RU2797668C2 - Method and installation for processing of gas mixture - Google Patents
Method and installation for processing of gas mixture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797668C2 RU2797668C2 RU2021126452A RU2021126452A RU2797668C2 RU 2797668 C2 RU2797668 C2 RU 2797668C2 RU 2021126452 A RU2021126452 A RU 2021126452A RU 2021126452 A RU2021126452 A RU 2021126452A RU 2797668 C2 RU2797668 C2 RU 2797668C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- absorbent
- bodies
- absorbent material
- region
- adsorption
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к способу переработки газовой смеси путем адсорбции при переменном давлении, в частности путем адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении, а также к соответствующей установке в соответствии с ограничительными частями соответствующих независимых пунктов формулы изобретения.The present invention relates to a process for processing a gas mixture by pressure swing adsorption, in particular by vacuum pressure swing adsorption, as well as to a corresponding plant in accordance with the preambles of the respective independent claims.
Предшествующий уровень техникиPrior Art
Производство продуктов разделения воздуха в жидком или газообразном состоянии, например, кислорода с различными состояниями и степенями чистоты, путем криогенного разделения воздуха известно и описано, например, в H.-W. Häring (editor), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, в частности раздел 2.2.5, Cryogenic Rectification.The production of air separation products in liquid or gaseous state, for example oxygen in various states and degrees of purity, by cryogenic air separation is known and described, for example, in H.-W. Häring (editor), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, in particular section 2.2.5, Cryogenic Rectification.
В качестве альтернативы криогенному разделению воздуха газообразный кислород различной степени чистоты также можно получать из воздуха посредством адсорбции при переменном давлении (PSA), в частности посредством адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении (VPSA). VPSA отличается от традиционной PSA, в частности, тем, что десорбция происходит при давлении ниже атмосферного. При использовании VPSA можно достичь более высокого выхода кислорода при более низком потреблении энергии. Приведена ссылка на техническую литературу по признакам и преимуществам соответствующих способов. Основные принципы способов адсорбции можно найти, например, в A. Gabelman, Adsorbent Basics, часть 1, CEP Journal, июль 2017 г., стр. 48–53 и A. Gabelman, Adsorbtion Basics, часть 2, CEP Journal, August 2017 г., стр. 38–45.As an alternative to cryogenic air separation, oxygen gas of varying purity can also be obtained from air by pressure swing adsorption (PSA), in particular by vacuum pressure swing adsorption (VPSA). VPSA differs from conventional PSA, in particular, in that desorption takes place at subatmospheric pressure. With VPSA, a higher oxygen yield can be achieved with lower energy consumption. Reference is made to the technical literature on the features and benefits of the respective methods. The basic principles of adsorption methods can be found, for example, in A. Gabelman, Adsorbent Basics, part 1, CEP Journal, July 2017, pp. 48–53 and A. Gabelman, Adsorbtion Basics, part 2, CEP Journal, August 2017 ., pp. 38–45.
Разделение воздуха с помощью PSA и VPSA основано на различной степени адсорбции компонентов воздуха на адсорбенте. В частности, богатые кислородом газовые смеси с содержанием кислорода, например, от приблизительно 90 до 95 молярных процентов можно получать из воздуха с помощью PSA или VPSA.Air separation with PSA and VPSA is based on the different degree of adsorption of air components on the adsorbent. In particular, oxygen-rich gas mixtures with an oxygen content of, for example, from about 90 to 95 mole percent can be obtained from air using PSA or VPSA.
Хотя настоящее изобретение преимущественно описано ниже в отношении переработки воздуха с помощью VPSA, предложенные в соответствии с изобретением меры также можно, в принципе, применять в отношении переработки посредством VPSA газовых смесей, отличных от воздуха. Настоящее изобретение особенно подходит для богатых азотом газовых смесей с содержанием азота более 40 молярных процентов, но не ограничивается соответствующими газовыми смесями.Although the present invention is mainly described below in relation to the processing of air with VPSA, the measures proposed in accordance with the invention can also, in principle, be applied to the processing of gas mixtures other than air by VPSA. The present invention is particularly suitable for nitrogen-rich gas mixtures with a nitrogen content of more than 40 mole percent, but is not limited to the corresponding gas mixtures.
Адсорбция происходит в процессе PSA или VPSA, как правило, с использованием пористых адсорбентов. Пропорции адсорбирующих компонентов в газообразной исходной газовой смеси, которые в каждом случае адсорбируются в процессе PSA или VPSA, зависят от давления исходной газовой смеси и от селективности адсорбента. Таким образом, соответствующую исходную газовую смесь подвергают сжатию перед подачей на PSA или VPSA.Adsorption occurs in the PSA or VPSA process, typically using porous adsorbents. The proportions of adsorbent components in the gaseous feed gas mixture, which in each case are adsorbed in the PSA or VPSA process, depend on the pressure of the feed gas mixture and on the selectivity of the adsorbent. Thus, the respective feed gas mixture is compressed prior to being fed to the PSA or VPSA.
Адсорбционные модули, применяемые для переработки воздуха с помощью PSA или VPSA, как правило, содержат два последовательных слоя адсорбента, или насадочных слоя, или секции насадочных слоев по направлению потока. Первый сравнительно короткий слой используют для удаления воды и других сильно адсорбируемых компонентов воздуха, например, с обычной влажностью и следами диоксида углерода. За этим первым слоем по направлению потока следует второй слой, который используют для удаления азота. Как правило, во втором слое формируют зону уравновешивания и зону массообмена, примыкающую к зоне уравновешивания по направлению потока. Дополнительные пояснения, касающиеся образования этих зон, можно найти, например, в публикации Gabelman (см. выше) на стр. 50 в разделе Mass transfer considerations.Adsorption modules used for air treatment with PSA or VPSA typically contain two successive adsorbent beds, or packed beds, or sections of packed beds in the direction of flow. The first relatively short layer is used to remove water and other strongly adsorbed air components, for example, with normal humidity and traces of carbon dioxide. This first layer is followed in the flow direction by a second layer which is used to remove the nitrogen. As a rule, in the second layer, a balancing zone and a mass transfer zone are formed adjacent to the balancing zone in the direction of flow. Additional explanations regarding the formation of these zones can be found, for example, in Gabelman's publication (above) on page 50 in the section Mass transfer considerations.
Как известно из приведенной технической литературы, для адсорбции можно использовать различные адсорбенты или адсорбирующие материалы (см. также ниже). Соответствующие адсорбирующие материалы могут быть предусмотрены, например, в виде сфер или пеллет (далее именуемых просто «адсорбирующие тела»), диаметр которых обычно составляет от 1 до 3 мм. Этот диаметр представляет собой одну из основных переменных, влияющих на характеристики разделения для соответствующего адсорбционного модуля.As is known from the cited technical literature, various adsorbents or adsorbent materials can be used for adsorption (see also below). Suitable absorbent materials may be provided, for example, in the form of spheres or pellets (hereinafter simply referred to as "absorbent bodies"), which are typically 1 to 3 mm in diameter. This diameter is one of the main variables affecting the separation performance for the respective adsorption module.
При меньших диаметрах, как правило, происходит улучшенный массообмен, но при сравнительно большей потере давления по адсорбирующему материалу. Более крупные частицы вызывают меньшие потери давления, но демонстрируют более низкую кинетическую эффективность. Таким образом, выбор диаметров адсорбирующих тел обычно представляет собой результат компромисса между потерей давления и кинетикой адсорбции.With smaller diameters, as a rule, improved mass transfer occurs, but with a relatively greater pressure loss across the adsorbent material. Larger particles cause less pressure loss but show lower kinetic efficiency. Thus, the choice of adsorbent body diameters is usually the result of a compromise between pressure loss and adsorption kinetics.
