 ÷ 400 kPa do 500 ÷ 700 kPa, …………………………………… PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób rozdzielania mieszanin gazowych tlenu, argonu i azotu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej na węglowych sitach lub zeolitowych sitach molekularnych, wcelu wytwarzania tlenu o wysokiej czystości.

Rozwój technik adsorpcji zmiennociśnieniowej zwanej potocznie PSA, pozwala na efektywne wytwarzanie tlenu w niewielkiej skali. Znane technologie PSA rozdziału powietrza na zeolitowych sitach molekularnych pozwalają na wytwarzanie tlenu o czystości co najwyżej 95.5% objętościowych O2, pozostałym zanieczyszczeniem jest wówczas tylko argon. Z reguły w generatorach tlenu, gdzie rozdział powietrza prowadzi się na zeolitowych sitach molekularnych typu NaX, CaX lub CaA otrzymuje się tlen o czystości 95.0 + 95.3% objętościowych O₂, zawierający 4.5% argonu i 0.2 + 0.5% objętościowych azotu.

Tlen o takiej czystości może być stosowany w większości procesów tlenowych, nie może być zastosowany do cięcia stali, blach stalowych o większej grubości, nie może być zastosowany do automatycznego cięcia blach stalowych. Do takich celów może być zastosowany tlen o czystości nie niżej niż 99.8 + 99.9% objętościowych O₂, korzystnie tlen o czystości 99.99% objętościowych O₂.

Tlen o wysokiej czystości, powyżej 99.2% objętościowych O2 można wytwarzać ztlenu o czystości nie niższej niż 95.0% objętościowych O2 zawierającego 0.5% objętościowych N2 14.5% objętościowych Ar, korzystnieztlenu o czystości 95.5% objętościowych O2, zanieczyszczonego tylko argonem, wytwarzanego poprzez rozdział powietrza na zeolitowych sitach molekularnych stosując znane technologie PSA rozdziału powietrza, a następnie rozdzielając tlen o takiej czystości metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej na węglowych lub zeolitowych sitach molekularnych, selektywnie adsorbujących tlen względem argonu i azotu, wkinetycznie selektywnym procesie adsorpcji zmiennociśnieniowej. Jak dotychczas nie było możliwe wytwarzanie tlenu tą metodą o czystości wyższej niż 99.7% objętościowych O2.

Według opisu patentowego US nr 4.190.424, sposób wytwarzania tlenu o wysokiej czystości polega na tym,że tlen zawierający typowo 90.0%obj. O2,4.5% objętościowych Ari5.5% objętościowych N2 otrzymywanywprocesie PSA na zeolitowych sitach molekularnych, jest poddawany oczyszczaniu do czystości 99.7% objętościowych O2 wdrugim stopniu PSA na węglowych sitach molekularnych, poprzez selektywną adsorpcję tlenu względem azotu i argonu. Stosowane jest węglowe sito molekularne o rozmiarze porów 3 -10 x 10^-1 nm. Według opisu patentowego US 4.813.979 tlen o wysokiej czystości otrzymuje sięztlenu 95.0% objętościowych w procesie PSA na węglowym sicie molekularnym selektywnie adsorbującym argon. Proces oczyszczania tlenu polega na tym, żewinstalacji dwuadsorberowej, złoże węgla napełnia się tlenem i następnie przepuszcza się tlen pod zwiększonym ciśnieniem przez złoże, odbierajączdrugiego końca oczyszczony tlen, gdywdrugim adsorberze wykonuje się desorpcję zaadsorbowanego argonu poprzez przeciwprądowe obniżanie ciśnienia. Adsorbery pracują przemiennie w cyklach trwających 3 -9 sekund. Rozwiązanie to może być zastosowane do oczyszczania niewielkich strumieni tlenu, na przykład do potrzeb medycznych.

Według amerykańskiego opisu patentowego US 5.226.933 do oczyszczania tlenu proponuje się zastosowanie mordenitu srebrowego Ag (18) M selektywnie adsorbującego argon względem tlenu. Z tlenu zawierającego 95.0 objętościowych O2i5.0% objętościowych Ar otrzymuje się tlen o czystości 99.7% objętościowych. Proponowany proces wymaga stosowania wysokich ciśnień, charakteryzuje się niską sprawnością wytwarzania tlenu.

Z kolei według zgłoszenia patentowego europejskiego 0132239 sposób wytwarzania tlenu o wysokiej czystości, polega na selektywnej adsorpcji tlenu względem argonuwkinetycznie selektywnym procesie na klinoptylolitach naturalnych lub modyfikowanych.

