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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft.
Die adsorptive Gewinnung einer Komponente eines Gasgemisches mit Hilfe der Druckwech-
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selektiv adsorbiert und somit abgetrennt wird, wodurch die nicht adsorbierte Komponente in mehr oder weniger reiner Form gewonnen werden kann. Durch Drucksenkung kann die adsorbierte Komponente vom Adsorptionsmittel wieder desorbiert werden, wodurch das Adsorbtionsmittel wieder regeneriert wird. Die Druckwechseladsorption nützt somit die Tatsache aus, dass verschiedene Gaskomponenten in Abhängigkeit vom jeweiligen Partialdruck verschieden stark adsorbiert werden.
Es ist weiters bekannt, die PSA-Technik zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft anzuwenden.
Dabei wird Luft unter Druck durch eine als Säule ausgebildeten Adsorber geleitet, der mit einem Zeolith gefüllten ist. Beim Durchleiten der Luft wird der Stickstoff vom Zeolith adsorbiert, und der verbleibende Sauerstoff tritt aus der Adsorptionssäule aus.
Die Regenerierung des Adsorptionsmittels erfolgt im PSA-Verfahren einfach dadurch, dass das Rohr drucklos gemacht wird, wodurch der adsorbierte Stickstoff vom Zeolith abgegeben wird. Die Regenerierung des Adsorptionsmittels kann noch dadurch verbessert werden, dass das Adsorptionsrohr unter Vakuum gesetzt wird, wodurch der Stickstoff vom Adsorptionsmittel noch besser entfernt werden kann ("Vakuum Swing Adsorption", VSA). Der Stickstoff fällt allerdings beim bekannten Verfahren nicht in reiner Form sondern als Gasgemisch mit relativ hohem Anteil an Sauerstoff an.
Üblicherweise wird eine derartige Vorrichtung mit 2 oder 3 solcher Adsorptionssäulen betrieben, wodurch eine gleichmässigere Sauerstofflieferung erreicht wird. Die bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren weisen den Nachteil auf, dass sie nur die Gewinnung von Sauerstoff ermöglichen.
Es ist nicht möglich, mit den bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren sowohl Sauerstoff als auch sehr reinen Stickstoff zu gewinnen.
In der EP-A - 0 193 716 ist ein Verfahren zur Auftrennung von Methan und Kohlendioxid aus einem Gasgemisch beschrieben, wobei das Gasgemisch durch ein Adsorptionsbett für CO2 geführt, wodurch Methan gewonnen wird. Danach wird der Adsorptionsbetrieb unterbrochen und das Adsorptionsbett mit CO2 gespült, um jegliches, noch im Adsorptionsbett befindliches Methan aus dem Bett herauszuspülen. Das dabei erhaltene Mischgas wird rückgeführt und wieder als Ausgangsmaterial eingesetzt.
Aus der US-A-4, 013, 429 ist ein Verfahren zur Fraktionierung von Luft bekannt, bei dem die Umgebungsluft zunächst zur Entfernung von Kohlendioxid und Feuchtigkeit durch ein Vorbehandlungsbett geführt wird. Die gereinigte Luft wird dann durch einen von zwei alternierend schaltbaren Adsorbern zur Adsorption von Stickstoff geführt und sauerstoffreiches Gas gewonnen. Stickstoff wird gewonnen, indem der Adsorber in Gegenrichtung abgesaugt wird.
Die US-A - 4, 264, 340 betrifft eIn Verfahren zur Fraktionierung von Luft mittels VSA, wobei das nach der Gewinnung von sauerstoffreichem Gas durch Spülung der Adsorptionssäule erhaltene Mischgas teilweise als Ausgangsmaterial rückgeführt und teilweise zur Regeneration des zur Trocknung des mittels Evakuierung der Säule gewonnen Stickstoffs verwendeten Trocknungsmittels verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen, reinen Stickstoff und Sauerstoff praktisch gleichzeitig aus Luft zu gewinnen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur gleichzeitigen Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft ist durch die Kombination folgender Massnahmen gekennzeichnet : (a) Luft wird unter Druck durch einen ersten Adsorber geführt, der ein Adsorptionsmittel für
Stickstoff enthält, wodurch Stickstoff adsorbiert und Sauerstoff gewonnen wird, worauf (b) der erste Adsorber mit Stickstoff gespült und das aus dem ersten Adsorber austretende,
Stickstoff-hältige Spülgas durch einen zweiten, ein weiteres Adsorptionsmittel für Stick- stoff enthaltenden Adsorber geführt wird, wobei weiterer Sauerstoff gewonnen wird, worauf (c) der im ersten Adsorber adsorbierte Stickstoff durch
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Druckverminderung freigesetzt wird, wodurch Stickstoff gewonnen und das im ersten
Adsorber enthaltene Adsorptionsmittel regeneriert wird, und (d)
der erste Adsorber mit Sauerstoff unter Druck gesetzt wird, um restlichen Stickstoff, der nach Regenerierung des Adsorptionsmittels im ersten Adsorber verblieben ist, zu adsor- bieren, worauf (e) Schritt (a) wiederholt wird.