Недавно разработанные дополнительные формы адсорбирующих тел, в частности так называемые композитные тела типа «ядро в оболочке», предназначены для улучшения массообмена без отрицательного влияния на потерю давления адсорбционным модулем. В отличие от традиционных адсорбирующих тел, которые сформированы по существу гомогенно из пористого адсорбирующего материала, композитные тела типа «ядро в оболочке» представляют собой композитные адсорбирующие тела, имеющие внутреннюю сердцевину, изготовленную из (по меньшей мере по существу) непористого неадсорбирующего материала, и наружный слой, сформированный соответствующим адсорбирующим материалом. Очевидно, что при упоминании ниже «непористого» и «неадсорбирующего» материала такой материал может иметь небольшую пористость и адсорбционную способность, которые, однако, намного ниже, чем у материала, называемого «пористым» и «адсорбирующим». Однако, как правило, внутреннюю сердцевину формируют из полностью непористого материала, например из кварцевого зерна. В качестве альтернативы ниже также используется термин «инертное» ядро.Recently developed additional forms of adsorbent bodies, in particular the so-called "core-in-shell" composite bodies, are designed to improve mass transfer without adversely affecting the pressure loss of the adsorption module. Unlike conventional absorbent bodies, which are formed substantially homogeneously from a porous absorbent material, core-in-sheath composite bodies are composite absorbent bodies having an inner core made from an (at least substantially) non-porous non-absorbent material and an outer a layer formed by an appropriate absorbent material. Obviously, when referring to "non-porous" and "non-absorbent" material below, such a material may have a small porosity and adsorption capacity, which, however, is much lower than that of a material referred to as "porous" and "absorbent". However, as a rule, the inner core is formed from a completely non-porous material, such as quartz grain. Alternatively, the term "inert" core is also used below.
Например, в EP 1 080 771 B1 описан способ разделения газов, включающий подачу газообразной смеси, содержащей по меньшей мере два компонента, имеющих различные адсорбционные свойства, в адсорбирующий контейнер, содержащий слой по меньшей мере одного адсорбирующего материала, который может предпочтительно адсорбировать по меньшей мере один из газообразных компонентов в газообразной смеси, и создание для газообразной смеси условий, которые позволяют ей адсорбировать предпочтительно адсорбируемый газообразный компонент в газообразной смеси на адсорбирующем материале и отделяться от неадсорбированного компонента в газообразной смеси, проходящей через адсорбирующий контейнер, причем по меньшей мере один адсорбирующий материал в адсорбирующем контейнере содержит композитные частицы, имеющие внутреннюю твердую непроницаемую сердцевину, состоящую из непористого неадсорбирующего материала, и по меньшей мере один наружный слой, содержащий адсорбирующий материал.For example, EP 1 080 771 B1 describes a gas separation process comprising supplying a gaseous mixture containing at least two components having different adsorption properties to an adsorbent container containing a layer of at least one adsorbent material that can preferentially adsorb at least one of the gaseous components in the gaseous mixture, and providing the gaseous mixture with conditions that allow it to adsorb the preferably adsorbed gaseous component in the gaseous mixture on the absorbent material and separate from the non-adsorbed component in the gaseous mixture passing through the adsorbent container, and at least one adsorbent material in the absorbent container contains composite particles having an inner solid impermeable core, consisting of a non-porous non-absorbent material, and at least one outer layer containing an absorbent material.
Соответствующее композитное тело показано на фиг. 4, на которую здесь следует сделать ссылку. Дополнительные пояснения приведены ниже. При производстве композитных тел типа «ядро в оболочке» можно точно определять диаметр частиц (D, см. фиг. 4) и толщину наружного слоя (h). Для этой цели необходимо соответствующим образом выбирать диаметр (d) внутренней сердцевины. Таким образом, можно изготавливать композитные тела типа «ядро в оболочке», которые имеют переменную толщину наружного слоя или переменное объемное соотношение между адсорбирующим материалом и сердцевиной. Достигаемое при этом массовое соотношение зависит от плотности сердцевины. Объемное соотношение представляет собой постоянную геометрическую величину и не зависит от выбранного материала сердцевины. Таким образом, термин «объем тела» используется ниже для соответствующего адсорбирующего тела. Объем тела указывает на объем соответствующего адсорбирующего тела (включая весь наружный слой и весь внутренний слой), окруженного внешней границей наружного слоя.The corresponding composite body is shown in FIG. 4, to which reference should be made here. Additional explanations are given below. In the production of core-in-shell composite bodies, the particle diameter (D, see Fig. 4) and the outer layer thickness (h) can be accurately determined. For this purpose, the diameter (d) of the inner core must be suitably selected. In this way it is possible to manufacture core-in-sheath composite bodies which have a variable thickness of the outer layer or a variable volume ratio between the absorbent material and the core. The weight ratio achieved in this case depends on the density of the core. The volume ratio is a constant geometric value and does not depend on the selected core material. Thus, the term "body volume" is used below for the respective absorbent body. The volume of the body indicates the volume of the corresponding absorbent body (including the entire outer layer and the entire inner layer) surrounded by the outer boundary of the outer layer.
В отличие от очистки других газовых смесей, при которой необходимо удалять только следы примесей, с переработкой воздуха или сопоставимых газовых смесей для получения кислорода связана проблема, заключающаяся в том, что компонент, подлежащий удалению, присутствует в высокой концентрации или даже является основным компонентом. Из-за высокого содержания азота зона уравновешивания, формирующаяся в слое, описанном выше для удаления азота, является весьма большой, тогда как смежная зона массообмена является сравнительно короткой и характеризуется резкими градиентами концентрации. В результате для двух зон в отношении соответствующих свойств возникают частично противоположные цели, которые не могут быть удовлетворительным образом достигнуты с помощью традиционных способов.In contrast to the purification of other gas mixtures, in which only trace impurities need to be removed, the processing of air or comparable gas mixtures to produce oxygen has the problem that the component to be removed is present in high concentration or even is the main component. Due to the high nitrogen content, the equilibration zone formed in the layer described above for nitrogen removal is very large, while the adjacent mass transfer zone is relatively short and is characterized by sharp concentration gradients. As a result, partially opposite goals are achieved for the two zones with respect to their respective properties, which cannot be satisfactorily achieved using conventional methods.
Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить улучшенные в этом отношении возможности переработки газовых смесей, в частности воздуха, посредством адсорбции при переменном давлении, в частности посредством адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении, и преодолеть недостатки предшествующего уровня техники.Thus, the aim of the present invention is to provide improved possibilities in this respect for the processing of gas mixtures, in particular air, by pressure swing adsorption, in particular by vacuum pressure swing adsorption, and to overcome the disadvantages of the prior art.
Описание изобретенияDescription of the invention
Указанной цели достигают с помощью способа переработки газовой смеси, в частности богатой азотом газовой смеси, такой как воздух, путем адсорбции при переменном давлении, в частности путем адсорбции при переменном вакуумметрическом давлении, а также с помощью соответствующей установки в соответствии с ограничительными частями соответствующих независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения и последующего описания.This object is achieved by a process for processing a gas mixture, in particular a gas mixture rich in nitrogen, such as air, by pressure swing adsorption, in particular by vacuum pressure swing adsorption, and also by means of a suitable installation in accordance with the preambles of the respective independent claims. invention formulas. Preferred embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Далее некоторые термины, используемые при описании настоящего изобретения и его преимуществ, а также лежащие в основе технические предпосылки создания изобретения, будут более подробно описаны ниже.In the following, some of the terms used in describing the present invention and its advantages, as well as the underlying technical background of the invention, will be described in more detail below.