Najbliższe rozwiązanie sposobu wytwarzania tlenu o wysokiej czystości do rozwiązania przedstawionegowniniejszym rozwiązaniu podano w amerykańskim opisie patentowym 5.137.549. Istota proponowanego tam sposobu wytwarzania tlenu o wysokiej czystości polega na tym, że tlen o czystości 95.5% objętościowych zawierający jako zanieczyszczenie jedynie argon, otrzymuje sięwpierwszym stopniu PSA na zeolitowych sitach molekularnych. Następnie tlen odprowadzany jest do zbiornika buforowego, z którego jest pobierany o drugiego stopnia PSA, zawierającego dwa adsorbery wypełnione węglowym sitem molekularnym, selektywnie adsorbującym tlen względem argonu. Proces oczyszczania tlenu realizowany jest w następujących operacjach technologicznych:

- napełnianie; do adsorbera doprowadza się tlen o czystości 95.5% objętościowych ciśnienie wadsorberze wzrasta do ciśnienia adsorpcji,

PL 191 724 B1

- adsorpcja; poprzez złoże węglowe przepuszcza się tlen o czystości 95.5% objętościowych z drugiego końca odprowadza się gaz wzbogacony w niezaadsorbowany argon

- współprądowe obniżanie ciśnienia i płukanie; do adsorbera wprowadza się sprężony oczyszczony tlen o czystości 99.2% objętościowych otrzymany w fazie desorpcji, przy pomocy którego wypłukuje się zawarty w przestrzeni swobodnej sorbentu tlen wzbogacony w argon. Strumień wypłukiwanego tlenu kieruje się współprądowo do drugiego adsorbera, przez co ciśnienie w drugim adsorberze wzrasta do ciśnienia pośredniego, a w pierwszym adsorberze ciśnienie obniża się,

- desorpcja przeciwprądowa; z adsorbera odprowadza się czysty tlen, desorbujący się z węglowego sita molekularnego.

Tlen jest sprężany i w części zawracany do operacji wypłukiwania. Proces wykonywany jest przemiennie w dwóch adsorberach. Gdy w jednym adsorberze wykonywane są operacje napełniania i adsorpcji w drugim adsorberze odbywa się desorpcja tlenu.

Opisane sposoby rozdziału mieszanin gazowych tlenu, argonu i azotu na węglowych sitach molekularnych lub zeolitowych sitach molekularnych metodą zmiennociśnieniowej adsorpcji PSA w kinetycznie selektywnym procesie PSA nie pozwalają na wytwarzanie tlenu o czystości wyższej niż 99.7% obj.

Realizacja procesu PSA według amerykańskiego opisu patentowego nr 5.137.549 pozwala na otrzymanie tlenu o czystości typowo równej 99,2% - 99.3% objętościowych O₂ co najwyżej 99.5% objętościowych O2 przy stosunkowo niskiej sprawności uzysku tlenu. Taka czystość tlenu jest niewystarczająca dla potrzeb automatycznego bezodpadowego cięcia blach stalowych o dużej grubości.

Celem wynalazku było opracowanie metody wytwarzania tlenu o czystości powyżej 99.7% objętościowych.

Nieoczekiwanie okazało się, że połączenie operacji napełniania AR1, w której do adsorbera doprowadzany jest zanieczyszczony tlen, zjednoczesnym odprowadzaniem frakcji argonowej z drugiego końca adsorbera do zbiornika buforowego powoduje szybkie odprowadzanie argonu zawartego w końcowych warstwach sorbentu poza strefę sorbentu, co zmniejsza czas przebywania i kontaktu z sorbentem, przez co zmniejsza się ilość adsorbowanego argonui w konsekwencji wzrasta czystość wytwarzanego tlenu. Okazało się także nieoczekiwanie, że doprowadzanie czystego tlenu w operacji napełniania czystym tlenem AR2 we współprądzie do przepływu gazuwoperacji AR1ipod ciśnieniem wyższym, niż końcowe ciśnienie woperacji AR1 ijednoczesne odprowadzanie frakcji argonowej z drugiego końca adsorbera do zbiornika buforowego powoduje wypłukiwanie argonu zaadsorbowanego w sorbencie i przy krótkim czasie kontaktu z sorbentem wypłukiwanie argonu do zbiornika buforowego, co daje dalszą poprawę czystości wytwarzanego tlenu. Również także nieoczekiwanie okazało się, że doprowadzanie do adsorbera czystego tlenuwoperacji wypłukiwania czystym tlenem R, we współprądzie do przepływu gazuwoperacji AR1, lecz pod wyższym ciśnieniem niż końcowe ciśnienie woperacji AR1 i jednoczesne odprowadzanie argonu do zbiornika buforowego i odprowadzanie frakcji argonowej ze zbiornika buforowego powoduje dalsze wypłukiwanie zaadsorbowanego argonuzsorbentu i wynoszenie go poza strefę sorbentui z instalacji w strumieniu tlenu, w postaci frakcji argonowej. Stwierdzono także, że w równocześnie przebiegających wdwóch adsorberach operacjach obniżania ciśnienia E1 i podwyższania ciśnienia 1E, nie jest konieczne wyrównanie ciśnień pomiędzy połączonymiadsorberami, lecz ciśnienie w adsorberze należy obniżyć tylko do takiego poziomu by desorbujący się tlen wypłukał resztki argonu zawarte w przestrzeni swobodnej sorbentu.

