DE19602450C1

DE19602450C1 - Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE19602450C1
Application number: DE19602450A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr Grahl; Paul Dr Leitgeb; Dieter Fersch
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1996-01-24
Filing date: 1996-01-24
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2016-01-25
Also published as: WO1997026981A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren zur Abtrennung wenigstens einer Komponente aus einem wenigstens aus zwei Komponenten be stehenden Rohgasgemisch, umfassend wenigstens die Verfahrensschritte Adsorption, Vakuumregenerierung und Druckaufbau, wobei diese Verfahrensschritte zyklisch ver setzt in wenigstens zwei, parallel geschalteten Adsorbern ablaufen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vakuumdruckwechseladsorptionsvorrichtung, umfas send wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Adsorber, wenigstens einen Vakuumpumpstand sowie Gasführungsleitungen zu, von, und zwischen den Adsorbern und dem Vakuumpumpstand.

Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren bzw. -vorrichtungen werden z. B. zur Ge winnung von Sauerstoff und/oder Stickstoff aus Luft oder zur Kohlendioxid-Abtrennung aus Kohlendioxid-haltigen, Wasserstoff und Kohlenmonoxid-reichen Synthesegasen verwendet. Derartige Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren weisen wenigstens zwei, parallel geschaltete Adsorber, die der Ab- bzw. Auftrennung eines wenigstens aus zwei Komponenten bestehenden Rohgasgemisches dienen, auf.

Unter dem Begriff "Adsorber" sei im folgenden ein, wenigstens eine Adsorptionsmittel schicht enthaltender Behälter zu verstehen. Die Wahl des bzw. der verwendeten Ad sorptionsmittel ist vom Verwendungszweck des jeweiligen Vakuumdruckwechselad sorptionsverfahrens abhängig.

Grundsätzlich beinhaltet ein derartiges Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren die Verfahrensschritte Adsorption, Vakuumregenerierung und Druckaufbau. Zudem können weitere Verfahrensschritte, wie z. B. Druckausgleichs- oder Spülschritte, eingebunden werden.

Bei derartigen Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren, die bestimmte Gaskompo nenten in definierten Reinheiten und Ausbeuten liefern, trachtet der Fachmann danach, den Energiebedarf so weit als möglich zu verringern. Insbesondere bei der Gewinnung von Sauerstoff und/oder Stickstoff aus Luft, wo ja das Rohgasgemisch Luft kostenlos zur Verfügung steht, werden die Betriebskosten einer Vakuumdruckwechseladsorp tionsanlage im wesentlichen von ihrem benötigten Energiebedarf bestimmt.

Um den Energiebedarf eines derartigen Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahrens zu senken, wurde bereits vorgeschlagen, vor dem Evakuieren eines Adsorbers einen Druckausgleich zwischen dem zu evakuierenden und einem bereits evakuierten Ad sorber durchzuführen. Ein derartiger Druckausgleich führt jedoch zu einer deutlichen Verringerung der Kapazität des Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahrens.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vakuumdruckwechseladsorptionsver fahren der eingangs genannten Art anzugeben, das, ohne daß es zu einer Kapazitäts verschlechterung kommt, eine bessere Energiebilanz als herkömmliche Vakuumdruck wechseladsorptionsverfahren aufweist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß

a) in der Endphase des Adsorptionstaktes eines ersten Adsorbers die Zuführung des Rohgasgemisches unterbrochen und
b) wenigstens ein Teil des aus dem im Adsorptionstakt befindlichen ersten Adsorber abgezogenen Produktgas(gemisch)es einem zweiten, bereits vorbespannten, Adsorber zum Zwecke des weiteren Druckaufbaus in diesem zweiten Adsorber solange zugeführt wird,bis in dem ersten Adsorber ein Druck zwischen 650 und 800 mbar eingestellt ist, und
c) sodann ein Evakuieren des ersten Adsorbers erfolgt.