При упоминании в настоящем документе термины «PSA» или «VPSA» следует понимать как относящиеся к соответствующему способу или соответствующему этапу способа, так и к техническому устройству, выполненному с возможностью осуществления такого способа или этапа способа, т.е. к адсорбционному модулю.As used herein, the terms "PSA" or "VPSA" should be understood to refer to both the respective method or method step and the technical device capable of carrying out such method or method step, i.e. to the adsorption module.
Адсорбент, используемый для PSA или VPSA, размещают в соответствующих адсорбирующих контейнерах, причем для непрерывной производственной деятельности обычно используют два или более адсорбирующих контейнера. В адсорбирующие контейнеры попеременно загружают компонент (-ы), который (-ые) должен (должны) быть адсорбированы из газообразной сжатой исходной газовой смеси в фазе адсорбции и регенерированы в фазе десорбции или регенерации, причем между этими двумя фазами также могут существовать дополнительные периоды времени, в течение которых не проводят ни загрузку, ни регенерацию, а адсорбент можно, например, продувать дополнительными потоками газа для выполнения разделения остатков газовой смеси.The adsorbent used for PSA or VPSA is placed in appropriate adsorbent containers, with two or more adsorbent containers typically used for continuous production. The adsorbent containers are alternately charged with the component(s) to be adsorbed from the gaseous compressed feed gas mixture in the adsorption phase and regenerated in the desorption or regeneration phase, and there may also be additional time periods between these two phases. , during which neither loading nor regeneration is carried out, and the adsorbent can, for example, be purged with additional gas flows to perform separation of the remaining gas mixture.
В вышеупомянутой фазе адсорбции исходную газовую смесь направляют под давлением через адсорбирующий контейнер до тех пор, пока содержащийся адсорбент больше не сможет обеспечивать достаточную приемную способность для адсорбированного (-ых) компонента (-ов). Таким образом, предотвращают подачу подлежащей переработке газовой смеси, а десорбцию адсорбированного (-ых) компонента (-ов) осуществляют за счет снижения давления в фазе десорбции. VPSA отличается от традиционной PSA, как упоминалось, по существу уровнем давления ниже атмосферного, используемым в фазе десорбции, который также обычно называют «вакуумом». В некоторых случаях, например, при извлечении кислорода из воздуха, VPSA отличают по увеличенному выходу и меньшей характерной, т.е. связанной с продуктом, потребности в энергии по сравнению с традиционной PSA.In the aforementioned adsorption phase, the feed gas mixture is forced under pressure through the adsorbent container until the contained adsorbent can no longer provide sufficient receptacle capacity for the adsorbed component(s). Thus, the supply of the gas mixture to be processed is prevented, and the desorption of the adsorbed component(s) is carried out by reducing the pressure in the desorption phase. VPSA differs from traditional PSA, as mentioned, in the essentially subatmospheric pressure level used in the desorption phase, which is also commonly referred to as "vacuum". In some cases, for example, when extracting oxygen from air, VPSA is distinguished by an increased yield and a lower characteristic, i.e. product-related energy requirements compared to traditional PSA.
Чтобы обеспечить непрерывную производственную деятельность, адсорбирующие контейнеры соответствующей установки можно эксплуатировать в попеременном режиме таким образом, чтобы по меньшей мере один из адсорбирующих контейнеров всегда находился в фазе адсорбции и, таким образом, мог бы обеспечивать получение продукта. Однако в этом случае также могут случаться периоды времени, в течение которых продукт не выпускается, например, при выравнивании давления или повышении давления. В этом случае можно использовать, например, буферы продукта. Однако это и попеременное функционирование в целом не является абсолютно необходимым.In order to ensure continuous production activity, the adsorbent containers of the respective plant can be operated in an alternating manner so that at least one of the adsorbent containers is always in the adsorption phase and thus can produce a product. However, in this case, there may also be periods of time during which the product is not released, for example, when equalizing the pressure or increasing the pressure. In this case, for example, product buffers can be used. However, this and alternate functioning in general is not absolutely necessary.
Продукты на основе богатого кислородом воздуха накапливаются при PSA или VPSA в фазе адсорбции из-за более слабой адсорбции кислорода и поэтому образуются при определенном давлении, которое соответствует давлению подачи на PSA или VPSA минус потери давления.Products based on oxygen rich air accumulate with PSA or VPSA in the adsorption phase due to the weaker adsorption of oxygen and are therefore formed at a certain pressure, which corresponds to the supply pressure to the PSA or VPSA minus the pressure loss.
В используемой в настоящем документе терминологии жидкости и газы также можно обогащать или обеднять одним или более компонентами, причем эти термины относятся к содержанию в исходной жидкости или исходном газе, из которых были извлечены рассматриваемые жидкость или газ. Жидкость или газ считаются обогащенными, если они имеют по меньшей мере 1,1-кратное, 1,5-кратное, 2-кратное, 5-кратное, 10-кратное, 100-кратное или 1000-кратное содержание соответствующего компонента, и обедненными, если они имеют самое большее 0,9-кратное, 0,5-кратное, 0,1-кратное, 0,01-кратное или 0,001-кратное содержание соответствующего компонента в расчете на исходную жидкость или исходный газ. Если в настоящем документе в качестве примера упоминается термин «кислород», следует понимать, что он также означает жидкость или газ, который богат кислородом, но не должен состоять исключительно из него.In the terminology used herein, liquids and gases can also be enriched or depleted in one or more components, and these terms refer to the content in the source liquid or source gas from which the considered liquid or gas was extracted. A liquid or gas is considered enriched if it has at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times, 100 times or 1000 times the content of the corresponding component, and lean, if they have at most 0.9-fold, 0.5-fold, 0.1-fold, 0.01-fold or 0.001-fold content of the respective component, based on the feed liquid or feed gas. When the term "oxygen" is used as an example in this document, it should be understood that it also means a liquid or gas that is rich in oxygen, but should not consist solely of it.
В настоящей заявке термины «уровень давления» и «уровень температуры» используются для характеристики значений давления и температуры, что означает необязательное использование соответствующих значений давления и температуры в соответствующей системе в виде точных значений давления или температуры для реализации идеи изобретения. Однако такие значения давления и температуры, как правило, находятся в пределах определенных диапазонов, которые составляют, например, ±1%, 5%, 10% или 20% относительно среднего значения. В этом случае соответствующие уровни давления и уровни температуры могут находиться в несвязанных диапазонах или в диапазонах, которые перекрывают друг друга. В частности, в уровнях давления учитываются неизбежные потери давления. То же самое относится и к уровням температуры. Уровни давления, указанные в настоящем документе в барах, представляют собой абсолютные давления.In this application, the terms "pressure level" and "temperature level" are used to characterize pressure and temperature values, which means that the corresponding pressure and temperature values in the corresponding system are optionally used in the form of exact pressure or temperature values to implement the idea of the invention. However, such pressure and temperature values are generally within certain ranges, which are, for example, ±1%, 5%, 10% or 20% relative to the mean value. In this case, the respective pressure levels and temperature levels may be in unrelated ranges or in ranges that overlap each other. In particular, unavoidable pressure losses are taken into account in the pressure levels. The same applies to temperature levels. The pressure levels given in bar in this document are absolute pressures.
Под продуктом разделения воздуха в настоящем документе понимается компонент или смесь компонентов в газообразном или жидком состоянии, которые могут быть образованы путем разделения воздуха (подаваемого воздуха), в частности криогенного разделения, или PSA, или VPSA. Таким образом, продукт разделения воздуха отличается, в частности, тем, что он имеет состав, отличный от атмосферного воздуха, но, в частности, не имеет каких-либо дополнительных компонентов по сравнению с атмосферным воздухом.An air separation product is herein understood to mean a component or mixture of components in a gaseous or liquid state, which can be formed by air (supply air) separation, in particular cryogenic separation, or PSA or VPSA. Thus, the air separation product is characterized, in particular, in that it has a composition different from atmospheric air, but in particular does not have any additional components compared to atmospheric air.