Połączenie ze sobąwkolejności operacji AR1, AR2iRzciągłym odprowadzaniem frakcji argonowej do zbiornika buforowego i następnie odprowadzenie resztek argonu woperacji obniżania ciśnienia E1do drugiego adsorbera powoduje to, że przed rozpoczęciem desorpcji wsorbencie jest zaadsorbowany praktycznie czysty tlen, w przestrzeni swobodnej znajduje się także czysty tlen. W efekcie w operacji desorpcji z adsorbera desorbuje się czysty tlen,wminimalnym stopniu zanieczyszczony argonem,astraty tlenu we frakcji argonowej są niewielkie.

Istota wynalazku, dotyczącego kinetycznie selektywnego procesu adsorpcji zmiennociśnieniowej rozdzielania mieszanin gazowych tlenu, argonuiazotu na węglowych lub zeolitowych sitach molekularnych polega na tym, że proces prowadzi sięwinstalacji zawierającej co najmniej dwa adsorbery 1Ai1B oraz zbiornik buforowy frakcji argonowej, a pełny cykl PSA zawiera kolejno po sobie wykonywane operacje technologiczne:

- operację napełniania AR1, w której do adsorbera, w czasie 30 - 60 s doprowadza się zanieczyszczony tlen ijednocześnie odprowadza się z adsorbera do zbiornika buforowego frakcję argonową, a ciśnienie w adsorberze i zbiorniku buforowym wzrasta od ciśnienia 300 -400 kPa do 500 -700 kPa,

PL 191 724 B1

- operację napełniania czystym tlenem AR2, w której do adsorbera w czasie 0-15 s we współprądzie do przepływu gazu woperacji AR1 doprowadza się czysty tlen wytworzony wczasie operacji desorpcji i następnie sprężony i jednocześnie odprowadza się zadsorbera do zbiornika buforowego frakcję argonową, aciśnieniewadsorberzei zbiorniku buforowym wzrasta od ciśnienia 500 -700 kPa do 600 - 800 kPa,

- operację wypłukiwania R, wktórej do adsorbera 1A lub 1B wczasie 10 - 30 s we współprądzie do przepływu gazu woperacji AR1, doprowadza się czysty tlen wytworzony woperacji desorpcji i następnie sprężony i jednocześnie odprowadza się zadsorbera do zbiornika buforowego frakcję argonową i odprowadza się jednocześnie ze zbiornika buforowego frakcję argonową, aciśnienie utrzymuje się na stałym poziomie 600-800kPa,

- operację obniżania ciśnienia E1, wktórej do absorbera 1A lub 1B doprowadza się czysty tlen i jednocześnie zadsorbera wczasie 5 - 20 s, we współprądzie do przepływu gazu woperacji AR1 odprowadza się gaz i doprowadza się we współprądzie do drugiego adsorbera odpowiednio 1B lub 1A, wktórym wykonywana jest operacja podwyższania ciśnienia 1E, aciśnienie obniża się od 600 -800 kPa do 400 - 600 kPa, lecz ciśnienia między połączonymi adsorberami nie wyrównują się,

- operację desorpcji D, w której z adsorbera w czasie 40 + 105 s, w przeciwprądzie do przepływu gazu woperacji AR1 odprowadza się desorbujący czysty tlen i ciśnienie wadsorberze obniża się do ciśnienia 100 + 110 kPa, a w przypadku odsysania tlenu przy pomocy pompy próżniowej, ciśnienie obniża się do 10 + 50 kPa,

- operację podwyższania ciśnienia 1E, w której do adsorbera 1A lub 1B w czasie 5 + 20 s, we współprądzie do przepływu gazu woperacji AR1, doprowadza się gaz wytworzony woperacji obniżania ciśnienia E1, a ciśnienie wzrasta do 250 + 350 kPa, lecz ciśnienia między połączonymi adsorberami nie wyrównują się,

- operację zwrotnego napełniania RR, w której do adsorbera 1A lub 1B w czasie 1 + 2 s, w przeciwprądzie do przepływu gazu woperacji AR1 doprowadza się frakcję argonową zawartą wzbiorniku buforowym 2, lecz ciśnienia między adsorberemizbiornikiem buforowym nie wyrównują się.