Als Adsorptionsmittel werden zweckmässigerweise Zeolithe oder ähnlich wirkende Adsorptionsmassen verwendet. Beim erfindungsgemässen Verfahren wird nicht nur Stickstoff effizient abgetrennt, sondern auch in sehr reiner Form gewonnen. Geringe Reste von anderen Komponenten des Gasgemisches, z. B. Sauerstoff, können z. B. durch eine katalytische Nachreinigung entfernt werden, sodass sich mit dem erfindungsgemässen Verfahren ein sehr reiner Stickstoff gewinnen lässt, der sich z. B. sehr gut als Schutzgas eignet.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch : einen Adsorber, der ein Adsorptionsmittel für Stickstoff enthält, je einen Windkessel für das Gasgemisch bzw. für Stickstoff, welche Windkessel mit dem Adsorber leitungsmässig verbunden sind, welcher Stickstoff-Windkessel noch zusätzlich über ein Mittel zum Absaugen von Stickstoff mit dem Adsorber verbunden ist, in den Leitungen vorgesehene Ventile zum Steuern von Gasströmen und ein Druckhaltemittel, und mindestens einen zweiten Adsorber, der so geschaltet ist, dass er alternierend zum ersten Adsorber betrieben werden kann.
An Hand der Figuren 1 und 2 werden zwei bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung noch näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung, welche zwei Adsorber enthält. Die Arbeitsweise wird im folgenden detailliert erläutert. Die dargestellte Anlage umfasst zwei Adsorber und)), einen Windkessel A für das aufzutrennende Oz/N-Gemsch (z. B. Luft), einen Windkessel B für Stickstoff, einen Windkessel C für Sauerstoff, einen Kompressor K1 für Luft, einen Kompressor K2 für Stickstoff, Ventile 1-13 zur Steuerung der Gasströme und Rohrleitungen, die die einzelnen Anlagenteile miteinander verbinden. Sofern im folgenden nicht einzelne Ventile ausdrücklich als geöffnet beschrieben werden, sind sie als geschlossen anzusehen.
Die Rohrleitungen sind schematisch als ausgezogene Linien mit Pfeilen dargestellt, die die Richtung der jeweiligen Gasströme anzeigen. Die Bezugsziffern 15 und 16 bezeichnen Rückschlagventile, 17,18 und 19 Druckregler und 20 und 21 Druckhalteventile. Die Einspeisung der Luft ist mit 02/N2. die Abgaben für Sauerstoff mit O2 und für Stickstoff mit N2 dargestellt.
Es wird im folgenden davon ausgegangen, dass sich in jedem Windkessel (A, B und C) das jeweilige Gas (Luft, Stickstoff bzw. Sauerstoff) unter Druck befindet.
Zu Beginn wird Luft vom Kompressor K1 angesaugt und über den Windkessel A für Luft und das geöffnete Ventil 1 in den Adsorber) gedrückt. Der Adsorber) ist, ebenso wie der Adsorber 11, als Säule ausgeführt, die mit Adsorptionsmittel für Stickstoff gefüllt ist. Da ausser Ventil 1 alle übri- gen Ventile geschlossen sind, wird im Adsorber) ein Betriebsdruck aufgebaut. Der Betriebsdruck hangt im wesentlichen von dem verwendeten Adsorptionsmittel ab. Er soll so eingestellt werden, dass der Stickstoff optimal adsorbiert wird. Wird beispielsweise als Adsorptionsmittel ein Zeolith (z. B. Baylith WE-G 652 ; Hersteller : Bayer AG) verwendet, so ist ein Druck von etwa 3-5 bar zweckmässig.