Im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten, zum Stand der Technik zählenden Vaku umdruckwechseladsorptionsverfahren erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Vakuum druckwechseladsorptionsverfahren in der Endphase des Adsorptionstaktes eines ersten Adsorbers ein Druckausgleich mit einem zweiten, bereits bespannten Adsorber. Dieser Druckausgleich zwischen den zwei Adsorbern wird gemäß dem erfindungsge mäßen Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren solange fortgesetzt, bis in dem ersten Adsorber ein Druck zwischen 650 und 800 mbar, insbesondere zwischen 700 und 750 mbar, eingestellt bzw. erreicht ist. Erst dann wird mit dem Evakuieren des ersten Adsorbers begonnen. Der Unterdruckwert, der mittels des Druckausgleiches zwischen dem ersten und dem zweiten Adsorber erreicht wird, wird durch die Ausle gung des für die Evakuierung verwendeten Pumpstandes bestimmt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vakuumdruckwechseladsorp tionsverfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß

a) nach der Zuführung eines Teils des aus dem im Adsorptionstakt befindlichen ersten Adsorber abgezogenen Produktgas(gemisch)es in einen zweiten, bereits vorbespannten Adsorber zum Zwecke des weiteren Druckaufbaus, bei weiterhin unterbrochener Zuführung des Rohgas(gemisch)es in den ersten Adsorber, wenigstens ein Teil des aus dem ersten Adsorber abgezogenen Produktgas(gemisch)es, einem dritten, in einem Evakuierungstakt befindlichen Adsorber zum Zwecke des Spülens dieses dritten Adsorbers solange zugeführt wird, bis in dem ersten Adsorber ein Druck zwischen 650 und 800 mbar eingestellt ist, und
b) sodann ein Evakuieren des ersten Adsorbers erfolgt.

Den beiden genannten Verfahrensführungen ist gemein, daß der zweite Adsorber, dem ein Teilstrom des Produktgas(gemisch)es zum Zwecke des weiteren Druckausgleiches zugeführt wird, bereits (vor)bespannt ist. Diese Vorbespannung des Adsorbers wirkt sich insbesondere im Hinblick auf die Lebensdauer des Adsorptionsmittels, das gegenüber bekannten Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren mit Druckausgleichsschritten deutlich geringeren Druckstößen ausgesetzt ist, positiv aus.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vakuumdruckwechsel adsorptionsverfahrens erfolgt das Vorbespannen eines Adsorbers mittels des Produkt gas(gemisch)es.

Es hat sich gezeigt, daß eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren darin besteht, die Evakuierung mittels einer Kombination aus Wälzkolbengebläse und Turbopumpe zu realisieren.

Der mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung verbundene niedrige Startdruck des Evakuierungsschrittes führt dazu, daß der Einsatz einer Turbopumpe aufgrund der Tatsache, daß die Turbopumpe im Bereich günstiger Wirkungsgrade arbeiten kann, über den ganzen Druckbereich des Evakuierungsschrittes sinnvoll ist.

Hierbei können zu Beginn des Evakuierungsvorgangs Wälzkolbengebläse und Turbo pumpe parallel geschaltet sein und erst nach Erreichen eines Druckes von 400 bis 800 mbar, insbesondere von 500 bis 700 mbar, in Serie geschaltet werden.

In einer dazu alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vakuumdruck wechseladsorptionsverfahren, erfolgt das Evakuieren in der Weise, daß das Wälzkol bengebläse und die Turbopumpe in Serie geschaltet sind.

Im Prinzip lassen sich mit entsprechend aufwendigen Pumpständen nahezu beliebig niedrige Enddrücke während des Evakuierungstaktes erreichen. Energetisch sinnvoll sind jedoch Enddrücke zwischen 150 und 450 mbar, insbesondere zwischen 250 und 350 mbar.

Wie bereits eingangs erwähnt, betrifft die Erfindung ferner eine Vakuumdruckwechsel adsorptionsvorrichtung.

Zur Lösung des ebenfalls eingangs erwähnten Problems wird eine Vakuumdruck wechseladsorptionsvorrichtung der gattungsgemäßen Art vorgeschlagen, bei der der Vakuumpumpstand aus wenigstens einem Wälzkolbengebläse und wenigstens einer Turbopumpe besteht.

Es hat sich gezeigt, das eine Kombination aus Wälzkolbengebläse und Turbopumpe eine optimale Lösung darstellt. Diese Kombination ermöglicht die Bewältigung großer Volumenströme bei vergleichsweise geringem Energiebedarf.

