CH620594A5

CH620594A5 - Process and apparatus for separating the components of a gas mixture

Info

Publication number: CH620594A5
Application number: CH244577A
Authority: CH
Inventors: John Walter Armond; Martyn Spencer Ray
Original assignee: Boc Ltd
Priority date: 1976-02-27
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1980-12-15
Also published as: IT1075665B; FR2342094A1; NZ183389A; DE2707745A1; BR7701189A; ES456337A1; NL7702049A; FI770566A; JPS52122273A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren 35 und eine Vorrichtung zum Trennen eines Gasgemisches, insbesondere zur Erhöhung des Anteils einer der Gaskomponenten im gasförmigen Gemisch.

Bei der herkömmlichen Gastrennung unter Verwendung von Adsportionsmethoden ist es üblich, das Gasgemisch unter 40 Druck in ein Adsorbensbett zu leiten und aus dem Bett ein angereichertes Gasgemisch zu erhalten, welches das gewünschte Produkt darstellt und noch unter einem kleinen positiven Druck steht. Wenn das Produkt mit einem höheren Druck erhalten werden soll, muss es getrennt komprimiert 45 werden. Das Adsorbensbett wird normalerweise vor seiner vollständigen Sättigung regeneriert, indem man an das Bett ein Vakuum anlegt, das die Wirkung hat, die adsorbierten Bestandteile des Gasgemisches abzuziehen, so dass das Bett für eine weitere Zufuhr des zu trennenden Ausgangsgasgemisches 50 bereit ist. Es ist einzusehen, dass derartige Anlagen drei getrennte Pumpen benötigen können, um Produktgas unter höheren positiven Drücken zu erzeugen, und demzufolge ziemlich komplizierte Anlagen mit verhältnismässig hohem Kapitalbedarf und Energieverbrauch darstellen können, insbe- 55 sondere da der zum Komprimieren des Ausgangsgasgemisches erforderliche Druck eine signifikante Menge Energie verbrauchen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Eliminierung dieser Nachteile. Sie schlägt zu diesem Zweck ein Ver- 60 fahren vor, dessen Merkmale durch den Patentanspruch 1 gekennzeichnet sind. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist durch den Patentanspruch 23 definiert.

Es wurde gefunden, dass das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise für die Herstellung von sauerstoffreichem Gas 65 aus Luft gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil haben kann, dass bei einem gleich hohen Vakuum für die Regenerierung und bei dem gleichen Druck des Produktgases grössere

Sauerstoffausbeuten erhältlich sind und eine bessere Reinheit des Sauerstoffes leichter erreicht werden kann. Ausserdem kann der Bedarf an elektrischer Energie für die Erzeugung einer gegebenen Menge Sauerstoff reduziert werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders für die Erzeugung von sauerstoffreichen oder stickstoffreichen Gasen aus Luft, aber auch für die Trennung vieler anderer Gasgemische. Wenn ein sauerstoffreiches Gas benötigt wird, ist das Bett normalerweise mit einem Zeolith-Molekularsieb gefüllt, und wenn ein stickstoffreiches Gas benötigt wird, ist das Bett normalerweise mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb gefüllt.

Beim erfindungsgemässen Verfahren und der erfindungs-gemässen Vorrichtung wird vorzugsweise eine Mehrzahl von Adsorbensbetten, z. B. zwei oder drei Adsorbensbetten, verwendet, wobei jedes Bett einen ähnlichen Zyklus durchläuft, aber nicht in Phase mit dem anderen Bett oder den anderen Betten, so dass eine praktisch kontinuierliche Zufuhr von Produktgas hervorgerufen wird.

Vorzugsweise wird das Adsorbensbett oder jedes der Adsorbensbetten nach der Adsorption durch Evakuieren des Bettes regeneriert. Es wird auch bevorzugt, dass nach dieser Evakuierung und vor dem nächsten Einlass von gasförmigem Gemisch in das Bett ein an dem Produktgas angereichertes gasförmiges Gemisch in das Bett eingelassen wird, wobei der Druck in dem Bett nach diesem Einlass von gasförmigem Gemisch unter Atmosphärendruck liegt. Ein derartiger verminderter Druck in dem Bett trägt dazu bei, beim nächsten Einlassen von gasförmigem Gemisch in das Bett das gasförmige Gemisch in das Bett zu saugen. Ferner kann das angereicherte gasförmige Gemisch eingelassen werden, ehe die Evakuierung des Bettes beendet ist, sogar möglicherweise während der ganzen Evakuierung, so dass es als reinigendes Gas wirkt, das zur Regenerierung des Adsorbens beiträgt. Auf diese Weise

