SK286512B6 - Spôsob separácie z neadsorbovateľného plynu z plynnej zmesi - Google Patents

Abstract

Vynález sa týka spôsobu, ktorý prekonáva obmedzenie kapacity PSA jednotiek na separáciu širokého spektra plynov tým, že umožňuje zvýšenie kapacity nad 110 000 m3/h v jedinej integrovanej prevádzkovejlinke a využíva dobu trvania premývacieho kroku, ktorá je rovnaká alebo kratšia ako doba trvania adsorpčného kroku. Predĺžením doby premývania oprotidobe adsorpcie, dodávanie premývacieho plynu ľubovoľnému adsorpčnému lôžku linky jedným alebo viacerými adsorpčnými lôžkami, ktoré sa nachádzajú v režime poskytovania premývacieho plynu, a tým, že adsorpčné lôžka poskytujú premývací plyn súčasne v podstate všetkým adsorpčným lôžkam, v ktorých prebieha premývací krok, môžeme dosiahnuť významné zvýšenie kapacity pri minimálnej strate izolovaného produktu alebo výkonu.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobov separácie plynov za použitia striedavej tlakovej adsorpcie (PSA), ktoré podstatným spôsobom zväčšujú kapacitu separačných procesov.

Doterajší stav techniky

PSA predstavuje účinný a ekonomický prostriedok na separáciu viaczložkového plynného prúdu, ktorý obsahuje aspoň dva plyny majúce odlišné adsorpčné charakteristiky. Pevnejšie adsorbovaným plynom môže byť prímes, ktorá sa odstráni zo slabšie adsorbovaného plynu, ktorý sa odčerpá ako produkt alebo naopak silnejšie adsorbovaný plyn môže predstavovať požadovaný produkt, ktorý sa separuje od slabšie adsorbovaného plynu. Napríklad je treba izolovať zo zavádzacieho prúdu, ktorý obsahuje vodík, oxid uhoľnatý a ľahké uhľovodíky a získať tak purifikovaný (99+ %) vodíkový prúd na hydraulické krakovanie alebo ďalšie katalytické procesy, pri ktorých by zmienené nečistoty mohli nežiaducim spôsobom ovplyvniť katalyzátor alebo reakciu. Na druhej strane môže byť výhodné izolovať zo zavádzaného prúdu silnejšie adsorbované plyny, napríklad etylén, a získať tak produkt bohatý na etylén.

Pri uskutočňovaní PSA sa viaczložkový plyn spravidla zavádza do aspoň jednej množiny adsorpčných zón a to za zvýšeného tlaku, pri ktorej dôjde na adsorpciu aspoň jednej zložky a priechodu aspoň ďalšej jednej zložky. V stanovenom časovom okamihu sa zavádzanie prúdu do adsorbéra ukončí a tlak v adsorpčnej zóne sa zruší v jednom alebo viacerých súbežne uskutočňovaných krokoch, v ktorých sa tlak zníži na úroveň, ktorá umožni separáciu slabšie adsorbovanej zložky alebo zložiek, ktoré zostali v adsorpčnej zóne, a jej odťah bez významnejšej koncentrácie silnejšie adsorbovaných zložiek. Potom sa v adsorpčnej zóne ešte ďalej zníži tlak protiprúdovým znížením tlaku, ktoré sa realizuje odvádzaním desorbovaného plynu v smere opačnom na smer zavádzania prívodného prúdu. Na záver sa adsorpčná zóna prepláchne prúdom opúšťajúcim adsorpčné lôžko za súčasného zrušenia tlaku a následne sa táto adsorpčná zóna opäť natlakuje. Finálny krok, v ktorom sa uskutočňuje natlakovanie, sa spravidla realizuje za prítomnosti plynného produktu a často sa označuje ako opakované natlakovanie produktu. Pri viaczónových systémoch sú ďalšie kroky a opísané kroky spravidla uskutočňované v stupňoch. Patentové prihlášky US-A-3,176,444, US-A-3,986,849 a US-A-3,430,418 a patent US 3,703,068 (Fuderer a kol.) napríklad opisujú viaczónový adiabatický PSA systém, ktorý využíva tak súprúdového ako aj proti prúdového zrušenia tlaku.

Je známe, že pre PSA systémy sú vhodné rôzne triedy adsorbentov, pričom ich voľba závisí od zložiek konkrétneho zavádzaného prúdu a od ďalších faktorov, ktoré sú odborníkom v danom odbore známe. Medzi vhodné adsorbenty môžeme spravidla zaradiť molekulové sitá, silikagél, aktívny uhlík a aktivovanú alumínu. V prípade niektorých separácií môžu byť výhodné špeciálne adsorbenty. PSA spravidla využíva slabé adsorbenty a to v množstve od stopového množstva až po viac ako 95 % mol., vztiahnuté na množstvo separovanej zložky. PSA systémy sú výhodné v prípade, že umožnia izolovať vysoké koncentrácie hodnotných surovín, produktov alebo opakovateľne využiteľných rozpúšťadiel. PSA cyklus je cyklus, v ktorom sa desorpcia uskutočňuje pri tlaku omnoho nižšom ako adsorpcia.

