FI62229B - Foerfarande vid fraktionering av en gasblandning - Google Patents

Description

155^ [B] «dKuulutusjulkaisu 62229 LJ UTLÄGONI NOSSKRIFT U ^ ^ c (45) Pa tor. i. ti ayv; ty 10 10 :./02 ^ T ^ (51) Kv.Hc.Wcu3 B 01 D 53/04 SUOMI—FINLAND (M) Nt^hdwnue-Fwwiwekiilws 772916 (22) HU-***.-*-**-, 03.10.77 v 7 (23) AlkupiM—GIMgh«*dif 03.10.77

(41) Tullut JulkMal — Mvk offimdlg 05.04. jQ

Ia rikleterlhftflitui l^TTliu (44) N«htitvtk»>pnen {. kuuMutohuu pvm.- 31.08.82 mtM· Οβη ragmiritJfrilNn AmMcm utlafd och udjkrtfun publlcend (32)(33)(31) Fyjrduttjr «cuoMcau·—H«gM priorHM 04.10. j6

Ruotsi-Sverige(SE) 7610947-9 (71) Aga Aktiebolag, S-löl 81. Lidingö, Ruotsi-Sverige(SE) (72) Ronny Eriksson, Täby, Sven-Göran Svensson, Äkersberga, Lars Blomberg,

Vallentuna, Otto von Krusenstierna, Stockholm, Ruotsi-Sverige(SE) (74) Oy Borenius & Co.. Ab (54) Menetelmä kaasuseoksen fraktionoimiseksi - Förfarande vid fraktionering av en gasblandning

Keksinnön kohteena on menetelmä vähintään kahdesta komponentista koostuvan kaasuseoksen fraktionoimiseksi, joista komponenteista toinen saatetaan jaksottaisesti adsorboitumaan materiaaliin, joka kykenee suhteellisen suuressa paineessa selektiivisesti adsorboimaan tätä komponenttia, ja myöhemmin saatetaan desorboitumaan tästä materiaalista, jolloin desorptio aikaansaadaan pienentämällä paine suhteellisen pieneksi. Tässä menetelmässä käytetään vähintään kahta vuorotellen toimivaa kerrosta niin, että adsorptio tapahtuu toisessa kerroksessa pääasiallisesti samanaikaisesti kun toinen kerros regeneroidaan desorption avulla ja päinvastoin.

Tätä yleistä tyyppiä oleva menetelmä tunnetaan aikaisemmin esim. ruotsalaisesta patentista 201.340 ja US-patentista 2.944.627. Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada entistä täydellisempi fraktionointi ja kaasuseoksen vaikeammin adsorboitavissa olevan komponentin parempi tuotos. Tämä aikaansaadaan keksinnön mukaan siten, että uudestaan tapahtuvaa adsorptiota varten suurennetaan kerroksen painetta kolmessa vaiheessa, jolloin ensimmäisessä vaiheessa syötetään kerroksen poisto-päähän tuotekaasua, joka pääasiallisesti on heikommin adsorboituvaa komponenttia, ja jolloin tämän kerroksen tulopää on suljettu. Toisessa vaiheessa kerroksen tulopää yhdistetään toisen kerroksen poistopäähän, 2 62229 ja samalla ovat ensimmäisen kerroksen pdstopää ja toisen kerroksen tulopää suljetut niin, että aikaansaadaan kerrosten paineiden tasoittuminen. Kolmannessa vaiheessa kaasuseosta syötetään kerroksen tulopää-hän samalla kun tämän kerroksen poistopää on suljettu, kunnes mainittu suhteellisen suuri paine on saavutettu.

Kaksikerroksiseen järjestelmään sovellettu keksintö selitetään seuraa-vassa oheisen piirustuksen perusteella, jossa kuvio 1 esittää laitteiston kytkentäkaaviota, kuvio 2 esittää laitteistoon kuuluvien molempien kerrosten eri toimintavaiheiden ajallista järjestystä, kuvio 3 näyttää laitteistossa eri toimintavaiheiden aikana esiintyviä kaasuvirtauksia, ja kuvio 4 näyttää kerroksen konsentraatioprofiilia täydellisen toiminta-jakson eri ajankohtina.