Nach Erreichen des Betriebsdruckes wird Ventil 8 geöffnet, wodurch das Gasgemisch durch den Adsorber) gedrückt wird, wobei der Stickstoff adsorbiert wird und Sauerstoff den Adsorber) in Richtung Ventil 8 verlässt. Entscheidend ist, dass der Betriebsdruck dabei nicht absinkt. Aus diesem Grund ist in der Leitung zwischen Adsorber) und Ventil 8 das Druckhalteventil 20 vorgesehen. Der gewonnene Sauerstoff wird im Windkessel C gesammelt und kann bei Bedarf nach aussen abgeführt werden.
Wenn das Adsorptionsmittel im Adsorber t mit Stickstoff gesättigt ist, befindet sich im Adsorber I neben dem adsorbierten Stickstoff auch noch ein Gasgemisch mit einem hohen Gehalt an Sauerstoff. Um Stickstoff in reiner Form zu erhalten, muss vor der Regenerierung des Adsorptionsmitteis (= Entfernung des Stickstoffs) dieses sauerstoffhältige Gasgemisch aus dem Adsorber) entfernt werden. Dies erfolgt dadurch, dass die Ventile 1 und 8 geschlossen werden und mit dem Kompressor K2 Stickstoff aus dem Stickstoff-Windkessel B über die geöffneten Ventile 14 und 2 in den Adsorber I gefördert wird.
Gleichzeitig werden die Ventile 7 und 9 geöffnet, sodass das im Adsorber
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I befindliche 02/N2 -Gemisch von dem aus dem Stickstoff-Windkessel B nachströmenden Stickstoff verdrängt wird.
Das aus dem Adsorber I auszuspülende Gasgemisch gelangt in den Adsorber 11, der ebenfalls mit einem Adsorptionsmittel für Stickstoff gefüllt ist. Da das Ventil 9 geöffnet ist, strömt das Gasgemisch durch den Adsorber 11, wobei Stickstoff adsorbiert wird und der verbleibende Sauerstoff in den Sauerstoff-Windkessel C gedrückt wird. Diese"Spüiung"ermöglicht somit, dass es zu keinen Verlusten von Sauerstoff und Stickstoff kommt Sie muss aber bei vollem Betriebsdruck des Adsorbers I erfolgen, da andernfalls bei einer Herabsetzung des Druckes bereits Stickstoff aus der Adsorptionsmasse frei werden kann, was unbedingt vermieden werden muss. Zur Aufrechterhaltung des Druckes ist das Druckhalteventil21 vorgesehen.
Nach der Spülung befindet sich im Adsorber i praktisch reiner Stickstoff in adsorbierter Form und in Gasform. Zur Gewinnung dieses Stickstoffs aus Adsorber) werden nun die Ventile 14,2 und 7 wieder geschlossen, die Ventile 6 und 13 geöffnet und der Adsorber) wird an die Saugseite des Kompressors K2 geschaltet. Ventil 9 bleibt geöffnet. Als Kompressor kann für diesen Zweck z. B. eine Wasserringpumpe verwendet werden, die in der Lage ist, auch einen Unterdruck in dem zu regenerierenden Adsorber zu erzeugen Allerdings muss bei Verwendung einer Wassernngpumpe damit gerechnet werden, dass der Stickstoff Feuchtigkeit aufnimmt, und aus diesem Grund muss ein Trockner T nachgeschaltet werden. Der Trockner T kann ein konventioneller Gastrockner sein.
Der Kompressor K2 fördert den reinen Stickstoff somit aus dem Adsorber) in den Stickstoff-Windkessel B.
Während Stickstoff aus dem Adsorber I abgezogen wird, wird Luft aus dem Luft-Windkessel A über das geöffnete Ventil 3 in den Adsorber 11 gedrückt, strömt unter Abtrennung des Stickstoffs durch den Adsorber 11, da Ventil 9 geöffnet ist, der verbleibende Sauerstoff verlässt den Adsorber 11 in Richtung Ventil 9 und wird schliesslich in den Sauerstoff-Windkessel C gedrückt. Das Druckhalteventil 21 sorgt dafür, dass der Betriebsdruck im Adsorber 11 aufrechterhalten wird.