Die erfindungsgemäße Vakuumdruckwechseladsorptionsvorrichtung weiterbildend wird vorgeschlagen, daß das Wälzkolbengebläse und die Turbopumpe so verschaltet werden, die die Realisierung sowohl einer parallelen als auch einer seriellen Verschal tung des Wälzkolbengebläses und der Turbopumpe zuläßt.

Das erfindungsgemäße Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren, die erfindungsge mäße Vakuumdruckwechseladsorptionsvorrichtung sowie weitere Ausgestaltungen da von, die Gegenstände abhängiger Patentansprüche sind, seien anhand der nachfol genden Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Vakuumdruckwechsel adsorptionsverfahren mit drei Adsorbern,

Fig. 2 Taktschema 1,

Fig. 3 Taktschema 2.

Hierbei bedeuten die in den Taktschemata der Fig. 2 und 3 verwendeten Abkür zungen:
A: Adsorption
E1: Druckabsenkung, bei gleichzeitigem Druckausgleich mit einem Adsorber, der sich im Bespannungs- bzw. Druckaufbautakt R1 befindet
PP: Druckabsenkung mit Spülgaslieferung an einen Adsorber, der sich im Evakuierungs- und Spültakt EVP befindet
EV: Evakuieren
EVP: Evakuieren mit gleichzeitigem (Gegenstrom)Spülen
R0: Vorbespannen mit Produktgas(gemisch)
R1: Bespannen über den Druckausgleich mit einem Adsorber, der sich im Drucksenkungstakt E1 befindet
RF: Bespannen mit Rohgasgemisch

Das erfindungsgemäße Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren sei zunächst an hand der beiden Fig. 1 und 2 beschrieben. Hierbei zeigt Fig. 1 drei parallel ange ordnete Adsorber A1 bis A3. Das Rohgasgemisch wird, gegebenenfalls nach einer Druckerhöhung im Verdichter V1, über die Leitung 1 sowie das entsprechend geöffnete Ventil 11, 21 oder 31 einem der drei Adsorber A1 bis A3 am Einlaßende zugeführt. Am Auslaßende der Adsorber A1 bis A3 wird bei geöffnetem Ventil 13, 23 oder 33 über Leitung 2 das Produktgas(gemisch) abgezogenen und gegebenenfalls im Verdichter 2 verdichtet. Die Evakuierung der Adsorber A1 bis A3 erfolgt, bei entsprechend geöff netem Ventil 14, 24 oder 34, über Leitung 3 und Vakuumpumpstand V3.

Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Vakuumdruckwechseladsorptions verfahrens sei nunmehr das in der Fig. 2 dargestellte Taktschema herangezogen. Hierbei bedeuten die innerhalb eines Taktes durchgezogenen Linien, daß das ent sprechende Ventil ganz geöffnet ist, während eine unterbrochene Linie für ein teilweise geöffnetes Ventil steht.

Bei geöffneten Ventilen 11 und 13 wird dem Adsorber A1 über Leitung 1 das Roh gas(gemisch) zugeführt. Die nicht am Adsorptionsmittel haftende Komponente bzw. haftenden Komponenten werden über Leitung 2 abgezogen. Das Ventil 23 des Adsor bers A2 ist bereits teilweise geöffnet, so daß der Adsorber A2 mittels eines Teilstromes des aus dem Adsorber über Leitung 2 ausströmenden Produktgas(gemisch)es von seinem Auslaßende her, also im Gegenstrom, vorbespannt wird. Zu Beginn des zweiten Taktes wird Ventil 11 geschlossen, so daß die Zufuhr des Rohgasgemisches in den Adsorber A1 unterbrochen wird. Da das Ventil 23 nunmehr vollständig geöffnet ist, strömt weiterhin ein Teilstrom dem Produktgas(gemisch)es aus der Leitung 2 in den Ad sorber A2 ein. In dem zuvor evakuierten Adsorber A2 kommt es dadurch zu einer Druckerhöhung, während der Druck im Adsorber A1 auf 650 bis 800 mbar, vorzugs weise 700 bis 750 mbar, fällt.

