DE4030246A1 - Verfahren zum trennen von gasgemischen durch druckwechseladsorption - Google Patents

Description

Die Erfindung wird bei der adsorptiven Trennung von Gasgemi­ schen angewendet, insbesondere bei der Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft.

Zum Reinigen oder Zerlegen von Gasen, beispielsweise zur Ge­ winnung von Sauerstoff ode Stickstoff aus der Luft, werden wegen der Wirtschaftlichkeit und ihrer Effektivität häufig Adsorptionsverfahren angewendet. Besonders bewährt haben sich dabei die Druckwechseladsorptionsverfahren, bei denen das Re­ generieren des beladenen Adsorptionsmittels durch Drucksenkung erfolgt. Die bei der Druckabsenkung eines beladenen Adsorbers freiwerdenden Gase werden in der Regel zur Druckerhöhung in anderen Adsorbern, die sich auf einem niedrigeren Niveau befin­ den, eingesetzt, indem ein Druckausgleich durchgeführt wird.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 27 39 955 bekannt, bei dem das Regenerieren des beladenen Adsorbers in 3 Stufen er­ folgt. In der ersten Stufe der Druckerniedrigung verläßt das Gas durch die Eintrittsöffnung, also im Gegenstrom zur Produktions­ richtung, den Adsorber und wird durch eine Restgasleitung weg­ geführt. Dieses Ausströmen des Gases über die Eintrittsöffnung des beladenen Adsorbers erfolgt über die gesamte Dauer der Druckerniedrigung. Die erste Stufe wird nach dem Erreichen eines bestimmten Druckes von der zweiten und dritten Stufe überlagert, wobei in der zweiten Stufe ein Druckausgleich mit einem anderen Adsorber jeweils über die Austrittsöffnungen der beiden Adsor­ ber und in der dritten Stufe ebenfalls über die Austrittsöff­ nung des beladenen Adsorbers ein Druckausgleich mit einem Puf­ ferbehälter durchgeführt wird.

Diese Verfahrensweise mit der Anwendung eines Pufferbehälters ist relativ aufwendig und kompliziert.

Aus der DE-OS 31 32 758 ist ein Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches nach dem Druckwechseladsorptionsverfahren bekannt, bei dem nach Beendigung der Adsorptionsphase eines ersten Ad­ sorbers eine erste Gleichstromentspannungsphase folgt und das da­ bei anfallende Entspannungsgas zur Spülung eines in einer Desorp­ tionsphase befindlichen zweiten Adsorbers verwendet wird. An­ schließend folgt eine zweite Gleichstromentspannungsphase, wo­ bei das anfallende Entspannungsgas zum Aufdrücken des zweiten Adsorbers verwendet wird. Daran schließt sich eine Gasstroment­ spannung, während der ein Restgas vom Eintrittsende des ersten Adsorbers abgezogen wird.

Ebenso ist aus der DE-OS 30 46 268 ein Druckwechseladsorptions­ verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff aus einem Gasgemisch bekannt, bei dem über das Austrittsende des beladenen Adsorbers ein Druckausgleich nacheinander mit 3 Adsorbern und danach die Spülung eines vierten und fünften Adsorbers erfolgt. Anschließend wird über das Eintrittsende des beladenen Adsorbers eine Rest­ entspannung durchgeführt.

Bei beiden Verfahren besteht auf Grund mehrerer Gleichstroment­ spannungsphasen die Gefahr, daß sich in dem beladenen Adsorber die Adsorptionsfront so weit zum Austrittsende bewegt, daß auch das Adsorpt diesen Adsorber durch dessen Austrittsende verläßt.

Es ist auch bekannt, den Druckausgleich durch ein gleichzeiti­ ges Öffnen der am Eintrittsende und der am Austrittsende der am Druckausgleich beteiligten Adsorber durchzuführen.

Dabei wird der zu beladende Adsorber vor einer erneuten Beladung mit Hilfe einer Vakuumpumpe evakuiert. Ein solches Verfahren wird in der DE-OS 24 41 447 beschrieben.