V niektorých prípadoch sa adsorpcia uskutočňuje za vákua, t. j. vákuová striedavá adsorpcia (VSA). Aby sa zabránilo zníženiu výkonu slabého adsorbentu, je prevádzková doba PSA cyklov spravidla krátka, t. j. rádovo trvá sekundy až minúty.

Jedným z problémov stavby moderných zariadení na spracovanie plynov je nutnosť kontinuálne zväčšovať veľkosť zariadenia v odozve na kontinuálne zvyšujúce sa množstvo spracovávaného plynu. Kapacita moderných komplexov spracovávajúcich plyn je spravidla väčšia ako približne 110 000 m³/h. Priemer väčšiny PSA nádob je obmedzený ich dopravou na stavenisko a spravidla sa obmedzuje približne na 4 m, pričom dĺžka nádoby je obmedzená pevnosťou adsorpčnej častice v tlaku. V prípade kapacít väčších ako približne 110 000 m³/h sa PSA procesy uskutočňujú na viacerých linkách, ktoré sú vybavené čerpadlami, vykurovacími systémami, ventilmi, nádobami a kompresormi.

Podstata vynálezu

Spôsob podľa vynálezu prekonáva historické obmedzenia kapacity PSA jednotiek na separácie širokého spektra plynu. Teraz môžeme dosiahnuť kapacitu presahujúcu približne 110 000 m³/h v jedinej integrovanej prevádzkovej linke. Táto jediná integrovaná prevádzková linka môže obsahovať 10 až 20 adsorpčných lôžok. Redukcia vybavenia sa dosiahla odchýlením od všeobecne prijímaného princípu, podľa ktorého musí byť dĺžka premývacieho kroku rovnaká alebo kratšia ako dĺžka adsorpčného kroku. V rámci vynálezu sa zistilo, že predĺžením doby trvania premývacieho kroku v porovnaní s dobou trvania adsorpčného kroku sa významne zvýši kapacita za minimálnej straty výkonu. Je výhodné, pokiaľ je pomer doby trvania premývacieho kroku

SK 286512 Β6 k dobe trvania adsorpčného kroku vyšší ako 1,0 a nižší ako 2,0. Prínosom tohto objavuje, že namiesto stavby druhej paralelnej spracovateľskej linky j e možné konštruovať vysokokapacitné PSA jednotky a tým výrazne znížiť ekonomické náklady.

Cieľom vynálezu je poskytnúť PSA spôsob pre vysokokapacitné jednotky na spracovanie plynu v jedinej prevádzkovej linke.

Cieľom vynálezu je tiež poskytnúť prevádzkovú sekvenciu, ktorá by prekonala fyzické obmedzenia týkajúce sa veľkosti nádoby a pevnosti adsorbentu a umožnila by spracovanie veľkého množstva zavádzanej suroviny bez straty celkového výkonu vysokokapacitných plynných separačných systémov.

Pri jednom uskutočnení vynálezu sa spôsob týka separácie neadsorbovateľného plynu z plynnej zmesi obsahujúcej ncadsorbovateľný plyn a adsorbovateľný plyn v jedinej PSA zóne. Tento spôsob zahŕňa vedenie zmesi do jedinej PSA zóny a odvádzanie prúdu plynného produktu, ktorý obsahuje neadsorbovateľný plyn, a prúdu odpadného plynu, ktorý obsahuje adsorbovateľný plyn. Jediná PSA zóna je vybavená množinou adsorpčných lôžok, pričom každé z týchto adsorpčných lôžok podstupuje adsorpčný krok, aspoň tri súprúdové vyrovnávacie kroky vrátane finálneho suprúdového vyrovnávacieho kroku, premývací krok, proti prúdový vyfukovací krok, premývací krok, aspoň tri proti prúdové vyrovnávacie kroky vrátane finálneho proti prúdového vyrovnávacieho kroku a krok, v ktorom dochádza k opakovateľnému natlakovaniu. Jednotlivé prevádzkové kroky sa uskutočňujú sekvenčným spôsobom a neprekrývajú sa. Premývací krok trvá dlhšie ako absorpčný krok, pričom premývací krok zahŕňa krok, v ktorom absorpčné lôžko, ktoré je premývané, prijíma premývací plyn od jedného alebo viacerých ďalších absorpčných lôžok. Takže počet absorpčných lôžok, ktoré podstupujú absorpčný krok je nižší ako počet absorpčných lôžok, ktoré podstupujú premývací krok.

Týmto spôsobom môžeme izolovať vodík z plynnej zmesi obsahujúcej vodík, oxid uhličitý a dusík.