Korzystnie jest, jeżeli:

- stosunek objętości zbiornika buforowego 2 do objętości węglowego lub zeolitowego sita molekularnego zawartego w każdym adsorberze 1A lub 1B mieści się w granicach 0.4 + 0.7,

- stosunek ilości czystego tlenu zawracanego do procesu woperacjach AR2 i R i E1 do ilości tlenu wprowadzanego z surowcem mieści się w granicach 0.6 + 1.2,

- stosunek przyrostu ciśnienia łącznie woperacjach AR1 i AR2 do przyrostu ciśnienia tylko w operacji AR1 mieści się w granicach 1.0 + 2.0,

- czas trwania pełnego cyklu PSA wynosi 90 + 240 s, a stosunek czasu trwania operacji AR1 do sumy czasu trwania operacji AR2 i R wynosi 0.7 + 1.4.

Sposób rozdzielania mieszanin gazowych tlenu, argoni azotu według wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania i na rysunku, którego fig. 1 przedstawia schemat technologiczny instalacji, fig. 2 przedstawia schemat przepływu strumieni gazowych wpełnym cyklu PSA, afig. 3 przedstawia przebieg ciśnienia w adsorberze w trakcie trwania pełnego cyklu.

Rozdzielanie mieszanin gazowych tlenu, argonui azotu prowadzi sięwinstalacji PSA składającej się z dwóch adsorberów 1A i 1B wypełnionych węglowym lub zeolitowym sitem molekularnym, selektywnie adsorbującym tlen względem argonui azotu oraz zbiornika buforowego 2. Proces adsorpcji zmiennociśnieniowej jest realizowany przy pomocy zaworów sterowanych oznaczonych symbolami KV1AB-KV6A, KV6B. W skład instalacji wchodzą dwa zawory zwrotne ZZA i ZZB oraz zawór ręczny ZR służący do regulacji operacji obniżania i podwyższania ciśnienia. Przewodem 101 jest doprowadzany zanieczyszczony tlen, przewodem 102 jest doprowadzany do instalacji czysty tlen wytworzony wfazie desorpcji i następnie sprężony. Przewodem 103 odprowadzana jest do zbiornika buforowego frakcja argonowa, przewodem 104 odprowadzana jest frakcja argonowa ze zbiornika buforowego. Przewodem 105 odprowadzany jest zinstalacji czysty tlen, otrzymany woperacji desorpcji, który jest następnie sprężanyi wczęści zawracany do procesu.

Zawór dwudrogowy KV1AB służy do przemiennego doprowadzania do adsorberów 1A lub 1B zanieczyszczonego tlenu z przewodu 101 woperacji AR1, lub czystego tlenu z przewodu 102 woperacji AR2,RiE1.

Zawory KV2A i KV2B są otwarte i służą do doprowadzania do adsorberów, odpowiednio 1A i1B, zanieczyszczonego tlenu woperacjach napełniania AR1 ido doprowadzania do adsorberów 1A, 1B czystego tlenu w operacjach napełniania czystym tlenem AR2i wypłukiwania R oraz obniżania ciśniePL 191 724 B1 nia E1.Zawory KV3A i KV3B służą do odprowadzania z adsorberów 1A i 1B frakcji argonowej przewodem 103 do zbiornika buforowego 2woperacji napełniania AR1, napełniania czystym tlenem AR2, wypłukiwania R oraz do doprowadzania frakcji argonowej ze zbiornika buforowego 2 do adsorberów 1A lub 1Bwtrakcie operacji zwrotnego napełniania RR. Zawór KV4B służy do odprowadzania frakcji argonowej ze zbiornika buforowego 2 przewodem 104. Zawory, odpowiednio KV5A. ZR i ZZB oraz KV5B, ZR i ZZA służą do wykonywania wzajemnie powiązanych operacji obniżania ciśnienia E1, ipodwyższania ciśnienia 1E.Gdy jest otwarty zawór KV5A, tlen przepływa z adsorbera 1A poprzez zawór ZR i zawór i ZZB do adsorbera 1Biodwrotnie, gdy otwarty jest zawór KV5B, tlen przepływa zadsorbera 1B poprzez zawór ZRizawór ZZA do adsorbera 1A. Zawory KV6A i KV6B służą do odprowadzania desorbującego się czystego tlenuzinstalacjiwtrakcie wykonywania desorpcji D. Tlen jest odprowadzany z instalacji przewodem 105ijest następnie sprężanyi wczęści zawracany do procesu.