Преимущества изобретенияBenefits of the Invention
Как уже объяснялось, в слое, образованном для удаления азота при PSA или VPSA для переработки воздуха или соответствующей азотсодержащей газовой смеси, образуются сравнительно большая или длинная зона уравновешивания и сравнительно короткая зона массообмена, причем последняя характеризуется резкими градиентами концентрации. Последнее относится, в частности, к концу фазы адсорбции.As already explained, in a bed formed for nitrogen removal in a PSA or VPSA for processing air or a corresponding nitrogen-containing gas mixture, a relatively large or long equilibration zone and a relatively short mass transfer zone are formed, the latter being characterized by sharp concentration gradients. The latter applies, in particular, to the end of the adsorption phase.
В зоне уравновешивания необходимо поддерживать низкую потерю давления и высокую объемную емкость для адсорбируемого азота, тогда как кинетика массообмена (по-прежнему) играет меньшую роль в зоне уравновешивания. Напротив, в зоне массообмена также необходимо поддерживать низкую потерю давления, но в то же время низкую склонность адсорбирующих тел к мобилизации (так называемое «сморщивание» самого верхнего слоя) и особенно преимущественную кинетику массообмена для достижения достаточной чистоты продукта. Как упоминалось в самом начале, эти условия представляют собой частично противоречащие цели, если единственной переменной выбора в качестве контролируемых переменных служит только размер или диаметр адсорбирующих тел.The equilibration zone needs to maintain a low pressure loss and a high volumetric capacity for adsorbed nitrogen, while mass transfer kinetics (still) play a lesser role in the equilibration zone. On the contrary, in the mass transfer zone it is also necessary to maintain a low pressure loss, but at the same time a low tendency of the adsorbent bodies to mobilize (the so-called "wrinkling" of the uppermost layer) and a particularly advantageous mass transfer kinetics in order to achieve sufficient product purity. As mentioned at the outset, these conditions are partly counter-intuitive if the only choice variable as control variables is the size or diameter of the absorbent bodies.
Итак, настоящее изобретение основано на открытии того, что особое преимущество для описанной предпосылки создания изобретения заключается в обеспечении области адсорбционного модуля, соответствующей зоне уравновешивания, гомогенными традиционными, в частности, сферическими адсорбирующими телами, а, с другой стороны, в обеспечении области, соответствующей зоне массообмена, адсорбирующими телами типа «ядро в оболочке», уже описанными в самом начале. Тем не менее в альтернативном варианте осуществления обе зоны также могут быть обеспечены адсорбирующими телами типа «ядро в оболочке», которые, однако, имеют разные соотношения между пористым адсорбирующим материалом и непористым неадсорбирующим материалом. В каждом случае обе зоны представляют собой расположенные последовательно по направлению потока зоны слоя, выполненного с возможностью удаления азота из соответствующей газовой смеси. В частности, этот слой может примыкать по направлению потока к слою, который используют для удаления воды и любых примесей. Однако последний слой также можно исключить, если применимо, например, когда высушенную или очищенную газовую смесь уже используют в рамках объема настоящего изобретения.Thus, the present invention is based on the discovery that a particular advantage for the described background of the invention lies in providing the region of the adsorption module corresponding to the balancing zone with homogeneous conventional, in particular spherical adsorbent bodies, and, on the other hand, in providing the region corresponding to the zone mass transfer, adsorbing bodies of the "core in the shell" type, already described at the very beginning. However, in an alternative embodiment, both zones can also be provided with core-in-sheath absorbent bodies, which, however, have different ratios between porous absorbent material and non-porous non-absorbent material. In each case, both zones are located in series in the direction of flow of the zone of the layer, made with the possibility of removing nitrogen from the respective gas mixture. In particular, this layer may be adjacent in the direction of flow to the layer which is used to remove water and any impurities. However, the last layer can also be omitted, if applicable, for example, when the dried or purified gas mixture is already used within the scope of the present invention.
В целом в настоящем изобретении предложен способ переработки газообразной азотсодержащей исходной газовой смеси путем адсорбции при переменном давлении. Как уже отмечалось несколько раз, исходная газовая смесь может, в частности, представлять собой воздух с обычным содержанием кислорода, азота, благородных газов и других компонентов; однако настоящее изобретение в принципе также можно использовать для переработки других, в частности соответственно богатых азотом, газовых смесей, как описано выше. Адсорбция при переменном давлении, используемая в рамках объема настоящего изобретения, представляет собой, в частности, адсорбцию при переменном вакуумметрическом давлении; в фазе регенерации газовую смесь при давлении ниже атмосферного, таким образом, извлекают из контейнеров-адсорберов или адсорбционных модулей, используемых в рамках объема настоящего изобретения, для чего может быть предусмотрен соответствующий вакуумный насос. Как уже упоминалось выше, дополнительные сведения о соответствующих способах приведены в соответствующей технической литературе.In general, the present invention provides a process for processing a gaseous nitrogen-containing feed gas mixture by pressure swing adsorption. As already noted several times, the initial gas mixture may, in particular, be air with the usual content of oxygen, nitrogen, noble gases and other components; however, the present invention can in principle also be used for processing other, in particular suitably nitrogen-rich, gas mixtures, as described above. Pressure swing adsorption used within the scope of the present invention is, in particular, vacuum pressure swing adsorption; in the regeneration phase, a subatmospheric gas mixture is thus removed from the adsorber containers or adsorption modules used within the scope of the present invention, for which an appropriate vacuum pump may be provided. As mentioned above, additional information on the respective methods is given in the relevant technical literature.
В рамках настоящего изобретения использованную исходную газовую смесь временно направляют под давлением по направлению основного потока через адсорбционный модуль, заполненный адсорбирующим материалом. Как общеизвестно, адсорбционные установки, используемые для переработки газовых смесей, могут иметь два или более адсорбционных модулей (адсорбционных контейнеров), которые затем работают в попеременном режиме работы, как описано выше. Это также может входить в объем настоящего изобретения. Таким образом, все пояснения, сделанные для «одного» адсорбционного модуля аналогичным образом относятся ко множеству адсорбционных модулей в соответствующей установке. В настоящем документе термин «основное направление потока» относится к направлению вдоль оси между точкой подачи в адсорбционный модуль и точкой отбора соответствующей газовой смеси. Это основное направление потока соответствует направлению потока, в котором молекулы газа направляются или протекают в соответствующем адсорбционном модуле в целом или в виде среднего направления движения независимо от локальных возмущений и турбулентностей.Within the framework of the present invention, the used feed gas mixture is temporarily directed under pressure in the direction of the main flow through an adsorption module filled with adsorbent material. As is generally known, adsorption plants used for the processing of gas mixtures may have two or more adsorption modules (adsorption containers), which then operate in alternating mode of operation, as described above. This may also be within the scope of the present invention. Thus, all explanations made for a "single" adsorption module apply similarly to a plurality of adsorption modules in a respective installation. In this document, the term "main flow direction" refers to the direction along the axis between the point of supply to the adsorption module and the point of extraction of the corresponding gas mixture. This main direction of flow corresponds to the direction of flow in which the gas molecules are directed or flow in the corresponding adsorption module as a whole or as a mean direction of movement, independent of local perturbations and turbulences.