Podľa ďalšieho uskutočnenia vynálezu spôsob separuje neabsorbovateľný plyn z plynnej zmesi obsahujúcej neabsorbovateľný plyn a absorbovateľný plyn v PSA zóne s množinou absorpčných lôžok. Tento spôsob zahŕňa nasledujúce kroky. Plynná zmes sa za absorpčného tlaku vedie do prvého adsorpčného lôžka množiny adsorpčných lôžok v PSA zóne. Každé z adsorpčných lôžok obsahuje selektívny absorbent na adsorpciu absorbovateľného plynu v absorpčnom kroku, počas ktorého sa izoluje prúd opúšťajúci adsorpčné lôžko. Prvá adsorpčná zóna je súprúdovo natlakovaná vo vyrovnávacích krokoch, pričom každé ďalšie adsorpčné lôžko má sekvenčne nižší vyrovnávací tlak. Súprúdové odtlakovanie sa zopakuje aspoň 2x, aby sa dosiahol posledný vyrovnávací krok. Prvé adsorpčné lôžko sa ďalej súprúdovo odtlakuje a tým sa získa desorpčný odtekajúci prúd v kroku poskytujúcom čistenie v priebehu doby vymedzenej na poskytovanie čistenia a súčasne sa desorpčný vytekajúci prúd vedie do aspoň dvoch ďalších adsorpčných lôžok, ktoré sa podrobujú premývaniu. Prvé adsorpčné lôžko sa protiprúdovým spôsobom odtlakuje, čím sa zníži tlak a odpadový prúd sa izoluje pri desorpčnom tlaku. Prvé adsorpčné lôžko sa prepláchne preplachovacím prúdom počas doby určenej na preplachovací krok, pričom táto doba vymedzená na preplachovací krok je dlhšia ako doba vymedzená na adsorpčný krok. Preplachovací prúd sa vedie z jedného alebo viacerých adsorpčných lôžok, ktoré podstupujú krok súprúdového poskytovania prepláchnutia, alebo lôžok, ktoré podstupujú súprúdový vyrovnávací krok. Prvé adsorpčné lôžko, ktoré sa súprúdovým spôsobom opäť natlakuje tak, že sa tlak prvého adsorpčného lôžka vyrovná s tlakom ďalších adsorpčných lôžok, pričom ďalšie adsorpčné lôžko má sekvenčne vyšší vyrovnávací tlak a tento súprúdový krok, v ktorom sa uskutočňuje opakované natlakovanie, sa zopakuje aspoň 2x. Prvé adsorpčné lôžko sa súprúdovým spôsobom natlakuje časťou prúdu opúšťajúcou adsorpciu, pričom opísané prevádzkové kroky sa opakujú tak, že poskytujú kontinuálny spôsob.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1 znázorňuje zjednodušený cyklický graf konvenčného PSA separačného systému so 16 lôžkami, ktorý je súčasťou doterajšieho stavu techniky.

Obr. 2 znázorňuje zjednodušený cyklický graf nového PSA separačného systému so 16 lôžkami podľa vynálezu.

Obr. 3 znázorňuje zjednodušený cyklický graf variantu nového PSA separačného systému so 16 lôžkami podľa vynálezu.

Východisková surovina použitá pre spôsob podľa vynálezu môže zahŕňať vodík, oxid uhoľnatý, oxid uhličitý, dusík, inemtné plyny a uhľovodíky. Spôsob podľa vynálezu môžeme použiť na separáciu vodíka z absorbovateľných zlúčenín, akými sú napríklad oxid uhoľnatý, oxid uhličitý, dusík a uhľovodíky, alebo na separáciu metánu z menej adsorbovateľných zlúčenín, ktoré zahŕňajú oxid uhličitý, oxidy síry, sírovodík, ťažšie uhľovodíky a ich zmesi. Výrazom „uhľovodíky“ rozumieme uhľovodíky, ktoré majú 1 až 8 atómov uhlíka na molekulu a zahŕňajú alkány, alkény, cykloalkény a aromatické uhľovodíky, akým je napríklad benzén. Výrazom „jediná výrobná linka“ rozumieme skupinu prevádzkového zariadenia vrátane čerpadiel, vykurovacích telies, nádob, ventilov, spájacích potrubí a kompresorov, ktoré sú zostavené tak, že vykonávajú určitú úlohu, ako je napríklad plynová separácia, pričom táto skupina neobsahuje žiadnu komplexnú duplicitu prevádzko vého vybavenia. Opakom jednoduchej linky je množina prevádzkových liniek, ktoré obsahujú rad paralelných a identických skupín prevádzkového vybavenia, pričom tieto rady sú usporiadané tak, že plnia jedinú úlohu.

Adsorpčný tlak podľa vynálezu sa spravidla pohybuje približne od 350 kPa do 7 MPa a výhodne približne od 700 kPa do 3,5 MPa. Desorpčný tlak sa výhodne pohybuje približne od 3 kPa do 550 kPa a výhodnejšie približne od 3 kPa do 210 kPa. Vhodné prevádzkové teploty sa spravidla pohybujú v rozmedzí približne od 10 °C do 65 °C. V rámci spôsobu podľa vynálezu môžeme použiť celý rad krokov, pri ktorých sa tlak súprúdovým spôsobom znižuje na prechodné hodnoty krokov, počas ktorých sa uskutočňuje súprúdové premývanie, a krokov, počas ktorých sa uskutočňuje proti prúdové premývanie, pričom všetky tieto kroky sú odborníkom v danom odbore známe a sú opísané v už citovaných patentoch. Na tlakové vyrovnávanie, ktoré ďalej zlepší izoláciu produktu, môžeme napríklad použiť 1 až 5 alebo viacej takýchto krokov, v rámci ktorých sa uskutočňuje súprúdové zníženie tlaku.