Figura2 przedstawia schemat przepływu strumieni gazowych wtrakcie trwania cyklu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA. Symbolami 1Ai1B oznaczono adsorbery, cyfrą 2 oznaczono zbiornik buforowy frakcji argonowej. Oznaczenia poszczególnych operacji technologicznychsą następujące:

-operacja napełniania -AR1

-operacja napełniania czystym tlenem -AR2

-operacja wypłukiwania -R

-operacja obniżania ciśnienia -E1

-operacja desorpcji -D

-operacja podwyższania ciśnienia -1E

-operacja zwrotnego napełniania -RR

Figura3 przedstawia przebieg ciśnienia Pwpojedynczym adsorberze wtrakcie trwania cyklu PSA, w zależności od czasu t trwania cyklu i wykonywanych kolejnooperacji technologicznych: AR1,

AR2, R, E1, D,1EiRR.

Proces rozdzielania mieszanin gazowych tlenu, argonu iazotu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej sposobem według wynalazku przebiega następująco:

- w operacji napełniania AR1 - w czasie 30 + 60 s do adsorbera 1A lub 1B, przewodem 101 poprzez odpowiednio ustawiony zawór KV1AB oraz otwarty zawór, odpowiednio KV2A lub KV2B,doprowadza się zanieczyszczony argonemiazotem tlen, jednocześnie z drugiego końca adsorbera poprzez otwarty zawór, odpowiednio KV3A lub KV3B, odprowadza się przewodem 103 frakcję argonową do zbiornika buforowego 2, w kontakcie z sorbentem następuje adsorpcja tlenu, gaz o podwyższonej zawartości argonu odprowadzany jest szybko poza strefę adsorpcji przez co argon adsorbuje się w zmniejszonym stopniu; ciśnienie w adsorberze i zbiorniku buforowym wzrasta od 300 + 400 kPa do 500 + 700 kPa,

- w operacji napełniania czystym tlenem AR2 - w czasie 0 + 15 s, do adsorbera 1A lub 1B przewodem 102 poprzez odpowiednio ustawiony zawór KV1AB oraz otwarty zawór, odpowiednio KV2A lub KV2B we współprądzie do przepływu gazuwoperacji AR1 doprowadza się czysty tlen wytworzony woperacji desorpcji Dinastępnie sprężony, a z drugiego końca adsorbera 1A lub 1B poprzez otwarty zawór, odpowiednio KV3A lub KV3B odprowadza się przewodem 103 frakcję argonową do zbiornika buforowego 2 i ciśnienie w adsorberze oraz w zbiorniku buforowym wzrasta od 500 + 700 kPa do 600 + 800 kPa, następuje wypłukiwanie zaadsorbowanego argonu i odprowadzenie argonu w strumieniu tlenu do zbiornika buforowego 2,

- w operacji wypłukiwania R - w czasie 10 + 30 s do adsorbera 1A lub 1B, przewodem 102 poprzez odpowiednio ustawiony zawór KV1AB oraz otwarty zawór KV2A lub KV2B doprowadza się czysty tlen wytworzony w operacji desorpcji Dinastępnie sprężony, a zdrugiego końca adsorbera 1A lub 1B poprzez otwarty zawór, odpowiednio KV3A lub KV3B odprowadza się przewodem 103 frakcję argonową do zbiornika buforowego 2ijednocześnie ze zbiornika buforowego 2 poprzez otwarty zawór KV4AB przewodem 104 frakcję argonową na zewnątrz instalacji, ciśnieniewadsorberze 1A lub 1B i zbiorniku buforowym utrzymuje się na stałym poziomie 500 + 700 kPa, odprowadzany tlen wypłukuje zaadsorbowany argoniargon zawarty w przestrzeni swobodnej sorbentu; argon jest odprowadzany wstrumieniu tlenu w postaci frakcji argonowej,

- w operacji obniżania ciśnienia E1 - w czasie 5 + 20 s do adsorbera 1A lub 1B doprowadza się czysty tlen przez odpowiednio ustawiony zawór KV1ABiotwarty odpowiednio zawór KV2A lub KV2B i zadsorbera 1A lub 1B poprzez otwarte zawory, odpowiednio KV5A,ZR, ZZB lub KV5B,ZR, ZZA we współprądzie do przepływu gazuwoperacji AR1 odprowadza się desorbujący tlen, który wypłukuje resztki argonu i doprowadza się we współprądzie do przepływu gazuwoperacji AR1 do drugiego ad6