Kuvion 1 kaaviollisesti näyttämää laitteistoa voidaan käyttää mielivaltaisen kaasuseoksen fraktionoimiseen, mutta tässä tapauksessa oletetaan laitteiston olevan tarkoitetun ilman fraktlonoimiseksi niin, että tuotekaasuna saadaan pääasiallisesti typetöntä happea, laitteistossa on kaksi kerrosta 1 ja 2. Kumpikin kerros sisältää ^eoliittisen mole-kyyliseulan, joka kykenee suhteellisen suuressa paineessa adsorboimaan typpeä huomattavasti suuremmassa määrin kuin happea. Raakakaasua, jona tässä tapauksessa on paineilma, syötetään tulokohtaan 3. Syötetty ilma voi olla puristettu noin 400 kPa paineeseen. Tulokohdasta 3 raaka-kaasu virtaa paineensäätimeen 4 ja asetettavan kuristimen 5 kautta kahteen aseteltavaan venttiiliin 6 ja 7, joiden kautta raakakaasu voidaan johtaa joko kerrokseen 1 tai kerrokseen 2. Kerroksen 1 poisto-päästä lähtevä raakakaasu virtaa aseteltavan venttiilin 8 ja aseteltavan kuristimen 9 kautta tuotesäiliöön 10, joka on tarkoitettu tuotetun tuotekaasun kokoamiseksi. Kerroksessa 2 kehittyvä tuotekaasu virtaa vastaavalla tavalla aseteltavan venttiilin 11 ja kuristimen 9 kautta tuotesäiliöön 10, josta tuotekaasu voidaan poistaa lähtöjohdon kautta. Kuristin 9 on tuotejohdossa 13.

Sinänsä tunnetulla tavalla voidaan kerroksen poistopää yhdistää toisen kerroksen tulopäähän. Tämä tehdään kerrosten palstopäissä olevien aseteltavien venttiilien 14 ja 15 avulla ja kerrosten tulopäissä aseteltavien venttiilien 16 ja 17 aviilla ja näiden venttiili parien välissä olevan aseteltavan kuristimen 18 kautta. Edelleen voidaan kerroksen 1 tulopää asettaa aseteltavan venttiilin 19 ja kerroksen 2 tulopää aseteltavan venttiilin 20 kautta suoraan yhteyteen ympäristöön tai alipainejohdon 21 kautta alipainepumppuun.

3 62229

Jotta kerroksen huuhtelu ja paineistus tuotekaasulla voitaisiin tehdä riippumatta toisen kerroksen toimintatilasta, on laitteisto rakennettu sellaiseksi, että tuotekaasu voidaan säiliöstä 10 johtaa johdon 22 ja jommankumman aseteltavan venttiilin 14 tai 15 kautta vastaavan kerroksen poistopäähän. Seuraavassa ilmenevistä syistä on johto 22 jaettu kahteen rinnakkaishaaraan, joihin kumpaankin sisältyy aseteltava venttiili 25 vast. 24, sekä aseteltava kuristin 25, vast. 26.

Aseteltavia eri venttiilejä ohjataan sopivasti automaattisesti siten, että osavaiheiden aikana, jotka on merkitty I...X, ja jotka yhdessä muodostavat täydellisen toimintajakson, saadaan syntymään kuvion 3 näyttämät kaasuvirrat. Kuvio 2 näyttää vastaavia osavaiheita ajan funktiona, jolloin kuvion ylärivissä on näytetty kerroksen 1 osavaiheet ja alarivissä kerroksen 2 osavaiheet. Täten tapahtuu kerroksessa 1 vaiheiden 1 ja il aikana adsorboituvan komponentin adsorbointia ja tuotekaasun kehittymistä, vaiheen III aikana paineen pienenemistä kerrosten 1 ja 2 välisen paineentasoituksen seurauksena (Ts1), ja vaiheen IV aikana paineen pieneneminen suhteellisen pieneen desorptio-paineeseen (Ts2). Vaiheiden V ja VI aikana tapahtuu kerroksessa 1 huuhtelu tuotekaasulla, minkä jälkeen vaiheiden VII...X aikana tapahtuu kerroksen 1 paineen suurenemista, nimittäin vaiheen VII aikana syötetyn tuotekaasun (Tö2) ja vaiheen VIII aikana kerrosten välisen paineen-tasoittumisen seurauksena (TÖ1) ja lopuksi vaiheiden IX ja X aikana syötetyn raakakaasun (Tö3) vaikutuksesta. Tämän jälkeen tämä kerros on jälleen valmis tuotekaasun kehittämiseen. Tässä valitussa suoritus-esimerkissä on koko toimintajakson pituue 208 sek.. Kuviosta 2 selviävät ajankohdat, jolloin laitteisto siirtyy osavaiheesta seuraavaan. Kuvioista 2 ja 3 nähdään, että kerroksen 2 toimintajakso on ajallisesti siirtynyt kerroksen 1 toimintajaksoon nähden siten, että paineen tasoittuessa kerrosten välillä toisessa kerroksessa vaikuttava paine pienenee ja toisessa kerroksessa vaikuttava paine suurenee.