PSA spôsob podľa vynálezu je všeobecným typom PSA spôsobu. Prúd východiskovej suroviny sa zavádza do adsorpčného lôžka, kde prebieha adsorpcia za najvyššieho tlaku, alebo za adsorpčného tlaku, presnejšie do vstupného konca adsorpčného lôžka, ktoré má vstupný koniec a protiľahlý výstupný koniec.

Adsorbent môže obsahovať práškové pevné kryštalické zlúčeniny, ktoré sú schopné adsorbovať a desorbovať adsorbovateľnú zlúčeninu. Medzi takéto adsorbenty môžeme napríklad zaradiť silikagély, aktivované alumíny, aktívny uhlík, molekulové sitá a ich zmesi. Molekulové sitá zahŕňajú zeolitové molekulové sitá. Zeolity sú výhodnými adsorbentmi.

Patentová prihláška US-A-3,986,849 opisuje rôzne cykly, ktoré využívajú napríklad adsorpčnú dobu 240 s pri konfigurácii s 10 adsorpčnými lôžkami a celkovou dobou cyklu 13 min. a 20 s. Zvýšením počtu lôžok môžeme znížiť celkový adsorpčný čas. Pri rovnakom adsorpčnom čase, t. j. 240 s, sa pri konfigurácii, ktorá má 12 adsorpčných lôžok, celkový čas cyklu zníži na 12 min.

Pri rovnakom objeme adsorbenta a pri použití konfigurácií s 10 a 12 adsorpčnými lôžkami sa kapacita produktu pri konfigurácii s 12 lôžkami zvýši približne o 33 %. Pri rovnakej adsorpčnej dobe, t. j. 240 s, sa pri použití konfigurácie so 14 adsorpčnými lôžkami celková doba cyklu zníži na 11 min. a 12 s a kapacita produktu sa oproti konfigurácii s 10 adsorpčnými lôžkami zvýši o 66 %. Rovnakú analýzu môžeme aplikovať na konfigurácie s ľubovoľným počtom adsorbentov bez ohľadu na to, či ide o nepárny alebo párny počet. Pri zachovaní konštantnej adsorpčnej doby sa spravidla zníži celková doba cyklu a zvýši kapacita. Vzhľadom na to, že počas adsorpčného kroku pracuje viacero adsorpčných lôžok, čo zodpovedá vyššiemu prietoku východiskovej suroviny, čas sub-cyklu, ktorý je definovaný ako celková doba cyklu vydelená počtom adsorpčných lôžok, sa zníži, čo má vplyv na zníženie doby dostupnej na ďalšie kroky cyklu. Na rozdiel od doterajšieho stavu techniky sa zistilo, že skrátenie doby na príjem premývacieho prúdu má väčší dopad na zníženie izolácie prúdu neadsorbovaného produktu a na zvýšenie relatívneho objemu požadovaného adsorbenta ako skrátenie adsorpčného kroku. Všetky skôr opísané cykly majú navyše nižší počet adsorpčných lôžok, ktoré sú podrobované premývaním, ako adsorpčných lôžok, na ktorých prebieha adsorpcia. S výnimkou PSA cyklu, ktorú využívajú externé tanky, vyžadujú všetky PSA procesy, ktoré spadajú do doterajšieho stavu techniky, rovnaký počet adsorpčných lôžok, ktoré poskytujú premývací prúd, ako adsorpčných lôžok, ktoré prijímajú premývací prúd alebo aj lôžok, ktoré sú premývané.

Obr. 1 schematicky znázorňuje prevádzkový cyklus bežného PSA systému so 16 adsorpčnými lôžkami. Cyklus pre každé adsorpčné lôžko je tvorený adsorpčným krokom, štyrmi súprúdovými krokmi, pri ktorých sa znižuje tlak, krokom, pri ktorom je súprúdovým spôsobom poskytovaný premývací prúd, krokom protiprúdového vyprázdňovania, premývacím krokom, štyrmi krokmi, pri ktorých sa protiprúdovým spôsobom znižuje tlak, a finálny krok, pri ktorom sa adsorpčné lôžko opäť natlakuje. V ľubovoľnom okamihu tohto cyklu pracuje 6 adsorpčných lôžok v adsorpčnom režime, 3 adsorpčné lôžka v premývacom režime a 3 adsorpčné lôžka poskytujú premývací prúd. Premývací plyn na ľubovoľné adsorpčné lôžko je priamo poskytovaný ďalším adsorpčným lôžkom. To znamená, že počet adsorpčných lôžok, ktoré poskytujú premývací plyn, a počet adsorpčných lôžok, ktoré prijímajú premývací plyn alebo aj podstupujú premývanie, je rovnaký. Doba premývania alebo aj doba trvania premývacieho cyklu je pre všetky adsorpčné lôžka v cykle rovnaká s časom poskytovania premývacieho plynu alebo aj dobou trvania kroku, v ktorom je poskytovaný premývací plyn. Okrem toho je čas, v ktorom adsorpcia trvá, dlhší ako čas trvania kroku, v ktorom je poskytovaný premývací plyn, alebo aj premývacieho kroku.