Der Gebrauch einer Vakuumpumpe bringt jedoch einen höheren apparativen Aufwand mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckwechsel­ adsorptionsverfahren für mindestens drei Adsorber zu ent­ wickeln, bei dem nach Abschluß des Adsorptionsprozesses die Druckerniedrigung in dem beladenen Adsorber so durchgeführt wird, daß das nicht adsorbierte produktreiche Gas einem nach­ folgenden Adsorptionsprozeß zugeführt und das danach noch nicht desorbierte Gas derart einem weiteren Desorptionspro­ zeß unterworfen wird, daß ein Gas mit einem möglichst hohen Anteil an Produktgas desorbiert und dieses produktreiche Gas so in einem nachfolgenden Adsorptionsprozeß eingesetzt wird, daß die Menge des als Spülgas verwendeten Produktgases verringert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der ersten Stufe der Druckerniedrigung in einem ersten Adsorber ein Druckausgleich mit einem regenerierten zweiten Adsorber mit über die Austrittsenden der beiden Adsorber erfolgt. In dieser Stufe wird produktionsreiches Gas vom Austrittsende (bei der Sauerstoffgewinnung das sauerstoffangereicherte Gas) des ersten Adsorbers aus dem Zwischenkornvolumen des Adsorp­ tionsmittels in den unbeladenen zweiten Adsorber geführt. Nach erfolgtem Druckausgleich mit dem zweiten Adsorber wird in der zweiten Stufe der Druckerniedrigung eine beidseitige Entspannung des ersten Adsorbers gleichzeitig über dessen Eintrittsende und Austrittsende bis zum Umgebungsdruck vor­ genommen. Das dabei aus dem Porenvolumen und aus den Mikro­ poren des Adsorptionsmittels tretende produktreiche Gas (bei der Sauerstoffgewinnung sauerstoffangereichertes Gas) strömt über das Austrittsende dieses Adsorbers und über das Austritts­ ende eines dritten Adsorbers in den zuletzt genannten und durchströmt diesen, wobei vorrangig Sauerstoff adsorbiert wird. Das hierbei gleichzeitig aus dem Eintrittsende des ersten Ad­ sorbers austretende desorbierte Gas enthält den abgetrennten Gasanteil (bei der Sauerstoffgewinnung aus der Luft den Stickstoff), welcher in an sich bekannter Weise als Restgas weggeführt wird.

Durch das gleichzeitige und beidseitige Entspannen des ersten Adsorbers in der zweiten Stufe der Druckerniedrigung werden an dessen Eintrittsende und Austrittsende die Konzentrations­ profile stärker polarisiert als bei einer aufeinanderfolgenden Druckabsenkung. Dadurch tritt durch das Austrittsende dieses Adsorbers ein produktreiches (sauerstoffreiches) Gas und durch das Eintrittsende ein Gas aus, welches reich ist an dem abge­ trennten Gasanteil (Stickstoff). Auf diese Weise werden höhere Ausbeuten an Produktgas erreicht als bei Verfahren mit zeitlich nacheinander erfolgender Druckabsenkung.

Der dritte Absorber, der vorher einen Desorptionsprozeß durch­ laufen hat, wird auf diese Weise im Gegenstrom zur Adsorptions­ richtung von einem produktreichen Gas durchströmt, so daß eine Spülung mit produktreichem Gas erfolgt. Es wurde festgestellt, daß diese Spülung vorteilhaft ist, um das Produktgas in der ge­ forderten Reinheit zu erzeugen. Es ist daher zweckmäßig, daß der in der ersten Stufe der Druckerniedrigung erfolgende Druck­ ausgleich mit dem nachfolgenden Adsorber mit geringeren Mengen Spülgas bzw. ohne dessen vorherige Spülung mit Produktgas vor­ genommen wird.

Im Sinne der Erfindung wird unter dem Eintrittsende eines Adsor­ bers dasjenige Ende gesehen, durch das das Gasgemisch in den Ad­ sorber eintritt. Dagegen wird als Austrittsende dasjenige Ende des Adsorbers bezeichnet, durch das das Produktgas den Adsorber verläßt. Soll beispielsweise mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Sauerstoff aus der Luft gewonnen werden, so ist das Eintrittsende dasjenige Ende des Adsorbers, durch das die Luft in den Adsorber eintritt und das Austrittsende ist dasjenige Adsorberende, durch das der Sauerstoff aus dem Adsorber austritt.

Weiterhin wird im Sinne der Erfindung jenes Gas als Produkt­ gas bezeichnet, welches durch das erfindungsgemäße Adsorp­ tionsverfahren in annähernd reiner Form gewonnen werden soll. Will man beispielsweise Sauerstoff aus der Luft gewinnen, so stellt der Sauerstoff das Produktgas dar.