Для преодоления вышеописанных недостатков в настоящем изобретении предложено обеспечение адсорбирующего материала преимущественно или исключительно в виде первых адсорбирующих тел в первой области вдоль основного направления потока в адсорбционном модуле и обеспечение адсорбирующего материала преимущественно или исключительно в виде вторых адсорбирующих тел во второй области вдоль направления основного потока и ниже по потоку от первой области. По меньшей мере вторые адсорбирующие тела, которые расположены дополнительно ниже по потоку, в соответствии с настоящим изобретением обеспечены в виде композитных тел, которые имеют внутреннюю сердцевину из непористого неадсорбирующего материала и наружный слой, содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него. В этом случае вторые адсорбирующие тела имеют меньшую долю адсорбирующего материала в объеме тела, чем первые адсорбирующие тела.To overcome the disadvantages described above, the present invention proposes providing absorbent material predominantly or exclusively as first absorbent bodies in a first region along the main flow direction in the adsorption module, and providing absorbent material predominantly or exclusively as second absorbent bodies in a second region along the main flow direction and below. downstream from the first region. At least second absorbent bodies that are further downstream according to the present invention are provided as composite bodies that have an inner core of non-porous non-absorbent material and an outer layer containing or formed from absorbent material. In this case, the second absorbent bodies have a smaller proportion of absorbent material in the volume of the body than the first absorbent bodies.
Первые адсорбирующие тела, расположенные дополнительно выше по потоку, также могут быть выполнены в виде композитных тел и, таким образом, имеют внутреннюю сердцевину, изготовленную из непористого неадсорбирующего материала, и наружный слой, содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него. Однако в этом случае в первых адсорбирующих телах внутренняя сердцевина занимает меньшую долю объема тела, чем во вторых адсорбирующих телах.The first absorbent bodies further upstream can also be made in the form of composite bodies and thus have an inner core made of a non-porous non-absorbent material and an outer layer containing or formed from the absorbent material. However, in this case, in the first absorbent bodies, the inner core occupies a smaller proportion of the volume of the body than in the second absorbent bodies.
Впрочем, также возможно, чтобы первые адсорбирующие тела были выполнены в виде гомогенных адсорбирующих тел, имеющих адсорбирующий материал или сформированных из адсорбирующего материала. Таким образом, в этом случае доля адсорбирующего материала в объеме тела также меньше во вторых адсорбирующих телах, чем в первых адсорбирующих телах. Эти гомогенные адсорбирующие тела могут, в частности, быть сферическими и иметь размеры, описанные ниже.However, it is also possible for the first absorption bodies to be in the form of homogeneous absorption bodies having an absorbent material or formed from an absorbent material. Thus, in this case, the proportion of absorbent material in the volume of the body is also smaller in the second absorbent bodies than in the first absorbent bodies. These homogeneous absorbent bodies may in particular be spherical and have the dimensions described below.
Композитные тела, которые используют в качестве вторых адсорбирующих тел и также могут быть использованы в качестве первых адсорбирующих тел, представляют собой типичные адсорбирующие тела типа «ядро в оболочке», как описано выше со ссылкой на соответствующую патентную литературу. Поэтому сделана явная ссылка на пояснения выше и, в частности, на фиг. 4.Composite bodies that are used as second absorbent bodies and can also be used as first absorbent bodies are typical core-in-sheath type absorbent bodies as described above with reference to the relevant patent literature. Therefore, explicit reference is made to the explanations above and in particular to FIG. 4.
В рамках объема настоящего изобретения первая область соответствует, в частности, зоне уравновешивания, а вторая область соответствует, в частности, зоне массообмена в соответствующем адсорбционном модуле или слое для удаления азота. Как описано выше, в настоящем случае, в частности, для переработки воздуха в качестве исходной газовой смеси перед таким слоем для удаления азота может быть предусмотрен дополнительный слой, в частности для удаления воды и других примесей. Это необязательно относится к случаю подачи в процесс уже высушенного или очищенного воздуха вместо влажного или загрязненного воздуха.Within the scope of the present invention, the first region corresponds in particular to the balancing zone and the second region corresponds in particular to the mass transfer zone in the respective adsorption module or nitrogen removal bed. As described above, in the present case, in particular for processing air as a source gas mixture, an additional layer may be provided in front of such a nitrogen removal layer, in particular for removing water and other impurities. This does not necessarily apply if already dried or purified air is supplied to the process instead of moist or polluted air.
Применение гомогенных первых адсорбирующих тел с относительно большим диаметром частиц более 2 мм в первой области позволяет, в частности, достичь более высокой объемной пропускной способности и более низкой потери давления с помощью настоящего изобретения. Напротив, особенно хорошей кинетики массообмена можно достичь за счет использования вторых адсорбирующих тел, выполненных в виде композитных тел, во второй области. Благодаря использованию композитных тел нет необходимости в том, чтобы вторые адсорбирующие тела имели (относительно) малый диаметр частиц, например менее 2 мм, чтобы добиться этого, поскольку в них присутствует инертная сердцевина. Это обеспечивает низкий уровень потери давления и меньший риск возникновения мобилизации в данном случае. Поскольку соответствующая вторая область находится ниже по потоку от зоны уравновешивания, ранее приведенный недостаток, заключающийся в меньшем количестве адсорбирующего материала, в данном случае играет меньшую роль, поскольку уже было достигнуто значительное снижение содержания азота и, следовательно, необходимо адсорбировать только остаточные количества азота. Таким образом, в этом варианте осуществления в настоящем изобретении сочетаются преимущества гомогенных адсорбирующих тел, которые заключаются в связи с настоящим изобретением, в частности, в большом количестве в них адсорбирующего материала с легко регулируемой при этом потерей давления, с преимуществами соответствующих адсорбирующих тел типа «ядро в оболочке», которые были описаны выше. Однако соответствующие преимущества также аналогичным образом способствуют использованию композитных тел в качестве первых адсорбирующих тел, если они содержат более высокую долю пористого и адсорбирующего материала по сравнению со вторыми адсорбирующими телами.The use of homogeneous first adsorbent bodies with a relatively large particle diameter of more than 2 mm in the first region makes it possible, in particular, to achieve a higher volumetric throughput and a lower pressure loss with the present invention. On the contrary, a particularly good mass transfer kinetics can be achieved by using second adsorbent bodies in the form of composite bodies in the second region. Due to the use of composite bodies, it is not necessary that the second absorbent bodies have a (relatively) small particle diameter, eg less than 2 mm, in order to achieve this, since they have an inert core. This provides a low level of pressure loss and less risk of mobilization in this case. Since the corresponding second region is downstream of the balancing zone, the previously mentioned disadvantage of less adsorbent material plays a lesser role in this case, since a significant reduction in the nitrogen content has already been achieved and, therefore, only residual amounts of nitrogen need to be adsorbed. Thus, in this embodiment, the present invention combines the advantages of homogeneous absorbent bodies, which lie in connection with the present invention, in particular in a large amount of absorbent material in them with an easily adjustable pressure loss, with the advantages of corresponding absorbent bodies of the "core" type. in the shell", which were described above. However, the corresponding advantages also favor the use of composite bodies as first absorbent bodies in a similar manner if they contain a higher proportion of porous and absorbent material compared to second absorbent bodies.