620 594

4

kann ein geringeres Vakuum zur Regenerierung des Adsorbens verwendet werden. In einer erfindungsgemässen Vorrich-tun, in der mehrere Betten vorgesehen sind, wird das in der vorstehend beschriebenen Weise in das Bett eingelassene angereicherte gasförmige Gemisch vorzugsweise aus dem Produktauslass des anderen oder eines anderen Bettes entnommen.

Die Ausbeute an Produkt kann, gewöhnlich in einer Vorrichtung mit drei Betten, verbessert werden, indem man als Produkt nur einen ersten Teil des aus jedem Bett abgezogenen Gases (der gewöhnlich als «erste Faktion» bezeichnet wird) auffängt und den Rest dieses Gases «(zweite Fraktion») als Teil des Aufgabegutes für ein weiteres Bett verwendet. Die zweite Fraktion ist gewöhnlich nicht so reich an dem gewünschten Gas wie die erste Fraktion, ist aber reicher an diesem Gas als das gasförmige Gemisch, das den Rest des Aufgabegutes für die Betten darstellt.

Bei vielen gasförmigen Gemischen kann es erforderlich sein, eine Vorreinigungsstufe vorzusehen, um Verunreinigungen, wie Wasserdampf, zu entfernen. Vorzugsweise ist die Strömungsgeschwindigkeit des Ausgangsgasgemisches, das in das Adsorbensbett gesaugt wird, nicht konstant. Diese Geschwindigkeit ist zu Beginn der Gaseinlassperiode relativ hoch und fällt gerade dann auf einen Mindestwert, wenn in einem Zweibettsystem Rückfüllgas in das nächste Bett geleitet werden soll oder bei einem Dreibettsystem Gas aus einer zweiten Fraktion in das nächste Bett geleitet werden soll. Die maximale Geschwindigkeit kann das Mehrfache der Mindestgeschwindigkeit betragen. Dieses Merkmal führt zu Vorteilen gegenüber Verfahren, bei dem das Ausgangsgas in die Anlage gepresst wird und eine variable Zufuhrgeschwindikgeit nicht leicht erzielt werden kann. Bei Ausgangsgas von Atmosphärendruck, das sich also nicht unter Druck befindet, wird das Ausgangsgas mit den durch den Zyklus benötigten Geschwindigkeiten in die Anlage gesaugt, während, falls das Ausgangsgas in dem Zyklus komprimiert wird, die Vorrichtung so angeordnet werden muss, dass sie entweder Gas in der Anlage in einem Speicher speichert oder die Arbeitsdrücke in der Anlage steuert, wodurch diese Drücke nach Bedarf variieren können. Ein Verfahren mit Zufuhr unter Atmosphärendruck hat somit die Vorteile, dass keine Gasspeichergefässe erforderlich sind und dass die Verfahrenszyklen so gewählt werden können, dass sie den grössten Wirkungsgrad ergeben, und zwar ohne den Zwang, dass man Drücke variieren muss oder Gas speichern muss, um die Gasströme auszugleichen.

Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung kann im Falle von gasförmigen Gemischen, welche eine bestimmte Gaskomponente und mindestens zwei andere Bestandteile enthalten, das Gemisch nacheinander durch ein erstes Adsorbensbett, das einen der anderen Bestandteile bevorzugt adsorbiert, und durch ein zweites Adsorbensbett, das den anderen oder die anderen Bestandteile bevorzugt adsorbiert, gesaugt werden, und zwar mindestens teilweise unter der Wirkung eines verminderten Druckes, der z. B. durch eine Pumpe erzeugt wird, die ein geringes Vakuum zu erzeugen und gleichzeitig das Gas auf einen Überdruck zu komprimieren vermag, die an einen Auslass des zweiten Adsorbensbettes angeschlossen ist, worauf man die Betten regeneriert, vorzugsweise mindestens teilweise durch Evakuieren, ehe man weiteres gasförmiges Gemisch in die Betten einlässt.