Überraschend wurde festgestellt, daß mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise auch bei hohen Gasgemisch-(Luft-)Belastungen der Adsorber bzw. verhältnismäßig groben Zeolith mit einer Korn­ größe oberhalb 2 mm hohe Ausbeuten an Produktgas (Sauerstoff) im Vergleich zu den bekannten Verfahren erreicht werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die aus Produktgas bestehenden Spülgasmengen stark gesenkt werden können und damit insbesonde­ re die im Kreislauf ad- und desorbierte Produktgasmenge, die für die Prozeßauslegung limitiert ist, geringer ist. So beträgt die Steigerungsrate der Produktgasausbeute bei mitt­ leren Zeolithkorngrößen von ca. 1 mm gegenüber bekannten Ver­ fahren ca. 15%, bei Korngrößen oberhalb von 2 mm aber bis zu 25% bzw. bei spezifischen Luftbelastungen von ca. 0,8 m³ Luft pro l Adsorber bezogen auf den produzierenden Adsorber ca. 10% und bei ca. 1,2 m³ Luft pro l Adsorber bezogen auf den produzie­ renden Adsorber bis zu ca. 25%.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung ist das Schema einer Druckwechseladsorptionsanlage dargestellt, in der das er­ findungsgemäße Verfahren realisiert wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens soll Sauerstoff mit einer Konzentra­ tion von 90 Vol.-% aus der Luft gewonnen werden. Den Kern der Druckwechseladsorptionsanlage bilden der erste Ad­ sorber 1, der zweite Adsorber 2 und der dritte Adsorber 3. Diese sind mit dem Adsorptionsmittel Zeolith Typ 5A gefüllt; ihr Volumen beträgt jeweils 10 l. In den unteren Teil dieser drei Adsorber 1, 2, 3 mündet die Luftzuführungsleitung 4, durch die verdichtete Luft in die Adsorber eintritt. Diese Enden der drei Adsorber 1, 2, 3, durch die die verdichtete Luft in die Adsorber eintritt, werden als Eintrittsenden dieser Adsorber bezeichnet. In dem zu jedem Adsorber 1, 2, 3 führenden Teil der Luftzuführungsleitung 4 ist jeweils ein Luftabsperrven­ til angeordnet. So ist in dem zum ersten Adsorber 1 führenden Teil der Luftzuführungsleitung 4 das erste Luftabsperrventil 5, in dem zum zweiten Adsorber 2 führenden Teil das zweite Luftab­ sperrventil 6 und in dem zum dritten Adsorber 3 führenden Teil das dritte Luftabsperrventil 7 vorgesehen. In den zu jedem Ad­ sorber 1, 2, 3 führenden Teil der Luftzuführungsleitung 4 mün­ det jeweils zwischen dem Adsorber und dem Luftabsperrventil die Restgasleitung 8, in der dem ersten Adsorber 1 das erste Restgasventil 9, dem zweiten Adsorber 2 das zweite Restgasventil 10 und dem dritten Adsorber 3 das dritte Restgasventil 11 zuge­ ordnet ist.

In den oberen Teil der drei Adsorber 1, 2, 3 mündet die Sauer­ stoffleitung 12, durch die der gewonnene Sauerstoff aus den Ad­ sorbern austritt. Diese Enden der drei Adsorber 1, 2, 3, durch die der Sauerstoff die Adsorber verläßt, werden als Austrittsen­ den bezeichnet. In jedem zu den Adsorbern 1, 2, 3 führenden Teil der Sauerstoffleitung 12 ist ein Sauerstoffventil angeord­ net. Dabei ist in dem zu dem ersten Adsorber 1 führenden Teil der Sauerstoffleitung 12 das erste Sauerstoffventil 13 in dem zum zweiten Adsorber 2 führenden Teil das zweite Sauerstoffventil 14 und in dem zum dritten Adsorber 3 führenden Teil das dritte Sauerstoffventil 15 angeordnet.

Die drei Teile der Sauerstoffleitung 12 sind zwischen den drei Ad­ sorbern 1, 2, 3 und den drei Sauerstoffventilen 13, 14, 15 durch die Entspannungsgasleitung 16 jeweils miteinander verbunden. In der Enspannungsgasleitung 16 sind drei Entspannungsventile vor­ gesehen, wobei dem ersten Adsorber 1 das erste Entspannungsventil 17, dem zweiten Adsorber 2 das zweite Entspannungsventil 18 und dem dritten Adsorber 3 das dritte Entspannungsventil 19 zugeord­ net ist. Auf diese Weise wird ermöglicht, daß in den beiden Stu­ fen der Druckerniedrigung Gas durch die Entspannungsgasleitung 16 von dem Austrittsende eines Adsorbers zu dem Austritsende eines anderen Adsorbers strömen kann, wobei der dritte Adsorber von dieser Gasströmung unberührt bleibt.