Obr. 2 schematicky znázorňuje prevádzkový cyklus PSA adsorpčného systému so 16 adsorpčnými lôžkami, ktorý pracuje v jedinej linke. Cyklus znázornenia na obr. 2 obsahuje rovnaké kroky ako cyklus znázornený na obr. 1, ale s tým rozdielom, že v ľubovoľnom časovom okamihu sú len 4 lôžka v adsorpčnom režime, 5 lôžok v premývacom kroku a premývací plyn je dodávaný z jedného adsorpčného lôžka do viacerých adsorpčných lôžok. Doba premývania je podstatne dlhšia ako adsorpčná doba. Obr. 2 ukazuje, že po adsorpčnom kroku je adsorpčné lôžko 1 podrobené štyrom vyrovnávacím krokom, v ktorých sa uskutočňuje súprúdové zníženie tlaku. Počas prvého vyrovnávacieho kroku je adsorpčné lôžko jeden súprúdovým spôsobom spojené s adsorpčným lôžkom šesť. Počas nasledujúceho vyrovnávacieho kroku je adsorpčné lôžko 1 spojené s adsorpčným lôžkom 7. Počas tretieho vyrovnávacieho kroku je adsorpčné lôžko 1 spojené s adsorpčným lôžkom 8 a počas posledného alebo aj štvrtého vyrovnávacieho kroku je adsorpčné lôžko spojené s adsorpčným lôžkom 9. Adsorpčné lôžko 1 sa následne podrobí kroku, pri ktorom poskytuje premývací plyn a počas ktorého sa súprúdovým spôsobom zníži tlak v tomto lôžku a premývací plyn sa z tohto lôžka počas prvej periódy kroku poskytovania premývacieho plynu odvádza do adsorpčných lôžok 10, 11, 12, 13 a 14. V tom istom okamihu prebieha súprúdové zníženie tlaku aj v adsorpčnom lôžku 16, ktoré tiež dodáva premývací plyn do adsorpčného lôžka 10, 11, 12, 13 a 14. V nasledujúcej perióde kroku poskytovania premývacieho plynu je premývací plyn dodávaný do adsorpčného lôžka 11, 12, 13, 14 a 15, kde je dodávaný aj v záverečnej perióde tohto kroku. V tom istom okamihu dochádza v adsorpčnom lôžku 2 na súprúdové zníženie tlaku a toto adsorpčné lôžko 2 poskytuje premývací plyn rovnakým adsorpčným lôžkam, t. j. 11, 12, 13, 14 a 15. Po kroku, pri ktorom lôžko poskytuje premývací plyn, nasleduje proti prúdové vypúšťanie. Pri proti prúdovom vypúšťaní sa proti prúdovým spôsobom zníži tlak adsorpčného lôžka a uvoľní sa prúd odpadového plynu. Prvé adsorpčné lôžko sa následne proti prúdovým spôsobom prepláchne premývacím plynom, ktorý je privádzaný z adsorpčného lôžka 3, následne adsorpčných lôžok 3 a 4, z adsorpčného lôžka 4, následne adsorpčných lôžok 4 a 5, z adsorpčného lôžka 5, následne adsorpčných lôžok 5 a 6, z adsorpčného lôžka 6, následne adsorpčných lôžok 6 a 7, z adsorpčného lôžka 7 a na záver z adsorpčných lôžok 7 a 8. Počas počiatočnej fázy protiprúdového premývania adsorpčného lôžka 1 je adsorpčné lôžko 2 podrobené proti prúdovému vyprázdňovaniu a uvoľňovaniu prúdu odpadového plynu. Adsorpčné lôžko 3 je v režime súprúdového poskytovania premývacieho plynu, a adsorpčné lôžko 4 je vo štvrtom súprúdovom vyrovnávacom kroku rovnako ako adsorpčné lôžko 12, adsorpčné lôžko 5 je rovnako ako adsorpčné lôžko 11 v druhom súprúdovom vyrovnávacom kroku, adsorpčné lôžka 6, 7, 8 a 9 sú podrobované adsorpčnému kroku, v adsorpčnom lôžku 10 sa uskutočňuje finálne opakované natlakovanie a adsorpčné lôžka 13, 14, 15 a 16 sú podrobované protiprúdovému premývaniu. Pri tomto režime je premývací plyn jedného alebo viacerých adsorpčných lôžok dodávaný do aspoň dvoch ďalších lôžok, kde premývanie prebieha. Na konci posledného vyrovnávacieho kroku sa adsorpčné lôžko 1 opäť natlakuje na adsorpčný tlak. Opakované natlakovanie môžeme realizovať tak, že sa do tohto lôžka opäť zavedie východisková surovina alebo protiprúdovým spôsobom časť získaného produktu. Pre adsorpčnú zónu 16 so 16 adsorpčnými lôžkami, ktorá pracuje v režime jednej prevádzkovej linky a striedavého tlaku je výhodné, pokiaľ cyklus zahŕňa aspoň 4 adsorpčné kroky, aspoň 5 premývacích krokov a pokiaľ čas trvania premývacieho kroku predstavuje 1,25-násobok doby trvania adsorpčného kroku. Pokiaľ časť premývacieho plynu poskytuje adsorpčné lôžko, v ktorom dochádza ku konečnému súbežnému zníženiu tlaku, potom čas trvania kroku, v ktorom je poskytovaný premývací plyn predstavu je 1,15-násobok až 0,4-násobok čas premývacieho kroku.