Wenn diese Ausführungsform gewählt wird, können die Adsorbensbetten getrennte Schichten von Adsorbensmateria-lien aufweisen, die in einem einzigen Gefäss enthalten sind. Vorzugsweise werden mindestens drei ähnliche Paare der Adsorbensbetten vorgesehen, wobei die Paare von Betten mit ähnlichen Zyklen, aber nicht in Phase miteinander betrieben werden, so dass ein praktisch kontinuierlicher Strom des gewünschten Gases erzeugt wird.

Ein erfindungsgemässes Verfahren und eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche die ersten und zweiten Adsorbensbetten aufweisen, eignen sich für die Abtrennung von Argon aus einem gasförmigen Gemisch, das auch Sauerstoff und Stickstoff enthält, z. B. Luft oder sauerstoffreiches Aufgabegut, das aus der Rektifizierungssäule einer kryogenen Lufttrennungsanlage abgezogen werden kann.

Beim ersten Beispiel, nämlich Luft als Aufgabematerial, enthält das vorstehend erwähnte erste Adsorbensbett vorzugsweise ein Adsorbens, das Stickstoff selektiv adsorbiert, z. B. ein Zeolith-Molekularsieb. Es wird ein sauerstoffreiches gasförmiges Gemisch, das im typischen Falle 95 % Sauerstoff und 5 % Argon enthält, erzeugt und durch das andere Adsorbensbett geleitet, das selektiv Sauerstoff adsorbiert, z. B. ein Kohlenstoff-Molekularsieb.

Die Ausbeut kann, gewöhnlich in einem System, das drei Paare von Betten aufweist, verbessert werden, indem man als Produkt nur einen ersten Teil des aus jedem Paar von Betten abgezogenen Gases (der gewöhnlich als «erste Fraktion» bezeichnet wird) auffängt und den Rest dieses Gases «(zweite Fraktion») als Teil des Aufgabegutes für ein weiteres Bett verwendet. In dem oben gegebenen Beispiel, bei dem das erste Bett Zeolitn enthält, entfernt dieses Bett auch in der als Aufgabegut dienenden Luft enthaltende Feuchtigkeit. Die zweite Fraktion, die ein Gas umfasst, in dem das Produktgas nur teilweise angereichert ist, stellt daher ein trockenes Gas dar und sollte in das erste, aus Zeolith bestehende Adsorbensbett an einer Stelle stromabwärts von dem ersten Teil, der Feuchtigkeit aus der zugeführten Luft entfernt, eingeführt werden. Dieser erste Teil dient als integrierend mit dem ersten Adsorbensbett verbundenes Trocknungsbett, aber bei anderen Ausführungsformen kann ein getrenntes Trocknungsbett vorgesehen werden. Bisher war der Prozentsatz an Argon, der aus einer Lufttrennungsanlage als Nebenstrom extrahiert wird, durch praktische Erwägungen beschränkt, die von der Stickstoffverunreinigung des erzeugten Argons beherrscht wurden.

Unter Verwendung eines solchen Verfahrens und einer solchen Vorrichtung kann das Argon aus einer solchen Anlage ohne die normalerweise zwangsläufige Verunreinigung mit Stickstoff extrahiert werden.

Ein kalter Gasstrom, der z. B. 12'/< Argon, 87% Sauerstoff und 1 % Stickstoff enthält, kann aus der Anlage abgezogen und in einem Wärmeaustauscher auf Atmosphärentemperatur erwärmt werden. Das erste Adsorbensbett, in das ein solches erwärmtes Gasgemisch eintritt, enthält vorzugsweise ein Material, das selektiv Stickstoff adsorbiert, wie ein Zeolith-Molekularsieb.

Auf diese Weise wird ein Argonprodukt erhalten, das praktisch frei von Verunreinigung mit Stickstoff und Sauerstoff ist. Ein Strom von Abgas aus der vorstehend erwähnten Evakuierungsstufe kann nach dem Abkühlen in einem Wärmeaustauscher in eine Rektifizierungssäule der Lufttrennanlage zurückgeführt werden. Vorzugsweise wird ein solches Abgas verwendet, um das vorstehend erwähnte, aus der Lufttrennanlage erhaltene Gasgemisch zu erwärmen, in dem dann nach einem erfindungsgemässen Verfahren Argon angereichert wird.