PL 191 724 B1 sorbera, w którym wykonywana jest operacja podwyższania ciśnienia 1E, ciśnienie w adsorberze 1A lub 1B obniża się od 600 + 800 kPa do 400 + 600 kPa, lecz ciśnienia między połączonymi adsorberami nie wyrównują się, desorbujący się tlenzniewielką zawartością argonu wprowadzany jest w całości do drugiego adsorbera,

- w operacji desorpcji D - w czasie 40 - 105 s z adsorbera 1A lub 1B, przez otwarty zawór, odpowiednio KV6A lub KV6B iprzewodem 105 odprowadza się desorbujący czysty tlen, ciśnienie wadsorberze obniża się do atmosferycznego, a w przypadku odsysania tlenu przy pomocy pompy próżniowej ciśnienie obniża się do 20 + 50 kPa, tlen jest następnie sprężany do żądanego ciśnienia i w części zawracany do procesu przewodem 102.

- w operacji zwrotnego napełniania RR - w czasie 1 + 2 s ze zbiornika buforowego, poprzez otwarty zawór KV2A lub KV2B odprowadza się frakcję argonową odpowiednio do adsorbera 1A lub 1B, ciśnienie w adsorberze wzrasta do 300 + 400 kPa, ciśnienia pomiędzy adsorberami 1A lub 1B a zbiornikiem buforowym nie wyrównują się.

Dla prawidłowej realizacji procesu adsorpcji zmiennociśnieniowej sposobem według wynalazku jest spełnienie określonych warunków procesowych. Na czystość wytwarzanego tlenu mają wpływ:

-stosunek objętości zbiornika buforowego 2 do objętości węglowego lub zeolitowego sita molekularnego załadowanegodo każdego z dwóch adsorberów 1Ai1B,

-stosunek ilości czystego tlenu zawracanego do procesuwoperacjach AR2iR do ilości tlenu zawartegowsurowcu wprowadzanym do instalacjiwoperacji AR1,

-stosunek przyrostu ciśnień łączniewoperacji AR1iAR2do przyrostu ciśnieniawoperacji AR1,

- czasy trwania poszczególnych operacji technologicznych, a zwłaszcza stosunek czasu trwania operacji AR1 do sumy czasu trwania operacji AR2iR.

Korzystnym jest by proces adsorpcji zmiennociśnieniowej sposobem według wynalazku był prowadzony przy spełnieniu następujących warunków:

-stosunek objętości zbiornika buforowego 2 do objętości węglowego lub zeolitowego sita molekularnego załadowanego do każdego z dwóch adsorberów 1Ai1B powinien się mieścićwgranicach 0.4 + 0.7, zbyt niski stosunek tych dwóch objętości nie pozwala na efektywne usunięcie frakcji argonowej ze strefy sorbentu wtrakcie operacji AR1, zbyt wysoki stosunek powoduje niepożądane straty tlenu,

-stosunek ilości czystego tlenu zawracanego do procesu w operacjach AR2iR oraz E1do ilości tlenu wprowadzonego z surowcem powinien się mieścić w granicach 0.6 + 1.2, zbyt mała ilość zawracanego tlenu nie pozwala na uzyskanie tlenu o wysokiej czystości, zbyt duża ilość tlenu powoduje jego stratywtrakcie operacji wypłukiwania, bez wyraźnej poprawy czystości uzyskiwanego tlenu,

-stosunek przyrostu ciśnień łączniewoperacji AR1iAR2 do przyrostu ciśnieniawoperacji AR1 powinien się mieścić w granicach 1.0 + 2.0, korzystnie w granicach 1.4 + 1.5, zbyt wysoki stosunek ciśnień oznacza niepotrzebny wydatek energetyczny związany ze sprężaniem zawracanego tlenu, im wyższy stosunek tych ciśnień, tym silniej jest wypłukiwany argon zaadsorbowanywsorbencie,

- czas trwania pełnego cyklu adsorpcji zmiennociśnieniowej realizowanej według wynalazku powinien się mieścić w granicach 90 + 240 s, zbyt krótki czas trwania cyklu nie pozwala efektywnie wykorzystać pojemności adsorpcyjnej sorbentu względem tlenu, ze względu na ograniczoną szybkość dyfuzji tlenu wsorbencie, zbyt długi czas trwania cyklu powoduje zanieczyszczenie sorbentu argonem, przez co czystość wytwarzanego tlenu maleje, korzystnym jest by stosunek czasu trwania operacji AR1 do sumy czasu trwania operacji AR2 i R mieścił się w granicach 0.7 + 1.4, dłuższy czas kontaktu sorbentuztlenem o wysokiej czystości powoduje lepsze wypłukiwanie argonuzsorbentu.