Преимущества, достигаемые в соответствии с настоящим изобретением, основаны, в частности, на том факте, что достигается почти постоянная концентрация азота в зоне уравновешивания соответствующего адсорбционного модуля, в частности в конце фазы адсорбции. Парциальное давление, которое представляет собой возмущающую силу адсорбции азота на адсорбирующем материале, является достаточно высоким для кинетических эффектов, чтобы играть вторичную роль, а также для сравнительно большого количества адсорбируемого азота. С другой стороны, парциальное давление азота в зоне массообмена значительно ниже, и, следовательно, требуется быстрая кинетика переноса. Последнее обеспечивается, в частности, адсорбирующими телами типа «ядро в оболочке» без риска возникновения мобилизации в процессе. Эти обстоятельства также подробно описаны со ссылкой на прилагаемые фиг. 2 и 3.The advantages achieved in accordance with the present invention are based in particular on the fact that an almost constant nitrogen concentration is achieved in the equilibrium zone of the respective adsorption module, in particular at the end of the adsorption phase. The partial pressure, which is the perturbing force of nitrogen adsorption on the adsorbent material, is high enough for kinetic effects to play a secondary role, as well as for the comparatively large amount of nitrogen adsorbed. On the other hand, the partial pressure of nitrogen in the mass transfer zone is much lower and hence fast transfer kinetics are required. The latter is provided, in particular, by adsorbing bodies of the "core in the shell" type without the risk of mobilization in the process. These circumstances are also described in detail with reference to the accompanying FIGS. 2 and 3.
Дополнительным преимуществом использования композитных тел является демпфирование колебаний температуры в насадочном слое. Поскольку процесс адсорбции представляет собой экзотермический процесс, температура адсорбирующего материала повышается во время адсорбции. Такое повышение температуры действует как тормоз для процесса адсорбции. При использовании композитных тел часть полученного тепла проходит к внутренней сердцевине. Таким образом, повышение температуры в наружном слое является сравнительно меньшим. Аналогичное явление можно наблюдать при регенерации (десорбции) материала. Десорбция представляет собой эндотермический процесс, и температура адсорбирующего материала снижается во время десорбции. Низкая температура, в свою очередь, неблагоприятна для десорбции. Колебания температуры при этом также ограничены внутренней сердцевиной. Таким образом, в обоих случаях внутренняя сердцевина в определенной степени выполняет функцию буфера, который ограничивает колебания температуры.An additional advantage of using composite bodies is the damping of temperature fluctuations in the packed bed. Since the adsorption process is an exothermic process, the temperature of the adsorbent material rises during adsorption. This temperature rise acts as a brake on the adsorption process. When using composite bodies, part of the received heat passes to the inner core. Thus, the temperature rise in the outer layer is comparatively smaller. A similar phenomenon can be observed during the regeneration (desorption) of the material. Desorption is an endothermic process and the temperature of the adsorbent material decreases during desorption. Low temperature, in turn, is unfavorable for desorption. Temperature fluctuations are also limited by the inner core. Thus, in both cases, the inner core acts to a certain extent as a buffer that limits temperature fluctuations.
Как уже упоминалось, материал типа «ядро в оболочке» композитных тел состоит из неадсорбирующего непористого инертной сердцевины и адсорбирующего пористого наружного слоя, содержащего адсорбирующий материал. Быстрая кинетика в значительной степени определяется толщиной этого наружного слоя. Для получения относительно тонкого наружного слоя объемная доля адсорбирующего материала во вторых адсорбирующих телах во второй области должна составлять до 60%, например от 10 до 50%, или от 20 до 40%, или приблизительно 50%, от объема тела адсорбирующих тел.As already mentioned, the core-in-shell material of composite bodies consists of a non-absorbent, non-porous inert core and an absorbent porous outer layer containing an absorbent material. The fast kinetics is largely determined by the thickness of this outer layer. To obtain a relatively thin outer layer, the volume fraction of absorbent material in the second absorbent bodies in the second region should be up to 60%, for example 10 to 50%, or 20 to 40%, or approximately 50%, of the body volume of the absorbent bodies.
Как упоминалось, первые адсорбирующие тела можно формировать из гомогенного материала (объемная доля адсорбирующего материала 100%), но также и из материала типа «ядро в оболочке». В последнем случае наружный слой адсорбирующих тел должен быть преимущественно толстым, чтобы не допустить слишком большого снижения объемной емкости. Это означает, что объемная доля адсорбирующего материала должна составлять по меньшей мере 60%, например от 70 до 90% или приблизительно 80%.As mentioned, the first absorbent bodies can be formed from a homogeneous material (absorbent
В представленной ниже таблице, в которой также частично использованы обозначения в соответствии с фиг. 4, приведены примеры значений для соответствующих первого и второго адсорбирующих тел, которые в данном случае выполнены в виде композитных тел.In the table below, which also partially uses the designations according to FIG. 4, examples of values are given for the respective first and second absorbent bodies, which in this case are made in the form of composite bodies.
Таблица 1Table 1
В целом в рамках объема настоящего изобретения можно достичь особенно высокой пропускной способности соответствующей установки, в частности, при использовании VPSA, причем, в частности, можно достичь более короткого времени цикла. Это приводит к значительному снижению инвестиционных и эксплуатационных расходов.In general, within the scope of the present invention, a particularly high throughput of the respective plant can be achieved, in particular by using a VPSA, and in particular shorter cycle times can be achieved. This results in a significant reduction in investment and operating costs.
В частности, в рамках объема настоящего изобретения адсорбирующий материал может быть выбран из группы, состоящей из активированного оксида алюминия, цеолитов, материалов с мезопорами, углеродных молекулярных сит и их смесей.In particular, within the scope of the present invention, the adsorbent material may be selected from the group consisting of activated alumina, zeolites, mesopore materials, carbon molecular sieves, and mixtures thereof.
Напротив, внутренняя сердцевина композитных тел может, в частности, содержать материал, который выбран из группы, состоящей из металлов, оксида металла, смешанных оксидов, плотных оксидов керамики, таких как кордерит, перовскит, спеченных глин, таких как каолин, аттапульгит, кремнеземы, оксиды алюминия, кремнезем-оксид алюминия, кремнезем-оксид магния, кремнезем-оксид циркония, кремнезем-оксид пурия, кремнезем-оксид бериллия, кремнезем-оксид титана, а также тройные композиции, такие как кремнезем-оксид алюминия-оксид тория, кремнезем-оксид алюминия-оксид циркония и их смесей. С помощью таких материалов можно получать особенно преимущественные свойства соответствующих композитных тел.On the contrary, the inner core of the composite bodies may in particular comprise a material which is selected from the group consisting of metals, metal oxide, mixed oxides, dense ceramic oxides such as corderite, perovskite, sintered clays such as kaolin, attapulgite, silicas, aluminum oxides, silica-alumina, silica-magnesium oxide, silica-zirconium oxide, silica-purium oxide, silica-beryllium oxide, silica-titanium oxide, as well as ternary compositions such as silica-alumina-thorium oxide, silica- alumina-zirconium oxide and mixtures thereof. With such materials, particularly advantageous properties of the respective composite bodies can be obtained.
В рамках объема настоящего изобретения первая область и вторая область могут вместе иметь (общую) длину, в которой первая область составляет от 40 до 80%. В частности, первая область может быть в 0,5 раза, в 1 раз или в 2 раза больше второй области, причем также могут быть включены промежуточные значения между соответственно упомянутыми значениями. Точные размеры позволяют, в частности, учитывать зону уравновешивания и зону массообмена в соответствующем адсорбционном модуле.Within the scope of the present invention, the first region and the second region may together have a (total) length in which the first region is between 40% and 80%. In particular, the first region can be 0.5 times, 1 times or 2 times the second region, and intermediate values between the respectively mentioned values can also be included. Precise dimensions make it possible, in particular, to take into account the balancing zone and the mass transfer zone in the corresponding adsorption module.
Таким образом, в рамках объема настоящего изобретения первую область формируют такого размера, чтобы она соответствовала зоне уравновешивания для азота в адсорбционном модуле, а вторую область формируют, в частности, такого размера, чтобы она соответствовала зоне массообмена для азота в адсорбционном модуле, что дает особое преимущество. Конкретные преимущества соответствующего выбора адсорбирующих тел в соответствующих зонах, которые выполнены в соответствии с изобретением, уже были подробно описаны выше.Thus, within the scope of the present invention, the first region is formed in such a size that it corresponds to the equilibrium zone for nitrogen in the adsorption module, and the second region is formed, in particular, in such a size that it corresponds to the mass transfer zone for nitrogen in the adsorption module, which gives a special advantage. The specific advantages of the appropriate selection of absorbent bodies in the respective zones, which are made in accordance with the invention, have already been described in detail above.