Nach Abzug des Stickstoffs aus dem Adsorber) und der damit verbundenen Regenerierung
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wieder für die Sauerstoffgewinnung genutzt, ist es vorher erforderlich, den Adsorber I wieder unter Betriebsdruck zu setzen, was durch Einleiten von Sauerstoff aus dem Sauerstoff-Windkessel C bel geöffnetem Ventil 5 und geschlossenem Ventil 6 erfolgt. Unter Betriebsdruck wird dann der Stickstoff, der sich noch im Adsorber I befindet, vom Adsorptionsmittel wieder adsorbiert, worauf Ventil 5 geschlossen wird.
Nähert sich der Adsorber 11 seiner Sättigungsgrenze, so werden die Ventile 3 und 9 geschlossen und die Ventile 14,4, 10 und 8 geöffnet. In diesem Zustand der erfindungsgemässen Vorrichtung fördert der Kompressor K2 Stickstoff aus dem Stickstoff-Windkessel B über das geöffnete Ventil 4 in den Adsorber il, wo der Stickstoff das 02/N2 -Gemisch über das Ventil 10 in den frisch regenerierten Adsorber I verdrängt. Dort wird der Stickstoff aus dem Gemisch entfernt, und der verbleibende Sauerstoff gelangt über das geöffnete Ventil 8 in den Sauerstoff-Windkessel C.
Befindet sich in der Folge im Adsorber 11 kein Sauerstoff mehr, da dieser vollständig in den Adsorber I verdrängt wurde, werden die Ventile 4,10 und 14 geschlossen und die Ventile 11 und 13 geöffnet, wodurch aus dem Adsorber 11 Stickstoff vom Kompressor K2 abgesaugt und in den Stickstoff-Windkessel B gefördert wird. In diesem Arbeitsgang wird somit das Adsorptionsmittel im Adsorber 11 regeneriert. Zur gleichen Zeit wird das Ventil 1 geöffnet, sodass Luft In den Adsorber i nachströmen kann, der nun wieder Sauerstoff über das geöffnete Ventil 8 in den Sauerstoff-Windkessel C abgibt.
Ist das Adsorptionsmittel im Adsorber 11 regeneriert, werden die Ventile 11 und 13 geschlossen und das Ventil 12 geöffnet, um den Adsorber 11 mit Sauerstoff wieder auf Betriebsdruck zu bringen und den Reststickstoff wieder an das Adsorptionsmittel zu binden. Ist dieser Zustand erreicht, wird das Ventil 12 wieder geschlossen. Nähert sich das Adsorptionsmittel im Adsorber) seinem Sättigungszustand, werden die Ventile 1 und 8 geschlossen und mit dem Kompressor K2 wird wieder Stickstoff aus dem Stickstoff-Windkesset B über die geöffneten Ventile 14 und 2 in den Adsorber I gefördert.
Gleichzeitig werden die Ventil 7 und 9 geöffnet, sodass das im Adsorber) befindliche Sauerstoff-hältige Gemisch von dem aus dem Stickstoff-Windkessel B nachströmenden Stickstoff in den Adsorber)) verdrängt wird, wo er vom frisch regenerierten Adsorptionsmittel adsorbiert wird.
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In der Folge gelangt Sauerstoff aus dem Adsorber 11 über das geöffnete Ventil 9 in den SauerstoffWindkessel C. Damit ist der Kreislauf geschlossen und kann von neuem beginnen.
Der Zeitpunkt, wann sich ein Adsorptionsvorgang der Sättigungsgrenze nähert, ist am Absinken der Produktreinheit deutlich erkennbar. Es ist somit zur Erzielung einer höheren Reinheit des erzeugten Sauerstoffes zweckmässig, den jeweiligen Arbeitstakt bereits früher abzubrechen. Im allgemeinen wird mit einer Taktzeit von etwa 60 Sekunden gearbeitet. Diese Zeit kann für die Adsorption des Stickstoffes verwendet werden. Längere Taktzeiten ergeben sich dadurch, dass der Luftstrom, der durch den Adsorber pro Zeiteinheit geleitet wird, verringert wird.
Wenn Luft in zu grosser Menge durch den Adsorber gedrückt wird, kommt es auch zu einem Durchtritt von Stickstoff, und die Reinheit des Sauerstoffs sinkt ab. Die Grösse der pro Zeiteinheit durchzuleitenden Luftmenge hängt sowohl vom verwendeten Adsorptionsmittel (Art und Menge) als auch vom geometrischen Aufbau des Adsorbers ab, da der geometrische Aufbau die Strömungsgeschwindigkeit im Adsorber bestimmt
Da Edelgas von den derzeit bekannten Adsorptionsmassen praktisch nicht adsorbiert werden, gelangen die Edelgas in den erzeugten Sauerstoff, was aber in den meisten Fällen den Verwendungszweck des Sauerstoffs nicht beschränkt.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird die eigentliche Regenerationsphase der Sauerstofferzeugung für die Stickstoffgewinnung verwendet, nachdem zuvor der Sauerstoff durch die Zugabe von Stickstoff in das Adsorptionsrohr verdrängt wurde. Dieses Verdrängen muss sorgfältig vorgenommen werden, wenn an die Reinheit des Stickstoffes hohe Ansprüche gestellt werden.