Ein Vorteil der Verwendung eines erfindungsgemässen Verfahrens und einer efindungsgemässen Vorrichtung zur Reinigung eines aus einer Lufttrennanlage erhaltenen Argonstroms besteht darin, dass sie einen potentiell grösseren Prozentsatz an Argonextraktion aus der Anlage erlauben als das herkömmliche Verfahren, weil der argonreiche Aufgabestrom nicht auf Grund von Erwägungen gewählt werden muss, die von der Notwendigkeit beherrscht werden, die Verunreinigung des aus der Rektifizierungssäule der Anlage entnommenen, argonreichen Stroms mit Stickstoff auf dem Mindestwert zu halten. Überdies kann die in diesem Argonstrom enthaltene

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

620 594

Kälte durch Wärmeaustausch mit dem oben erwähnten, im Kreislauf geführten Abgasstrom zurückgewonnen werden, während bei einem herkömmlichen Verfahren gewöhnlich ein Anteil dieser Kälte in dem flüssigen Argonproduktstrom aus der Lufttrennanlage verlorengeht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Flüssigkeits- und Dampfströme in der Rektifiziersäule durch die Extraktion des argonreichen Stroms nicht wesentlich beeinflusst werden, verglichen mit der gleichen Extraktion in einem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Argonnebensäule gasförmiges Aufgabematerial aus der Niederdrucksäule einer kryogenen Lufttrennanlage erhält und einen Flüssigkeitsstrom in die gleiche Säule zurückführt. Diese Vorteile ermöglichen es, Argon aus der Anlage mit einem Mindestmass von Einfluss auf das Destillationsverhalten der Anlage für die Trennung von Luft zu extrahieren. In diesem Beispiel ist das Aufgabematerial bereits trocken.

Obgleich das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung, die erste und zweite Adsorbensbetten aufweisen, sich besonders für die Erzeugung von Argon aus gasförmigen Gemischen aus Argon, Sauerstoff und Stickstoff eignen, könnten sie auch für die Herstellung anderer Gase als Produkt verwendet werden, z. B. für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Gemisch mit Methan, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und Feuchtigkeit, das durch Wasser-dampfreformierung eines Kohlenwasserstoffes und anschliessende Umlagerungsreaktion zur Erhöhung des Anteiles von Wasserstoff erhalten wurde. In diesem letzten Beispiel ist das erste Adsorbensbett zweckmässig ein Kohlenstoff-Molekularsieb, das die Feuchtigkeit, das Kohlendioxyd und einen Teil des Methans selektiv adsorbiert. Das andere Bett besteht zweckmässig aus Zeolith, der Kohlenmonoxyd und einen grösseren Teil des Restes des Methans adsorbiert.

Einige Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäss der Erfindung zur Trennung der Komponenten eines gasförmigen Gemisches werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungn beispielsweise beschrieben; in der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Zweibett-Vorrichtung,

Fig. 2 ein Schema, das die Betriebsweise der Vorrichtung von Fig. 1 erläutert,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 4 ein Schema, das die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 3 erläutert,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Dreibett-Vorrichtung,

Fig. 6 ein Schema, das die Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 5 erläutert,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 5,

Fig. 8 ein Schema, das die Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 7 erläutert,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen «pressure swing»-Adsorptionsvorrichtung,

Fig. 10 ein Schema, das den Arbeitszyklus der Vorrichtung nach Fig. 9 erläutert, und

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Teiles einer kryogenen Lufttrennanlage, die eine erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst.

In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung umfasst eine Vorrichtung zur Herstellung von sauerstoffreichem Gas zwei Betten 10 und 11, die mit Zeolith-Molekularsieb, vorzugsweise vom Typ 5A, gefüllt sind, mit Trocknungsabschnitten 12 und 13 an den Einlassenden der Betten, die Kieselgel, aktiviertes Aluminiumoxyd, Siliciumoxyd- Aluminiumoxyd oder Zeolith-Molekularsieb 5A oder ein anderes Zeolith-Molekularsieb enthalten.