В рамках объема настоящего изобретения можно обеспечить, в частности, определение длины зоны уравновешивания и длины зоны массообмена, в частности, заранее, для чего можно применять экспериментальные способы и/или имитационные способы. Определение соответствующих длин или размеров легко доступно специалисту в данной области и не требует сложной и обладающей признаками изобретения стадии. В рамках объема настоящего изобретения первое и второе адсорбирующие тела могут быть сферическими и/или иметь минимальный диаметр 2 мм. Размер вторых адсорбирующих тел может соответствовать размеру первых адсорбирующих тел или вторые адсорбирующие тела могут быть меньше вторых адсорбирующих тел. Выбор соответствующего подходящего размера частиц зависит, в частности, от критериев, описанных выше, в частности от желаемой кинетики массообмена в сочетании с желаемой потерей давления.Within the scope of the present invention, it is possible to provide, in particular, the determination of the length of the balancing zone and the length of the mass transfer zone, in particular in advance, for which experimental methods and/or simulation methods can be used. Determination of appropriate lengths or dimensions is readily available to one skilled in the art and does not require a complicated and inventive step. Within the scope of the present invention, the first and second absorbent bodies may be spherical and/or have a minimum diameter of 2 mm. The size of the second absorbent bodies may correspond to the size of the first absorbent bodies, or the second absorbent bodies may be smaller than the second absorbent bodies. The selection of an appropriate suitable particle size depends in particular on the criteria described above, in particular on the desired mass transfer kinetics in combination with the desired pressure loss.
Как в целом известно из области технологии адсорбции и поэтому упоминается в настоящем документе исключительно для полноты описания, множество адсорбционных модулей в соответствующей установке можно, в частности, также использовать в рамках объема настоящего изобретения, и они могут работать в попеременном режиме работы. Как также объяснено несколько раз, в качестве исходной газовой смеси можно использовать, в частности, воздух, а первая и вторая ранее описанные зоны могут представлять собой часть слоя для удаления азота в соответствующем адсорбционном модуле, смежного со слоем для удаления воды в адсорбционном модуле. В этом случае слой для удаления воды можно снабжать подходящим адсорбирующим материалом, пригодным для удаления воды.As is generally known in the field of adsorption technology and is therefore only referred to herein for completeness of description, a plurality of adsorption modules in a respective plant may in particular also be used within the scope of the present invention and may operate in an intermittent mode of operation. As also explained several times, air can be used as the initial gas mixture, in particular, and the first and second previously described zones can be part of the nitrogen removal layer in the corresponding adsorption module adjacent to the water removal layer in the adsorption module. In this case, the water removal layer can be provided with a suitable absorbent material suitable for water removal.
Настоящее изобретение дополнительно распространяется на установку для переработки газообразной азотсодержащей исходной газовой смеси. По дополнительным признакам такой установки даны ссылки на соответствующий независимый пункт формулы изобретения. В частности, такая установка выполнена с возможностью осуществления способа, как описано ранее в различных вариантах осуществления. Поэтому сделана явная ссылка на пояснения выше.The present invention further extends to an apparatus for processing a gaseous nitrogen-containing feed gas mixture. For additional features of such an installation, references are made to the corresponding independent claim. In particular, such a plant is configured to carry out the method as previously described in various embodiments. Therefore, explicit reference is made to the explanations above.
Настоящее изобретение будет дополнительно описано ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых показан вариант осуществления настоящего изобретения.The present invention will be further described below with reference to the accompanying drawings, which show an embodiment of the present invention.
Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials
На фиг. 1 показан адсорбционный модуль в процессе использования для переработки воздуха.In FIG. 1 shows an adsorption module in use for air recycling.
На фиг. 2 представлен градиент концентрации азота в адсорбционном модуле в соответствии с вариантом осуществления изобретения.In FIG. 2 shows the nitrogen concentration gradient in an adsorption module according to an embodiment of the invention.
На фиг. 3 показана загрузка азота в адсорбционный модуль в соответствии с вариантом осуществления изобретения.In FIG. 3 shows the loading of nitrogen into an adsorption module in accordance with an embodiment of the invention.
На фиг. 4 в упрощенном схематическом изображении показано адсорбирующее тело, выполненное в виде композитного тела.In FIG. 4 is a simplified schematic representation of an absorbent body in the form of a composite body.
Подробное описание графических материаловDetailed description of graphic materials
На фигурах компоненты, соответствующие функционально или структурно друг другу, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и для ясности не разъясняются повторно. Очевидно, что при описании ниже компонентов установок и систем в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, эти пояснения аналогичным образом относятся к способам в соответствии с изобретением и их вариантам осуществления.In the figures, components corresponding functionally or structurally to each other are designated by the same reference numerals and are not re-explained for the sake of clarity. It is obvious that when describing below the components of plants and systems in accordance with the embodiments of the present invention, these explanations similarly apply to the methods in accordance with the invention and their variants of implementation.
Соответственно, графические материалы относятся к вариантам осуществления, в которых первые адсорбирующие тела выполнены в виде гомогенных адсорбирующих тел, т.е. не в виде тел типа «ядро в оболочке» или композитных тел. Однако, как упоминалось, настоящее изобретение также может относиться к такому случаю.Accordingly, the drawings refer to embodiments in which the first absorbent bodies are in the form of homogeneous absorbent bodies, i.e. not in the form of core-in-shell bodies or composite bodies. However, as mentioned, the present invention may also apply to such a case.
На фиг. 1 схематично проиллюстрирован адсорбционный модуль в процессе использования для переработки воздуха в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и обозначен в целом позицией 100.In FIG. 1 schematically illustrates an adsorption module in use for air treatment in accordance with an embodiment of the present invention and is indicated generally at 100.