Obr. 3 znázorňuje prevádzkový cyklus alternatívneho uskutočnenia absorpčného zariadenia so 16 lôžkami podľa vynálezu. Toto uskutočnenie má 4 adsorpčné kroky a 6 premývacích krokov. Pri tomto uskutočnení sa časť súprúdového poskytovania premývacieho plynu uskutočňuje súbežne s posledným súprúdovým vyrovnaním a časť sa uskutočňuje oddelene. Premývací prúd je vedený z jedného adsorpčného lôžka do 6 adsorpčných lôžok súčasne.

Nasledujúce príklady majú len ilustratívny charakter a nijako neobmedzujú rozsah vynálezu, ktorý je jednoznačne vymedzený priloženými patentovými nárokmi.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Tabuľka 1 ilustruje konvenčný PSA cyklus podľa US-A-3,986,849 (Fuderer a kol.) pre cyklus majúci 12 adsorpčných lôžok. Pri tomto konvenčnom cykle sú doba adsorpčného kroku a doba kroku, v ktorom sa znižuje tlak, rovnaké, pričom obidve predstavujú približne 1/3 celkovej doby cyklu. Prijímanie premývacieho plynu predstavuje 13 % cyklu a znižovanie tlaku predstavuje približne 21 % celkového cyklu. Tabuľka 1 uvádza podobné rozvrhnutie na konvenčný cyklus so 16 adsorpčnými lôžkami. Adsorpčný čas v tomto prípade predstavuje približne 37,5 % cyklu, znižovanie tlaku približne 31,3 % celkového cyklu, prijímanie premývacieho plynu približne 15,6 % cyklu a zníženie tlaku približne 15,6 % cyklu. Pri vysokej rýchlosti zavádzania východiskovej suroviny dosiahne objem adsorpčného lôžka maximálnu praktickú veľkosť a potom je nevyhnutné skrátiť čas adsorpcie a zodpovedajúcim spôsobom aj celkový čas cyklu. To má žiaduce účinky na redukciu adsorbenta, ale nežiaduce účinky na dobu prijímania premývajúceho plynu. Skrátenie doby prijímania premývajúceho plynu významne redukuje izoláciu neadsorbovaného produktu a zvyšuje relatívny objem adsorbenta, ktorý je potrebný na spracovanie určitého objemu východiskovej suroviny. Očakávané zvýšenie produkčnej kapacity teda nedosiahneme, ale naopak dosiahneme dvojnásobné zhoršenie. Izolácia neadsorbovaného produktu sa zníži a relatívny objem adsorbenta potrebný na spracovanie určitého objemu suroviny sa zvýši.

SK 286512 Β6

Tabuľka 1
Distribúcia PSA prevádzkových krokov, %
Prevádzkový krok	cyklus 12 lôžok	cyklus 16 lôžok
Adsorpcia	33,0	37,5
Zníženie tlaku	33,0	31,3
Príjem premývacieho plynu	13,0	15,6
Opakované natlakovanie	21,0	15,6
Celkový cyklus	100,0	100,0

Príklad 2

Tabuľka 2 ilustruje PSA cyklus podľa vynálezu so 16 lôžkami, ktorý je znázornený na obr. 2. Čas prijímania premývacieho plynu sa zvýšil a krok poskytovania prijímacieho plynu sa robil nezávislým od kroku prijímania premývacieho plynu. Adsorpčný krok v tomto prípade predstavuje približne 25 % celkového cyklu, kroky znižovania tlaku predstavujú približne 28,1 % celkového cyklu, kroky prijímania premývacieho plynu predstavujú približne 31,3 % celkového cyklu a na kroky opakovaného natlakovania zostáva 15,6 % z cyklu. Napriek tomu, že dôjde k maximálne 0,1 % zníženiu izolácie neadsorbovaného produktu, nedôjde k žiadnemu zvýšeniu pokiaľ ide o požiadavky na relatívny objem adsorbenta vztiahnutý na objem zavádzanej suroviny a zníženie celkovej doby cyklu sa premietne do celkového zvýšenia kapacity. Ďalšou výhodou tohto typu cyklu je, že v režime proti prúdového znižovania tlaku a v premývacom režime sa súčasne nachádza viacej adsorbentov, počas krokov, v ktorých dochádza k znižovaniu tlaku a k premývaniu, je vypúšťaný plyn a tým znižovaný tlak a zloženie prúdu opúšťajúceho adsorbent sa v závislosti od času mení. Toto usporiadanie poskytuje omnoho lepšie premiesenie plynu pri ich zavedením do zmiešavacieho bubna (alebo do odlučovača). To podstatným spôsobom znižuje objem potrebný na miešanie a teda cenu bubna a poskytuje omnoho lepšiu kontrolu nízkotlakového plynu.