Kuvio 4 esittää esimerkkinä konsentraatioproflilin ulkomuotoa, siis hapenpitoisuutta kerroksen 1 eri osissa, alkaen jokaisessa osakuviossa ylhäällä tulopäästä alhaalla näytettyyn podstopäähän. Jokainen osakurio näyttää konsentraatioprofiilia vastaavassa osakuviossa mainittuna ajankohtana osavaiheesta seuraavaan siirryttäessä.

Seuraavassa selitetään yksityiskohtaisesti kuvioiden perusteella kerroksessa 1 esiintyvät tapahtumat.

4 62229

Ajankohtana 0 on kerroksessa 1 adsorptiopaine saavutettu syöttämällä ilmaa osavaiheiden IX ja X aikana. Kerroksen tulopäässä on molekyyli-seula vallitsevan paineen alaisen ilman kyllästymä. poistopäässä on ”puhdasta" tuotekaasua, siis kaasua, joka sisältää suunnilleen 95% happea ja 5% argonia. Osavaiheessa I tuotekaasua otetaan kerroksesta kuristimen 9 tarkasti säätämällä nopeudella, ja tulopäässä oleva paineen-säädin 4 ohjaa ilman syöttöä siten, että paine pysyy koko ajan vakiona. Kaasun virratessa kerroksen läpi tapahtuu fraktionointia, koska typpi adsorboituu suuremmassa määrin kuin happi. Sitä mukaa kun adsorptio edistyy kyllästyy kerros yhä enemmän ilmalla. Koska kaasun nopeus pidetään suurinta kriittistä arvoa alempana, säilyy typetön vyöhyke lähinnä poistopäätä koko sinä aikana, jolloin tuotekaasua otetaan kerroksesta.

Osavaiheen II aikana jatkuu typettömän tuotekaasun kehittyminen kerroksesta 1. Tämä tuotanto keskeytyy sflankohtana 66 sek. välittömästi ennen kuin lähtevän tuotekaasua typenpitoisuus nousee.

Osavaiheen III aikana on kerroksen 1 pctstopää yhdistetty kerroksen 2 tulopäähän, ja samalla on ilman syöttö kerrokseen 1 keskeytetty, minkä seurauksena kerroksessa 1 vallitseva paine pienenee. Tästä aiheutuva kaasukomponenttien osapaineiden pieneneminen johtaa näiden komponenttien desorboitumiseen kerroksesta. Kerroksesta 1 lähtevän kaasun ensimmäinen osa sisältää noin 95% happea, kun taas viimeinen osa sisältää 40...6090 happea. Kerroksesta 1 lähtevän kaasun keskihappipitoisuus on siis huomattavasti suurempi kuin ilman happipitoisuus.

Osavaiheen IV aikana paine pienenee kerroksessa 1 sen takia, että sen tulopää yhdistetään ulkoilmaan tai alipainepumppuun. Osapaineen pieneneminen johtaa tällöin lisädesorptioon, ja osa desorboituneesta kaasusta huuhtoutuu pois.

Osavaiheen V aikana alkaa kerroksen 1 huuhtominen sen poistopäästä kohti sen tulopäätä siten, että typetöntä tuotekaasua syötetään tuotesäiliöstä 10 johdossa 22 olevan aseteltavan venttiilin 23 ja aseteltavan kuristimen 25 kautta. Aseteltava kuristin 25 on tällöin sovitettu siten, että tuotekaasun syöttö tapahtuu suhteellisen hitaasti.

Osavaiheen VI aikana kerroksen 1 huuhtelu tuotekaasulla jatkuu venttiilin 23 ja kuristimen 25 kautta. Huuhtelukaasussa olevan typen suhteellisen 62229 5 pienen osapaineen takia desorboituu typpeä molekyyliseulasta ja tulee huuhdotuksi pois kerroksesta.