Адсорбционный модуль 100 может, в частности, представлять собой часть установки 10, которая указана в настоящем документе только схематически и в которой множество адсорбционных модулей 100 могут быть расположены и могут работать известным способом. В показанном примере в адсорбционный модуль 100 подают исходную газовую смесь, в частности воздух, обозначенный позицией E.The
Адсорбционный модуль 100 показан в данном документе в фазе адсорбции описанного выше типа для извлечения из него смеси P продуктов. Однако в последующей фазе десорбции или регенерации адсорбированные компоненты десорбируются, в частности при давлении ниже атмосферного в случае VPSA, от адсорбирующего материала, содержащегося в адсорбционным модуле 100. За счет использования адсорбционного модуля 100 из исходной газовой смеси E можно выводить компоненты, которые хорошо адсорбируются адсорбирующим материалом, в данном случае азотом, так что смесь P продуктов обогащается кислородом или представляет собой чистый кислород.The
В адсорбционном модуле 100 сформированы первый слой 101 и второй слой 102. Первый слой 101 представляет собой слой для удаления воды, несколько раз описанный выше и снабженный подходящим для этой цели адсорбирующим материалом. Второй слой 102 образует слой для удаления азота. Последний рассматривается более подробно ниже.In the
В процессе работы в слое 102 для удаления азота образуются зона 110 уравновешивания и зона 120 массообмена, как по существу известно из области технологии адсорбции. Зона 110 уравновешивания характеризуется, в частности, постоянным или по существу постоянным парциальным давлением азота, тогда как парциальное давление азота в зоне 120 массообмена снижается в виде резкого градиента.During operation, a
На фиг. 2 схематично представлен градиент концентрации азота в конце фазы адсорбции в адсорбционном модуле в соответствии с вариантом осуществления изобретения, например в адсорбционном модуле 100 согласно фиг. 1, в виде графика концентрации. На графике, представленном на фиг. 2, на оси абсцисс показана длина адсорбционного модуля или соответствующего слоя адсорбента в зависимости от концентрации азота в произвольных единицах по оси ординат. И в этом случае показаны слой 101 для удаления воды, зона 110 уравновешивания и зона 120 массообмена слоя 102 для удаления азота (в настоящем документе не обозначены отдельно). Кривая концентрации азота обозначена позицией 201. Как также отдельно проиллюстрировано в настоящем документе, в зоне уравновешивания адсорбционного модуля 100 предусмотрены гомогенные адсорбирующие тела 111, содержащие адсорбирующий материал или сформированные из адсорбирующего материала, при этом во второй области, т.е. в зоне массообмена, предусмотрены композитные тела 121, причем композитные тела 121 содержат внутреннюю сердцевину C из непористого неадсорбирующего материала и наружный слой S, содержащий адсорбирующий материал или сформированный из него.In FIG. 2 is a schematic representation of the nitrogen concentration gradient at the end of the adsorption phase in an adsorption module according to an embodiment of the invention, for example in the
Как показано на фиг. 2, концентрация азота и, таким образом, парциальное давление азота в конце адсорбции по существу постоянны в газовой фазе в зоне 110 уравновешивания слоя 102 для удаления азота. Поскольку парциальное давление азота представляет собой возмущающую силу для адсорбции азота, оно достаточно велико для того, чтобы кинетические эффекты, как уже упоминалось, играли в этом случае меньшую роль и, следовательно, азот просто адсорбировался. Это, в частности, также ясно из фиг. 3. С другой стороны, концентрация азота или соответствующее парциальное давление в зоне 120 массообмена значительно ниже, и, следовательно, требуется быстрая кинетика. Как указано выше, композитные тела, используемые в настоящем документе, удовлетворяют этим требованиям.As shown in FIG. 2, the nitrogen concentration and thus the nitrogen partial pressure at the end of adsorption is substantially constant in the gas phase in the
На фиг. 3 в виде соответствующей схемы представлена загрузка азота в адсорбционный модуль в соответствии с вариантом осуществления изобретения. На схеме, представленной на фиг. 3, на оси абсцисс снова показана длина адсорбционного модуля или слоя адсорбента, но в данном случае в зависимости от значения по оси ординат, характеризующего загрузку адсорбирующего материала. И в этом случае в настоящем документе показаны слой 101 для удаления воды, а также зона 110 уравновешивания и зона 120 массообмена слоя для удаления азота, которые также не обозначены отдельно. Кривая, соответствующая загрузке адсорбирующего материала, обозначена позицией 301. Как можно видеть, в частности из фиг. 3, при настоящих условиях возможна полная или практически полная загрузка адсорбирующим материалом всей зоны уравновешивания.In FIG. 3 is a corresponding diagram showing the loading of nitrogen into an adsorption module in accordance with an embodiment of the invention. In the diagram shown in Fig. 3, the abscissa again shows the length of the adsorption module or adsorbent bed, but in this case depending on the value on the ordinate representing the load of adsorbent material. Again, the present document shows the
На фиг. 4 в упрощенном схематическом изображении показано адсорбирующее тело, выполненное в виде композитного тела. Это композитное тело обозначено как и выше позицией 121 и содержит внутреннюю сердцевину C и наружный слой S. При этом D обозначает диаметр композитного тела 121, который определяет «объем тела» в рамках значения, описанного выше. Диаметр внутренней сердцевины C обозначен как d. Это дает толщину наружного слоя S, обозначенную как h.In FIG. 4 is a simplified schematic representation of an absorbent body in the form of a composite body. This composite body is designated as above at 121 and comprises an inner core C and an outer layer S. Wherein D denotes the diameter of the
Claims (15)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP19020124.4 | 2019-03-13 | ||
| EP19020342.2 | 2019-05-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021126452A RU2021126452A (en) | 2023-03-09 |
| RU2797668C2 true RU2797668C2 (en) | 2023-06-07 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2198946A1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-06-23 | Glatt Systemtechnik GmbH | Composite adsorbent bead, process for its production and gas separation process |
| CN104492405A (en) * | 2014-12-05 | 2015-04-08 | 南京工业大学 | Core-shell type molecular sieve microsphere and preparation method and application thereof |
| RU2628393C1 (en) * | 2016-03-02 | 2017-08-16 | Общество с ограниченной ответственностью "ТамбовСорбТех" | Rotor-plate adsorption unit |
| RU2631348C2 (en) * | 2013-02-15 | 2017-09-21 | Конинклейке Филипс Н.В. | Oxygen separator and method of oxygen production |
| RU2658406C2 (en) * | 2012-06-14 | 2018-06-21 | ЭкссонМобил Рисерч энд Энджиниринг Компани | Integration of pressure swing adsorption with power plant for co2 capture/utilisation and n2 production |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2198946A1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-06-23 | Glatt Systemtechnik GmbH | Composite adsorbent bead, process for its production and gas separation process |
| RU2658406C2 (en) * | 2012-06-14 | 2018-06-21 | ЭкссонМобил Рисерч энд Энджиниринг Компани | Integration of pressure swing adsorption with power plant for co2 capture/utilisation and n2 production |
| RU2631348C2 (en) * | 2013-02-15 | 2017-09-21 | Конинклейке Филипс Н.В. | Oxygen separator and method of oxygen production |
| CN104492405A (en) * | 2014-12-05 | 2015-04-08 | 南京工业大学 | Core-shell type molecular sieve microsphere and preparation method and application thereof |
| RU2628393C1 (en) * | 2016-03-02 | 2017-08-16 | Общество с ограниченной ответственностью "ТамбовСорбТех" | Rotor-plate adsorption unit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5447558A (en) | Purification method and apparatus | |
| EP1070531B1 (en) | Air separation using monolith adsorbent bed | |
| CA2570562C (en) | Adsorptive separation of gas streams | |
| US6027548A (en) | PSA apparatus and process using adsorbent mixtures | |
| US5169413A (en) | Low temperature pressure swing adsorption with refrigeration | |
| US20070261551A1 (en) | Separation Of Carbon Dioxide From Other Gases | |
| KR20010052184A (en) | Pressure swing adsorption gas separation method, using adsorbents with high intrinsic diffusivity and low pressure ratios | |
| KR100252333B1 (en) | Simultaneous step pressure swing adsorption process | |
| KR102279619B1 (en) | Multi-bed rapid cycle kinetic psa | |
| EP1230966A1 (en) | Process for gas separation using adsorption | |
| EP2663382B1 (en) | Ten bed pressure swing adsorption process operating in normal and turndown modes | |
| EP2663384B1 (en) | Large scale pressure swing adsorption systems having process cycles operating in normal and turndown modes | |
| US20100115994A1 (en) | Adsorbent for carbon monoxide, gas purification method, and gas purification apparatus | |
| RU2797668C2 (en) | Method and installation for processing of gas mixture | |
| TWI398292B (en) | Gas purification apparatus and gas purification method | |
| JP4621252B2 (en) | Method and apparatus for purifying raw material air in air liquefaction separation | |
| US20220184547A1 (en) | Method and arrangement for processing a gas mixture | |
| EP0092208A2 (en) | Improved gas separation process | |
| JPH10194708A (en) | Oxygen enricher | |
| JPH04227018A (en) | Manufacture of inert gas of high purity | |
| CN112742172A (en) | Energy gas purification method | |
| JPH0141085B2 (en) | ||
| JPH0780233A (en) | Pressure variation-type adsorption refining method |