Tabuľka 2
Distribúcia nových PSA prevádzkových krokov, %
Prevádzkový krok	cyklus 16 lôžok
Adsorpcia	25,0
Zníženie tlaku	28,1
Príjem premývacieho plynu	31,3
Opakované natlakovanie	15,6
Celkový cyklus	100,0

Príklad 3

Na hodnotenie vplyvu relatívnej zmeny dôb premývania a adsorpčnej doby pri PSA cykloch sa použilo poloprevádzkové zariadenie. Toto zariadenie pozostávalo z jedinej adsorpčnej komory obsahujúcej približne 340 cm³ adsorbenta a pomocných nádob, ventilov a spájacích potrubí potrebných na simuláciu PSA cyklov využívajúcich viac lôžok. Vstupná surovina obsahovala približne 72,5 % mol. vodíka, 0,67 % mol. dusíka, 2,04 % mol. oxidu uhoľnatého, 5,57 % mol. metánu a približne 19,2 % mol. oxidu uhličitého. Na získanie produktu tvoreného v podstate vodíkom a obsahujúceho menej ako približne 1 mg/I oxidu uhoľnatého a približne 1 mg/1 metánu sa použil adsorbent obsahujúci aktívny uhlík a zeolitové molekulové sito. Komora pracovala v cyklickom slede adsorpcie a desorpcie pri prevádzkovom tlakovom rozmedzí približne 2200 kPa až približne 16 kPa. Premývací tlak dosahoval približne 160 kPa, posledný vyrovnávací tlak bol približne 614 kPa a tlak pri poskytovaní premývacieho plynu bol približne 255 kPa. Adsorpčné lôžko sa opäť natlakovalo plynným produktom pri tlaku produktu približne 2140 kPa. Teplota zavádzanej suroviny sa udržiavala na teplote okolia, ktorej priemer bol približne 21 °C. Teplota adsorpčnej komory bola v podstate rovnaká ako teplota zavádzanej suroviny a počas adsorpčnej doby sa odchyľovala maximálne o 6 °C. Čas PSA testovaného cyklu zahŕňal adsorpčnú dobu, ktorá sa pohybovala približne od 90 s do 180 s. Vyrovnávacia doba a doba vypúšťania adsorpčného lôžka dosahovali približne 30 s a poskytovanie premývacieho plynu trvalo približne 60 s. Hodnoty' výkonu v zmysle izolovaného vodíka a kapacity v zmysle objem suroviny na cyklus sú zhrnuté v tabuľke 3.

Tabuľka 3
PSA výkon
Adsorpčný čas, s	180	180	90
Premývací čas, s	90	45	90
H2 izolácia, %	87,4	85,9	87,2
Kapacita	100	91	100

Výsledky jasne ukazujú, že skrátenie doby trvania adsorpčného kroku na polovicu (zo 180 s na 90 s) vedie približne k 0,2 % zmene izolovaného vodíka, zatiaľ čo zmena doby trvania premývacieho kroku v podobnom pomere (z 90 s na 45 s) vedie na približne k 1,5 % zmene izolácie vodíka. Vplyv skrátenia doby premývacieho kroku je teda 8x až lOx významnejší ako skrátenie doby trvania adsorpčného kroku. Pri PSA spôsobe má celková doba cyklu priamy vplyv na nákladnosť vybavenia. Čím kratšia je celková doba cyklu, tým nižšie sú náklady. Ako potvrdzujú uvedené výsledky, celkovú dobu cyklu môžeme skrátiť pri minimálnom ovplyvnení celkovej izolácie produktu relatívnym predĺžením doby trvania premývacieho kroku oproti dobe trvania adsorpčného kroku.

Príklad 4

Na hodnotenie vplyvu skrátenia doby trvania adsorpčného kroku oproti dobe trvania kroku, v ktorom je poskytovaný premývací prúd, na izoláciu produktu a celkovú dobu cyklu sa použilo rovnaké poloprevádzkové zariadenie ako v príklade 3. Tabuľka 4 zhŕňa výsledky pre vodíkovú surovinu obsahujúcu približne 99 % mol. vodíka a 1 % mol oxidu uhoľnatého. Adsorbentom použitým na separáciu bolo molekulové sito typu 5 A a adsorpcia sa uskutočňovala pri teplote približne 21,1 °C. PSA spôsob zahŕňal 3 vyrovnávacie kroky.