Sobald dieses gewünschte Druckniveau im Adsorber A1 erreicht bzw. eingestellt ist, wird das Ventil 13 geschlossen und Ventil 14 geöffnet. Nun erfolgt über Leitung 3 und Vakuumpumpstand V3 ein Evakuieren des Adsorbers A1. Nach Beendi gung des Evakuierungstaktes im Adsorber A1 wird Ventil 14 wieder geschlossen und Ventil 13 teilweise geöffnet. Nun kommt es zu einem Druckausgleich zwischen dem zuvor in der Adsorptionsphase befindlichen Adsorber A3, bei dem über das geöffnete Ventil 33 das Produktgas(gemisch) abströmt, und dem Adsorber A1, in den über das teilweise geöffnete Ventil 13 ein Teilstrom dieses Produktgas(gemisch)es strömt.

Das in der Fig. 3 dargestellte Taktschema zeigt bereits eine Ausgestaltung des erfin dungsgemäßen Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahrens. Hierbei durchläuft der Adsorber A1 zunächst, analog zu dem in der Fig. 2 dargestellten Taktschema 1, bei geöffneten Ventilen 11 und 13 seine Adsorptionsphase. Wiederum wird am Ende des Adsorptionstaktes das Ventil 11 geschlossen, so daß es durch den Druckausgleich zwischen dem Adsorber A1 und A2, dessen Ventil 23 nunmehr ganz geöffnet ist, zu einer Druckabsenkung im Adsorber A1 kommt. Während des dritten Taktes wird das Ventil 23 des Adsorbers A2 geschlossen und das Ventil 33 des Adsorbers A3 teilweise geöffnet. Der Adsorber A3 wird zu diesem Zeitpunkt bei geöffnetem Ventil 34, über Leitung 3 und Vakuumpumpstand V3 evakuiert. Der nunmehr über Leitung 33 in den Adsorber A3 einströmende Teilstrom des Produktgas(gemisch)es dient somit als Spül gas für den in der Evakuierungsphase befindlichen Adsorber A3.

Nach Beendigung dieses Spülgaslieferungstaktes werden die Ventile 11 und 13 des Adsorbers A1 geschlossen und Ventil 14 geöffnet. In den Takten 4 und 5 wird der Ad sorber A1 bei geöffnetem Ventil 14 über Leitung 3 und Vakuumpumpstand V3 eva kuiert. Im Takt 6 - der Adsorber A1 wird nach wie vor evakuiert - wird Ventil 13 teilweise geöffnet, so daß ein Teilstrom des aus dem Adsorber A2 über das geöffnete Ventil 23 austretenden Produktgas(gemisch)es in den Adsorber A1 als Spülgas strömen kann.

Nach Beendigung der Evakuierungstakte wird Ventil 14 geschlossen und über das teil weise geöffnete Ventil 13 strömt aus der Leitung 2 Produktgas(gemisch) zum Zwecke des Bespannens in den Adsorber A1. Im vorletzten Takt wird Ventil 13 zur Gänze ge öffnet, so daß es zu einer weiteren Druckerhöhung im Adsorber A1 durch den einströ menden Teilstrom des Produktgas(gemisch)es kommt. Nach dem Schließen des Ventils 13 und dem Öffnen des Ventils 11, erfolgt das Bespannen des Adsorbers A1 auf Adsorptionsdruck mit dem über Leitung 1 einströmenden Rohgas(gemisch).

In der Praxis liegen die Taktzeiten der im Taktschema 2 (Fig. 3) beschriebenen Takte in der Größenordnung von 15 bis 30 s für die Takte 1, 4 und 7, während die Taktzeiten für die Takte 2, 5 und 8 in der Größenordnung von 2 bis 5 s und die Taktzeiten für die Takte 3, 6 und 9 in der Größenordnung von 2 bis 10 s liegen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren in energetischer Hinsicht seien anhand der nachfolgenden Tabelle verdeutlicht. In dieser werden drei verschiedene 3-Adsorber-Druckwechseladsorptionsverfahren zur Sauer stoffgewinnung verglichen. Das Verfahren A ist ein Standardvakuumdruck-wechselad sorptionsverfahren, bei dem kein Druckausgleich vorgesehen ist und der Evaku ierungsstartdruck ca. 1 bar beträgt. Das Verfahren B beinhaltet einen konventionellen Druckausgleich zwischen dem zu entspannenden und dem bereits evakuierten, jedoch noch nicht (vor)bespannten Adsorber. Der Evakuierungsstartdruck beträgt hierbei 750 mbar. Das Verfahren C ist ein Verfahren, wie es im Taktschema 2 (Fig. 3) darge stellt ist. Der Evakuierungsstartdruck beträgt ebenfalls 750 mbar.