Bei diesem Vorgang sind jeweils zwei Entspannungsventile ge­ öffnet und ein Entspannungsventil ist geschlossen.

Die drei Luftabsperrventile 5, 6, 7 und die drei Restgas­ ventile 9, 10, 11 sind in einem gemeinsamen Ventilblock ange­ ordnet. Ebenso sind auch die drei Sauerstoffventile 13, 14, 15 und die drei Entspannungsventile 17, 18, 19 in einem gemeinsa­ men Ventilblock angeordnet. Solche Ventilblöcke sind in der DD-PS 2 65 806 beschrieben. Die Anordnung der beiden Ventil­ blöcke unmittelbar an den drei Adsorbern 1, 2, 3 ist in der DD-Patentanmeldung WP B 01 D/3 28 448-6 erläutert. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind die einzelnen Gasleitungen und Ventile in der Zeichnung einzeln dargestellt.

Der Adsorptionsprozeß in dem ersten Adsorber I wird beendet, wenn die Adsorptionsfront in diesem Adsorber beginnt, das Aus­ trittsende zu erreichen. Zu diesem Zeitpunkt herrscht in die­ sem Adsorber ein Druck von 0,46 MPa. Die Beendigung des Adsorp­ tionsprozesses erfolgt durch das Schließen des ersten Luftab­ sperrventils 5 und durch das Schließen des ersten Sauerstoff­ ventils 13.

Die erste Stufe der Druckerniedrigung des beladenen ersten Adsorbers I erfolgt durch einen Druckausgleich mit dem regene­ rierten zweiten Adsorbers 2 durch Öffnen des ersten und des zwei­ ten Entspannungsventiles 17, 18, während alle anderen Ventile der Druckwechseladsorptionsanlage zu diesem Zeitpunkt geschlos­ sen sind. Bei diesem Druckausgleich strömt sauerstoffreiches Gas aus dem Zwischenkornvolumen des Adsorbenten über das Aus­ trittsende des ersten Adsorbers 1 und das Austrittsende des zweiten Adsorbers 2 in den zuletzt genannten. Dabei sinkt in dem ersten Adsorber 1 der Druck von 0,46 MPa auf ca. 0,23 MPa und steigt in dem zweiten Adsorber 2 von 0,1 MPa auf 0,23 MPa. Der Druckausgleich dauert etwa 3 Sekunden. Bei einer anderen Betriebsvariante, die vor allem bei größeren Druckwechseladsorp­ tionsanlagen in Betracht zu ziehen ist, wird während des Druck­ ausgleiches der den Druck abgebende Adsorber wieder über sein Eintrittsende mit verdichteter Luft beaufschlagt. Diese Luft­ zuführung wird beendet, wenn der Druckausgleich abgeschlossen ist.

Durch Schließen des zweiten Entspannungsventiles 18 wird der Druckausgleich und damit die erste Stufe der Druckerniedri­ gung beendet. Es folgt nun die zweite Stufe der Druckernied­ rigung in dem ersten Adsorber 1, welche durch das zusätzliche Öffnen des dritten Entspannungsventiles 19 und des dritten Restgasventiles 11 vorgenommen wird, wobei das erste Entspan­ nungsventil 17 geöffnet bleibt. Dadurch strömt sauerstoffrei­ ches Gas, welches auch durch die Druckerniedrigung entspre­ chend den Gleichgewichts- und kinetischen Bedingungen desor­ biert, über das Austrittsende des ersten Adsorbers 1 und das Austrittsende des dritten Adsorbers 3 in den zuletzt genannten Adsorber und spült diesen, wobei ein Teil des Sauerstoffes ad­ sorbiert wird. Dieser Spülvorgang erfolgt im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung. Das Spülen des dritten Adsorbers 3 wird somit nicht nur mit dem Produktgas Sauerstoff vorgenommen, sondern auch mit einem sauerstoffreichen Gas, das aus dem Poren­ volumen und aus den Mikroporen des Adsorbenten kommt. Auf diese Weise erfordert die erfindungsgemäße Sauerstoffgewinnung weni­ ger oder keinen produzierten Sauerstoff zum Spülen eines Adsor­ bers. Nach dem Austritt des Spülgases aus dem dritten Adsor­ ber 3 verläßt dieses die Druckwechseladsorptionsanlage durch die Restgasleitung 8.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des dritten Entspannungsventils 19 öffnet auch das erste Restgasventil 9, wodurch mit Stickstoff an­ gereichertes Restgas aus dem ersten Adsorber 1 tritt und durch die Restgasleitung 8 die Druckwechseladsorptionsanlage verläßt. Dieses Restgas strömt im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung aus dem ersten Adsorber 1. In der zweiten Stufe der Druckerniedri­ gung erfolgt somit in dem ersten Adsorber 1 eine Entspannung gleichzeitig sowohl über das Eintrittsende als auch über das Austrittsende des Adsorbers. Da in der Restgasleitung 8 und in der Entspannungsgasleitung 16 jeweils Drosseln vorgesehen sind, geht diese Druckerniedrigung gezielt vonstatten. Nach etwa 2-4 Sekunden (beginnend mit dem Öffnen des dritten Entspannungsventils 19 und des ersten Restgasventils 9) ist der Druck in dem ersten Adsorber 1 auf den Umgebungsdruck der Anlage gesunken.