Przykład 1 - porównawczy

W instalacji zawierającej dwa adsorbery 1A i1B wypełnione węglowym sitem molekularnym MSC - 3A firmy Takeda, w ilości 100 kg wkażdym adsorberze oraz zbiornik buforowy o pojemności 0.065 m³ prowadzi się rozdział mieszaniny tlenu, argonu i azotu o następującym składzie: zawartość O2 - 95.0% objętościowych, zawartość Ar - 4.5% objętościowych, zawartość N2 - 0.5% objętościowych. Proces realizuje się zgodnie zamerykańskim opisem patentowym nr 5.137.549, stosując następujące parametry cyklu PSA:

- woperacji napełniania podwyższa się ciśnienie wadsorberze 1A lub 1B od 280 kPa do 550 kPa doprowadzając do adsorbera zanieczyszczony tlen w czasie 50 s,

-woperacji adsorpcji do adsorbera 1A lub 1B doprowadza się zanieczyszczony tlen pod ciśnieniem 550 kPa przez 35 si zdrugiego końca odbierano frakcję argonową,

PL 191 724 B1

- w operacji współprądowego obniżania ciśnienia i płukania do adsorbera 1A lub 1B doprowadza się w czasie 18 s czysty tlen z operacji desorpcji, jednocześnie ciśnienie obniża się do 450 kPa,

- w operacji desorpcji, trwającej 85 s z adsorbera 1A lub 1B odprowadza się czysty tlen, który następnie spręża sięi w części zawraca do procesu,

- w operacji podwyższania ciśnienia, podwyższa się ciśnienie tlenem z operacji współprądowego obniżania ciśnienia i płukania do wartości 280 kPa.

W instalacji rozdziela się 37.0 m³/godzinę zanieczyszczanego tlenu. Z instalacji odbiera się 9.2 m³/godzinę frakcji argonowej, w fazie desorpcji odbiera się 41.7 m³/godzinę czystego tlenu, do procesu zawraca się 13.9 m³/godzinę czystego tlenu, w efekcie z instalacji uzyskuje się 27.8 m³/godzinę czystego tlenu. Sprawność uzysku tlenu liczona jako ilość tlenu uzyskanego w produkcie do ilości tlenu wprowadzonego z surowcem wynosi 75.0%. W procesie uzyskuje się tlen o czystości 99.3 + 99.5% objętościowych mierzonej przy pomocy analizatora z wysokotemperaturową sondą cyrkonową. Wartości natężeń przepływu są odniesione do ciśnienia 101,3 kPa i temperatury 273°K.

Przykład 2

W instalacji opisanejwprzykładzie 1 rozdziela się zanieczyszczony tlen, zawierający 95.0% objętościowych O2, 4.5% obj. Ar i0.5% objętościowych N2 sposobem według wynalazku. Parametry procesu przedstawia tabela1.

Tab e la 1 Parametry procesu PSA

Symbol operacji	Czas trwania operacji	Ciśnienie początkowe	Ciśnienie końcowe
	s	kPa	kPa
AR1	50	300	550
AR2	12	550	650
R	25	650	650
E1	15	650	460
D	87	460	105
1E	15	105	270
RR	1	270	300

W instalacji rozdziela się 36.5 m³/godzinę zanieczyszczonego tlenu i odprowadza 9.5 m³/godzinę frakcji argonowej. W trakcie desorpcjizinstalacji odbiera się 52.9 m³/godzinę czystego tlenu. Po sprężeniu do instalacji zawraca się 25.8 m³/godzinę czystego tlenu, zinstalacji odprowadza się 27.1 m³/godzinę czystego tlenu. Sprawność uzysku tlenu wynosi 78.0%. W procesie uzyskuje się tlen o czystości 99.8 + 99.9% objętościowych O2, mierzonej analizatoremzwysokotemperaturową sondą cyrkonową.

Przykład 3

W instalacji jakwprzykładzie 1i2 prowadzono rozdział mieszaniny tlenuiargonu o składzie: zawartość O2 -95.5% objętościowych, zawartość argonu -4.5%. Stosowano takie same parametry jak wprzykładzie 2. Do instalacji doprowadza się 36.0 m³/godzinę zanieczyszczonego tlenuiodbiera się

9.5 m³/godzinę frakcji argonowej. Wtrakcie desorpcjizinstalacji odbiera się 53.3 m³/godzinę czystego tlenu . Do procesu zawraca się 26.8 m³/godzinę czystego tlenu, w efekcie zinstalacji uzyskiwano ₃

26.5 m³/godzinę czystego tlenu. Sprawność uzysku tlenu wynosi 77.9%. Wprocesie uzyskuje się tlen o czystości99.9 + 100.0% objętościowych, mierzonej przy pomocy analizatoraz wysokotemperaturowąsondą cyrkonową.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób rozdzielania mieszanin gazowych tlenu, argonuiazotu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej, w kinetycznie selektywnym procesie PSA na węglowych lub zeolitowych sitach molekular8