Reste von Sauerstoff, die sich noch beim Stickstoff befinden können, können durch eine katalytische Nachreinigung entfernt werden, so dass der Stickstoff in einer Reinheit gewonnen werden kann, die für eine Verwendung als Schutzgas optimal ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt Figur 2 mit drei mit einer Adsorptionsmasse für Stickstoff gefüllten Adsorbern, die ebenfalls unter Überdruck betrieben werden. Die mit Buchstaben benannten Anlagenteile haben die gleiche Funktion wie die gleichnamigen Anlagenteile in Fig. 1. Mit t,)) 11 und 111 sind drei Adsorber bezeichnet, die wie die in Fig. 1 beschriebenen Adsorber aufgebaut sind. Die Bezugsziffern 1-23 bezeichnen Ventile, 24,25 und 26 Druckhalteventile, 27 und 28 Rückschlagventile und 29,30 und 31 bezeichnen Druckregler. Die Pfeile in den mit ausgezogenen Linien schematisch dargestellten Rohrleitungen geben die Richtungen der Gasströme an.
Die einzelnen Arbeitsgänge sind im Prinzip analog den oben beschriebenen, sodass aus Gründen der Einfachheit auf eine detaillierte Beschreibung bei diesem Fall verzichtet wird.
Der Druck wird so eingestellt, dass sich eine optimale Adsorption des Stickstoffes ergibt.
Zunächst wird Luft über das Ventil 3 in das Adsorptionsrohr 1 gedrückt. Der Stickstoff wird adsorbiert, und der Sauerstoff verlässt den Adsorber über das Ventil 13 in Richtung Sauerstoff-Windkessel C. Am Ende der Taktzeit befindet sich im Adsorber) immer noch Gas mit einem Sauerstoffgehalt von über 80 Vol.-%. Dieses Gas wird mit Stickstoff aus dem Stickstoff-Windkessel B über die Ventile 10 und 1 in den Adsorber 11 (Ventile 14 und 5) gedrückt. Im Adsorber I befindet sich nun nahezu reiner Stickstoff. Bei der folgenden Regenerierung des Adsorbers I wird dieser Stickstoff gemeinsam mit dem durch die Druckherabsetzung aus der Adsorbtionsmasse freierdenden Stickstoff in den Stickstoff-Windkessel B gefördert Gleichzeitig wird Luft in den Adsorber 11 gedrückt.
Dieser Adsorber 11 liefert nun Sauerstoff in den Windkessel C. Der Adsorber 111 wird mit Sauerstoff aus dem Windkessel C auf Druck gebracht.
Am Ende der Taktzeit wird der Sauerstoff aus dem Adsorber 11 mit Stickstoff in den Adsorber 111 übergeführt, der nun Sauerstoff an den Windkessel C abgibt Nach erfolgter Spülung von Adsorber il mit Stickstoff wird der Adsorber 111 auf Betrieb mit Luft umgeschaltet, und dieser Adsorber 111 liefert nun den Sauerstoff. Aus dem Adsorber 11 wird der Stickstoff in den Windkessei B für Stickstoff abgesaugt, wodurch die Adsorptionsmasse regeneriert wird. Gleichzeitig wird der Adsorber) mit Sauerstoff aus dem Windkessel C auf Druck gebracht und für die neuerliche Verwendung bereitgestellt.
Am Ende der Taktzeit wird dann der Sauerstoff aus dem Adsorber 111 mit Stickstoff in den Adsorber i übergeführt, und anschliessend wird der Adsorber 111 durch Absaugen des Stickstoffes in den Windkessel B regeneriert und dann mit Sauerstoff auf Druck gebracht. Der Adsorber I wird wiederum auf Betrieb mit Luft umgeschaltet und liefert Sauerstoff. Damit ist der Zyklus geschlossen und die Vorrichtung in vollem Betrieb