Tabuľka 4
PSA výkon
Čas adsorpcie, s	180	60
Čas premývania, s	90	90
H2 izolácia, %	89,4	89,2
Kapacita	100	96

Prvý stĺpec v tabuľke 4 ukazuje izoláciu vodíka pri 180 s dobe trvania adsorpčného kroku pri konvenčnom PSA cykle s 12 minútovou celkovou dobou cyklu, pričom pomer doby trvania premývacieho cyklu k dobe trvania adsorpčného cyklu bol približne 0,5. V druhom stĺpci sú výsledky pre cyklus podľa vynálezu, pričom z výsledku vyplýva, že pomer doby trvania premývacieho kroku k dobe trvania adsorpčného kroku sa zvýšil približne na 1,5 a celková doba cyklu sa znížila na 10 min. Výsledky príkladu 4 ukazujú, že 20 % skrátenie doby cyklu skrátením doby trvania adsorpčného kroku oproti dobe trvania premývacieho kroku len nepatrne zníži izoláciu vodíka.

Claims (8)

1. Spôsob separácie neadsorbovateľného plynu z plynnej zmesi, ktorá obsahuje neadsorbovateľný plyn a adsorbovateľný plyn, v jednolinkovej adsorpčnej zóne so striedavým tlakom, vyznačujúci sa t ý m , že zahŕňa vedenie plynnej zmesi do jednolinkovej adsorpčnej zóny so striedavým tlakom a odvádzanie prúdu plynného produktu, ktorý obsahuje neadsorbovateľný plyn, a prúdu odpadového plynu, ktorý obsahuje adsorbovateľný plyn, pričom jednolinková adsorpčná zóna so striedavým tlakom má množinu adsorpčných lôžok a každé adsorpčné lôžko podstupuje adsorpčný krok, aspoň 2 súprúdové vyrovnávacie kroky vrátane finálneho súprúdového vyrovnávacieho kroku, krok poskytovania premývacieho plynu, krok proti prúdového vypúšťania, premývací krok, aspoň 3 protiprúdové vyrovnávacie kroky vrátane finálneho proti prúdového vyrovnávacieho kroku a krok, v ktorom sa uskutoční opakované natlakovanie, pričom všetky tieto kroky prebiehajú sekvenčným spôsobom a sú časovo odsadené tak, že adsorpčný krok prebieha počas doby trvania adsorpčného kroku, krok poskytovania premývacieho plynu prebieha počas doby trvania kroku poskytovania premývacieho plynu a premývací krok prebieha počas doby trvania premývacieho kroku, pričom doba trvania premývacieho kroku je dlhšia ako doba trvania adsorpčného kroku a počas premývacieho kroku adsorpčné lôžko, v ktorom prebieha premývací krok, prijíma premývací plyn z jedného alebo viacerých adsorpčných lôžok, v ktorých prebieha krok poskytovania premývacieho plynu a uvedené ostatné adsorpčné lôžka súčasne poskytujú premývací plyn adsorpčnému lôžku, v ktorom prebieha premývací krok, a počet adsorpčných lôžok, v ktorých prebieha adsorpčný krok, je v ľubovoľnom časovom okamihu nižší ako počet adsorpčných lôžok, v ktorých prebieha premývací krok.

2. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že pomer doby trvania premývacieho kroku k dobe trvania adsorpčného kroku je vyšší ako 1,0 a nižší ako 2,0.

3. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že plynná zmes sa zavádza do jednolinkovej adsorpčnej zóny so striedavým tlakom rýchlosťou vyššou ako 110 000 m³/h.

4. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že jednolinková adsorpčná zóna so striedavým tlakom obsahuje 10 až 20 adsorpčných lôžok.

SK 286512 Β6

5. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že adsorpčná zóna so striedavým tlakom obsahuje jednu linku 16 adsorpčných lôžok a spôsob zahŕňa aspoň 4 adsorpčné kroky, aspoň 5 premývacích krokov a doba trvania premývacieho kroku je l,25x dlhšia ako doba trvania adsorpčného kroku.

6. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že časť premývacieho plynu je dodávaná 5 adsorpčným lôžkom, v ktorom prebieha finálne súprúdové zníženie tlaku.

7. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa t ý m, že krok poskytovania premývacieho plynu prebieha počas doby trvania kroku poskytovania premývacieho plynu a táto doba trvania kroku poskytovania premývacieho plynu je kratšia ako doba trvania premývacieho plynu a predstavuje približne 0,15-násobok až 0,4-násobok doby trvania premývacieho kroku.

10 8. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že neadsorbovateľná zložka zahŕňa vodík a adsorbovateľná zložka sa zvolí zo skupiny pozostávajúcej z uhľovodíkov, oxidu uhličitého, oxidu uhoľnatého, dusíka a ich zmesí, alebo neadsorbovateľná zložka zahŕňa metán a adsorbovateľná zložka sa zvolí zo skupiny pozostávajúcej z oxidu uhličitého, uhľovodíkov s viacej ako 1 atómom uhlíka, oxidov síry, sírovodíka a ich zmesí.