Durch das gleichzeitige beidseitige Entspannen des Adsorbers 1 werden an dessen Austrittsende relativ hohe Sauerstoffkonzen­ trationen erreicht. Die Konzentrationsprofile an dem Eintritts­ ende, hier tritt ein stickstoffreiches Gas aus, und an dem Austrittsende des ersten Adsorbers 1, an dieser Stelle tritt ein sauerstoffreiches Gas aus, werden durch das gleichzeitige und beidseitige Entspannen stärker polarisiert als bei einer auf­ einanderfolgenden Druckabsenkung. Auf diese Weise wird eine hö­ here Ausbeute an Sauerstoff erreicht als bei Verfahren mit auf­ einanderfolgender Druckabsenkung.

Weiterhin gleichzeitig mit dem Öffnen des dritten Entspannungs­ ventils 19 und dem ersten Restgasventil 9 öffnet auch das zwei­ te Luftabsperrventil 6 und das zweite Sauerstoffventil 14, wodurch in dem zweiten Adsorber 2 ein neuer Adsorptionsprozeß beginnt. Dieser Adsorptionsprozeß in dem zweiten Adsorber 2 verläuft auf diese Weise zeitgleich mit der zweiten Stufe der Druckerniedri­ gung in dem ersten Adsorber 1. Er dauert etwa 35 bis 40 Sekunden. Nach Abschluß dieses Adsorptionsprozesses erfolgt auf die be­ schriebene Weise eine erneute zweistufige Druckerniedrigung. Die vorgeschlagene Verwendung eines sauerstoffreichen Gases zur Adsorberspülung als teilweisen oder vollständigen Ersatz des ge­ wonnenen Sauerstoffes bringt eine Erhöhung der Sauerstoffaus­ beute um ca. 15% mit sich. Der gewonnene Sauerstoff weist eine Konzentration von 90 Vol.-% auf.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 erster Adsorber
2 zweiter Adsorber
3 dritter Adsorber
4 Luftzuführungsleitung
5 erstes Luftabsperrventil
6 zweites Luftabsperrventil
7 drittes Luftabsperrventil
8 Restgasleitung
9 erstes Restgasventil
10 zweites Restgasventil
11 drittes Restgasventil
12 Sauerstoffleitung
13 erstes Sauerstoffventil
14 zweites Sauerstoffventil
15 drittes Sauerstoffventil
16 Entspannungsleitung
17 erstes Entspannungsventil
18 zweites Entspannungsventil
19 drittes Entspannungsventil

Claims (2)

1. Verfahren zum Trennen von Gasgemischen durch Druckwechsel­ adsorption unter Verwendung einer Gruppe von wenigstens drei Adsorbern, bei dem in einem ersten Adsorber nach Beendigung des Adsorptionsprozesses eine zweistufige Druckerniedrigung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe der Druckerniedrigung ein Druckausgleich mit einem zweiten Adsorber nur über die Austrittsenden der beiden Ad­ sorber erfolgt, in der zweiten Stufe der Druckerniedrigung eine beidseitige Entspannung des ersten Adsorbers gleichzei­ tig über dessen Eintrittsende bis zum Umgebungsdruck vorge­ nommen wird, das dabei aus dem Austrittsende dieses Adsorbers strömende Gas in einen dritten Adsorber über dessen Austrits­ ende geführt wird und diesen Adsorber durchströmt und das gleichzeitig aus dem Eintrittsende des ersten Adsorbers aus­ strömende Gas in an sich bekannter Weise als Restgas wegge­ führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleich mit einem nachfolgenden Adsorber ohne des­ sen vorherige Spülung mit Produktgas vorgenommen wird.