Osavaiheen VII alussa suljetaan poistotie ympäristöön ja jatketaan tuote-kaasun syöttöä kerrokseen 1, nyt aseteltavan venttiilin 24 ja aseteltavan kuristimen 26 kautta. Kerrokseen nyt virtaava typetön tuotekaasu aiheuttaa toisaalta paineen suurenemista, toisaalta typen desorptiota alapuolisessa poistopäässä. Desorboitunut typpi kulkeutuu kaasuvirran mukana kohti kerroksen yläpuolista tulopäätä ja adsorboituu jälleen molekyyliseulaan, kun typen osapaine kaasussa ylittää molekyyli seulan tasapainotilaa vastaavan arvon. Osavaiheen VII aikana tapahtuu siis typen siirtymistä kerroksen poistopäästä kohti sen tulopäätä, ja samalla muodostuu kerroksen poistopäässä typetön vyöhyke.

Osavaiheen VIII alussa keskeytetään tuotekaasun syöttö kerrokseen 1, ja sen sijaan yhdistetään tämän kerroksen 1 tulopää kerroksen 2 poisto-päähän. Kaasua virtaa siis kerroksesta 2 kerrokseen 1, jolloin tämän paine suurenee. Tämä osavaihe jatkuu, kunnes kerrosten välinen paine-tasapaino on saavutettu. Kerrokseen 1 paineen suurentamiseksi käytetään suhteellisen happipitoista kaasua, kuten mainittiin osavaiheen III selityksen yhteydessä. Koska tämän kaasun happipitoisuus kuitenkin on huomattavasti pienempi kuin kerroksen 1 poistopäässä olevan kaasun happipitoisuus, ei paineentasausta saa tehdä niin nopeasti, että runsaasti typpeä sisältävä kaasu virtaa kerrokseen 1 niin suurella nopeudella, että typpi ei ennätä adsorboitua. Tarvittava pieni virtausnopeus aikaansaadaan tässä tapauksessa aseteltavan kuristimen 18 avulla.

Osavaiheen IX aikana paineilmaa virtaa kerroksen 1 tulopäähän. Tällöin tapahtuu hidas jatkuva paineen suureneminen, ja kerroksen tulopää kyllästyy tämän osavaiheen aikana ilmalla, samalla kun typetön vyöhyke säilyy kerroksen poistopäässä.

Osavaiheen X aikana kerroksen 1 paineen suureneminen jatkuu syötetyn ilman vaikutuksesta, kunnes adsorptiopaine on saavutettu, minkä jälkeen kerros on jälleen valmis tuotantoa varten, mikä tarkoittaa sitä, että tähän asti selitetyt osavaiheet toistuvat jaksottaisesti.

Kuten edellä esitetystä selityksestä ilmenee, tapahtuu kerroksen 1 paineen suureneminen loppupaineeseen kolmessa vaiheessa. Ensimmäisen vaiheen, eli osavaiheen VII aikana paine suurenee tuotesäiliöstä 10 6 62229 tulevan tuotekaasun takia. Välittömästi ennen tätä osavaihetta on tapahtunut huuhtelu tuotekaasulla, ja kerroksen konsentraatioprofiili on tällöin likimain suoraviivainen, kuten selviää kuvion 4 siitä osa-kuviosta, joka on merkitty t 152. Kun nyt osavaiheen VII aikana typetöntä tuotekaasua syötetään kerrokseen 1 poistopääh kautta ja paine samalla suurenee, saadaan kaasufaasissa syntyinään hapen ja typen osa-paineiden suhteen suureneminen. Typpeä desorboituu’ja kulkeutuu pitemmälle kerrokseen kohti sen tulopäätä. Tämänpaineensuurenemisen jälkeen on kerroksella likimain se konsentraatioprofiili, joka kuviossa 4 on näytetty osakuviolla, joka on merkitty t = 170. Tästä selviää, että lähinnä pcdstcpäätä on syntynyt typetöntä kaasua sisältävä vyöhyke.

Tässä vyöhykkeessä tapahtuu myöhemmin loppufraktionointi adsorption aikana. Typpipitoista kaaeua voidaan nyt syöttää kerrokseen 1, mutta tämän on tapahduttava kerroksen tulopään kautta, koska muuten mainittu typetön vyöhyke -turmeltuisi. Tässä yhteydessä voidaan tähdentää, että jos typpipitoista kaasua olisi syötetty kerroksen tulopäähän välittömästi huuhtelun jälkeen osavaiheen VI aikana, olisi tämä johtanut siihen, että osa typestä olisi kulkeutunut kerroksen läpi adsorboitumatta.