PL 191 724 B1 nych, znamienny tym, że proces PSA jest realizowanywinstalacji zawierającej conajmniej dwa adsorbery (1A)i(1B) oraz zbiornik buforowy frakcji argonowej (2)ipełny cykl PSA zawiera kolejno po sobie wykonywane operacje technologiczne:

- operację napełniania (AR1), w której do adsorbera (1A) lub (1B), w czasie 30 + 60 s doprowadza się zanieczyszczony tlen ijednocześnie odprowadza się z adsorbera (1A) lub (1B)frakcję argonową do zbiornika buforowego, a ciśnienie wadsorberze i zbiorniku buforowym wzrasta od ciśnienia 300 + 400 kPa do 500 + 700 kPa,

- operację napełniania czystym tlenem (AR2), w której do adsorbera w czasie 0 + 15 s we współprądzie do przepływu gazuwoperacji (AR), doprowadza się czysty tlen wytworzonywoperacji desorpcjiinastępnie sprężony i jednocześnie odprowadza sięzadsorbera (1A) lub (1B) do zbiornika buforowego (2) frakcję argonową, aciśnieniewadsorberze (1A) lub (1B) wzrasta od ciśnienia 500

- 700 kPa do 600 + 800 kPa,

- operację wypłukiwania (R), w której do adsorbera (1A) lub (1B) w czasie 10 + 30 s, we współprądzie do przepływu gazuwoperacji (AR1), doprowadzasię czysty tlen wytworzony w czasie operacji desorpcjiinastępnie sprężony i jednocześnie odprowadza sięzadsorbera (1A)lub (1B) do zbiornika buforowego (2) frakcję argonową i jednocześnie odprowadza się ze zbiornika buforowego (2)frakcję argonową,aciśnienie utrzymuje się na stałym poziomie 600 -800 kPa,

-operację obniżania ciśnienia (E1), w której do adsorbera (1A) lub (1B) doprowadza się czysty tlen ijednocześnie z adsorbera (1A) lub (1B)wczasie 5 - 20 s,we współprądzie do przepływu gazu woperacji (AR1) odprowadza się gazidoprowadzasię we współprądzie do drugiego adsorbera, odpowiednio (1B) lub (1A),wktórym wykonywana jest operacja podwyższania ciśnienia (1E),aciśnienie obniża sięod 600 - 800 kPa do 400 - 600 kPa, lecz ciśnienia między połączonymi adsorberami nie wyrównują się,

-operację desorpcji (D), w której z adsorbera w czasie 40 - 105 s, w przeciwprądzie do przepływu gazuwoperacji (AR1) odprowadza się desorbujący czysty tleniciśnieniewadsorberze obniża się do ciśnienia 100 - 110 kPa, awprzypadku odsysania tlenu przy pomocy pompy próżniowej, ciśnienie obniża się do 10 - 50 kPa,

-operację podwyższania ciśnienia (1E), w której do adsorbera (1A) lub (1B)wczasie 5 - 20s, we współprądzie do przepływu gazu woperacji (AR1), doprowadza się gaz wytworzony woperacji obniżania ciśnienia (E1), a ciśnienie wzrasta do 250 -350 kPa, lecz ciśnienia między połączonymi adsorberami nie wyrównują się,

-operację zwrotnego napełniania (RR),wktórej do adsorbera (1A) lub (1B)wczasie 1 - 2 s, wprzeciwprądzie do przepływu gazu woperacji (AR1) doprowadza się frakcję argonową zawartą wzbiorniku buforowym (2) lecz ciśnienia między adsorberami (1A) lub (1B) i zbiornikiem buforowym (2) nie wyrównują się.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek objętości zbiornika buforowego (2) do objętości węglowego lub zeolitowego sita molekularnego zawartego w każdym adsorberze (1A) lub (1B) mieści sięwgranicach 0,4 -0.7.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek ilości czystego tlenu zawracanegodo procesuwoperacjach (AR2) i, (R)i(E1) do ilości tlenu wprowadzanego z surowcem mieści sięwgranicach 0.6 -1.2.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek przyrostu ciśnienia łącznie w operacjach (AR1)i(AR2) do przyrostu ciśnienia tylkowoperacji (AR1) mieści sięwgranicach 1.0 - 2.0.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czas trwania pełnego cyklu PSA wynosi90

- 240 s,astosunek czasu trwania operacji (AR1) do sumy czasu trwania operacji (AR2)i(R)wynosi 0.7 -1.4.