Die in der Tabelle angebenen Werte gelten für eine Produktkonzentration von 93% Sauerstoff bei Einsatz eines Wälzkolbengebläses. Es ist deutlich erkennbar, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren C dieselbe Produktmenge bei gleichem Energie bedarf wie mit dem Standardverfahren A erzielt werden kann.

Im Gegensatz zu dem Verfahren A führt das erfindungsgemäße Verfahren C aufgrund des niedrigen Desorptionsdrucks beim Einsatz einer Kombination aus Wälzkolbenge bläse und Turbopumpe zu einer Energieeinsparung von ca. 10%, so daß sich mit dem erfindungsgemäße Verfahren C ein spezifischer Energiebedarf von 0,34 kWh/Nm³O₂ erreichen läßt. Zwar ermöglicht auch das Verfahren B mit konventionellen Druck ausgleichen den energetisch günstigen Einsatz der Kombination aus Wälzkolbenge bläse und Turbopumpe, doch ist für dieses Verfahren des Energiebedarf von Haus aus zu hoch, als daß eine Verbesserung gegenüber dem Verfahren A erzielt werden könnte.

Tabelle

Claims

1. Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren zur Abtrennung wenigstens einer Komponente aus einem wenigstens aus zwei Komponenten bestehenden Roh gasgemisch, umfassend wenigstens die Verfahrensschritte Adsorption, Vakuumre generierung und Druckaufbau, wobei diese Verfahrensschritte zyklisch versetzt in wenigstens zwei, parallel geschalteten Adsorbern ablaufen, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) in der Endphase des Adsorptionstaktes eines ersten Adsorbers die Zuführung des Rohgasgemisches unterbrochen und
b) wenigstens ein Teil des aus dem im Adsorptionstakt befindlichen ersten Adsorber abgezogenen Produktgas(gemisch)es einem zweiten, bereits vorbespannten, Adsorber zum Zwecke des weiteren Druckaufbaus in diesem zweiten Adsorber solange zugeführt wird, bis in dem ersten Adsorber ein Druck zwischen 650 und 800 mbar eingestellt ist, und
c) sodann ein Evakuieren des ersten Adsorbers erfolgt.

2. Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

3. Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Evakuieren mittels einer Kombination aus Wälzkolbenge bläse und Turbopumpe erfolgt, wobei zu Beginn des Evakuierens Wälzkolbengebläse und Turbopumpe parallel geschaltet sind und erst nach Erreichen eines Druckes von 400 bis 800 mbar in Serie geschaltet werden.

4. Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Evakuieren mittels einer Kombination aus Wälzkolbenge bläse und Turbopumpe erfolgt, wobei während des Evakuierens Wälzkolbengebläse und Turbopumpe in Serie geschaltet sind.

5. Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorbespannen eines Adsorbers mittels des Produktgas(gemisch)es erfolgt.

6. Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Enddruck während des Evakuierungstaktes zwischen 150 und 450 mbar beträgt.

7. Vakuumdruckwechseladsorptionsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete Adsorber, wenigstens einen Vakuumpumpstand sowie Gasführungsleitungen zu, von, und zwischen den Adsorbern und dem Vakuum pumpstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumpumpstand aus wenigstens einem Wälzkolbengebläse und wenigstens einer Turbopumpe besteht.

8. Vakuumdruckwechseladsorptionsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Wälzkolbengebläse und die Turbopumpe so verschaltet sind, daß sowohl eine parallele als auch eine serielle Verschaltung des Wälzkolbenge bläses und der Turbopumpe realisiert werden kann.