Tällöin olisi poistopäässä saatu typpipitoista kaasua ja tämän seurauksena typpipitoista tuotekaasua.

Paineensuurenemisen toinen vaihe aikaansaadaan kerrosten välisen paineentasauksen avulla. Tämä tapahtuu kerroksen 1 kohdalla osavaiheessa VIII. Tämän paineentasauksen yhteydessä kerroksen 2 paine pienenee, ja tällöin desorboituu tästä kerroksesta osa typpeä, joka kulkeutuu paineistettavaan kerrokseen 1. Tästä syystä syöttö tehdään kerroksen 1 tulopäähän niin, että poistopäässä voidaan säilyttää typetön vyöhyke. Syötetty typpipitoinen kaasu fraktionoituu kerroksessa 1 tämän osavaiheen aikana, ja paineentasauksen lopussa on saavutettu konsentraatioprofiili, joka kuviossa 4 on näytetty osakuviossa, joka on merkitty t 185.

Paineen suureneminen lopulliseen adsorptiopaineeseen tapahtuu syöttämällä ilmaa kompressorista kerroksen 1 tulopäähän. Tämän paineensuurenemisen aikana tapahtuu sisäänvirtaavan ilman fraktionointi, ja kun osavaiheiden IX ja X jälkeen lopullinen adsorptiopaine on saavutettu, on kerroksella 1 konsentraatioprofiili, jota osoittaa kuvion 4 osakuvio, joka on merkitty t = 208. Kerros 1 on täten jälleen valmis tuotantoa varten.

Claims (2)

7 62229 Tässä selitetty paineistusjärjestys eroaa aikaisemmin tunnetuista järjestyksistä ja edustaa paranemista seuraavissa suhteissa. Paineen suurentaminen tuotekaasulla, joka ei sisällä adsorboituvaa komponenttia, tapahtuu ensimmäisenä vaiheena, ja tuotekaasu syötetään kerroksen poisto-pää kautta. Täten aikaansaadaan kerroksessa konsentraation jakautuma, joka on edullinen myöhemmin toimintajakson aikana syötetyn kaasun fraktionoimiseksi. Edelleen kaikki adsorboituvaa komponenttia sisältävä kaasu aina syötetään kerroksen tulopään kautta ja vasta sen jälkeen, kun adsorboituvaa komponenttia sisältämätön tuotekaasu on syötetty .poistopään kautta. Kerroksen tulopään kautta syötetty kaasu fraktio-noituu, ja se kerroksen poistopäässä oleva vyöhyke, jossa ei ole adsorboituvaa komponenttia, pysytetään pääasiallisesti koskemattomana. Tämä on edellytyksenä adsorboituvasta komponentista vapaan tuotekaasun saamiseksi.

1. Menetelmä kaasuseoksen fraktionoimiseksi käyttämällä vähintään kahta kerrosta (1, 2) sellaista materiaalia, joka kykenee suhteellisen suuressa paineessa selektiivisesti adsorboimaan kaasuseoksen yhtä komponenttia, jolloin kerrokset vuorotellen paineistetaan ja pidetään tämän suhteellisen suuren paineen alaisina ja vas-fc. paine poistetaan kerroksista, tunnettu siitä, että kerroksen (esim. 1) paineen suurentaminen suoritetaan kolmessa vaiheessa niin, että ensimmäisen vaiheen (VII) aikana tuotekaasua, jona pääasiallisesti on vähemmin voimakkaasti adsorboituva komponentti, syötetään kerrokseen (1) sen poistopään kautta, samalla kun sen tulopää on suljettu, että toisen vaiheen (VIII) aikana kerroksen (1) tulopää yhdistetään toisen kerroksen (2) poisto-päähän, samalla kun sen poisfcqpää ja toisen kerroksen tulopää ovat suljetut siten, että aikaansaadaan kerrosten välinen paineentasaus, ja että kolmannessa vaiheessa (IX, X) kaasuseos syötetään kerroksen (1) tulopäähän, samalla kun sen polstppää on suljettu, kunnes mainittu suhteellisen suuri paine on saavutettu kerroksessa (1).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kerroksen (1) paineistuksen ensimmäinen vaihe (VII) suoritetaan samanaikaisesti kun tuotetaan toisesta kerroksesta (2) tuotekaasua, jona on kaasuseoksen vähemmän voimakkaasti adsorboituva komponentti.