Durch die Leitung 15 und die mit Ventilen versehenen Leitungen 16 und 17 wird den Betten 10 und 11 Luft zugeführt. Das erzeugte Gas wird aus den Betten durch den Kompressor 18 über die Leitung 19 und die mit Ventilen versehenen Leitungen 20 und 21 abgezogen. Der Kompressor 18 ist eine Pumpe, die ein geringes Vakuum zu erzeugen vermag und gleichzeitig das Gas auf einen Überdruck zu komprimieren vermag. Die Betten werden durch eine Vakuumpumpe 22 regeneriert, die durch die Leitung 23 und die mit Ventilen versehenen Leitungen 24 und 25 mit den Betten verbunden ist. Die Betten können durch die mit Ventilen versehenen Leitungen 26, 27 und 28 mit Produktgas rückgefüllt werden.

Die Betten führen ähnliche Zyklen aus, aber nicht in Phase, wie in Fig. 2 dargestellt. Wenn Luft in das Bett 10 eingelassen werden soll, befindet sich das Bett unter Unterdruck, und die mit Ventilen versehenen Leitungen 16 und 20 sind geöffnet.

Durch den Kompressor 18, der einen geringen Unterdruck an das Auslassende des Bettes anlegt, während er das so abgezogene Gas auf einen Überdruck komprimiert, wird Luft in das Bett gesaugt und erzeugter Sauerstoff aus dem Bett abgezogen. Gegen das Ende dieses Teiles des Zyklus öffnet sich die mit einem Ventil versehene Leitung 28, und Gas von Produktqualität wird durch die Wirkung des Vakuums in Bett 11 mit einer Geschwindigkeit, die von der mit einem Ventil versehenen Leitung 26 gesteuert wird, in das Bett 11 gesaugt, um das Bett 11 rückzufüllen, so dass es am Ende dieses Teilzyklus einen Druck unter dem Atmosphärendruck, vorzugsweise von ca. 500 Torr, erreicht. In diesem Zeitpunkt schliessen sich die mit Ventilen versehenen Leitungen 16, 20 und 28, und die Leitung 17 öffnet sich, um Luft in das Bett 11 einzulassen, und die mit einem Ventil versehene Leitung 21 öffnet sich, um das Abziehen von erzeugtem Sauerstoff aus dem Bett 11 zu ermöglichen. Die mit einem Ventil versehene Leitung 24 Öffnet sich ebenfalls, so dass das Bett 10 durch Evakuierung regeneriert werden kann.

Gegen das Ende dieses Teiles des Zyklus schliesst sich die mit einem Ventil versehene Leitung 24, und die mit einem Ventiel versehene Leitung 27 öffnet sich, so dass sich das Bett 10 bis zum Ende dieses Teiles des Zyklus auf ca. 450 bis 550 Torr, z. B. 500 Torr, rückfüllen kann. Auf diese Weise arbeiten die beiden Betten unter Bildung eines kontinuierlichen Sauerstoffproduktstromes. Es sei darauf hingewiesen,

dass am Beginn jedes Teiles des Zyklus der Druck am Einlass zu dem Produktkompressor 18 momentan auf ca. die 500 Torr in dem Bett, das eingeschaltet wird, abfällt, ehe er schnell auf einen Wert unmittelbar unter Atmosphärendruck steigt. Auch in diesem Zyklus wird die Vakuumpumpe 22 während des Zeitraums des Rückfüllens nicht verwendet. Wenn ein halber Zyklus 60 Sekunden dauert, dauert im typischen Falle die Evakuierung 40 Sekunden und das Rückfüllen 20 Sekunden.

Der angewandte «pressure-swings-Zyklus sowie die Ausführung der Sauerstoffanreicherung in den Molekularsiebabschnitten der Betten eignet sich auch für den wirksamen Betrieb der Trocknungsabschnitte der Betten, um die Molekularsiebabschnitte gegen Feuchtigkeit in der eingelassenen Luft zu schützen.

Die Fig. 3 und 4 erläutern ein Abwandlung des in den Fig. 1 ud 2 dargestellten Systems, bei dem eine Spülung von Gas mit Produktqualität in das Bett, das evakuiert wird, eingeführt wird, d. h. das Bett wird durch die kombinierte Wirkung eine Spülung und einer Evakuierung regeneriert. Dies hat den Vorteil, dass der Wert des Vakuums im Vergleich mit demjenigen, der für die Vakuumregenerierung allein erforderlich ist, herabgesetzt wird. Somit werden die Anforderungen des Verfahrens an die Vakuumpumpe durch diese Abwandlung verringert, so dass der Gesamtenergieverbrauch herabgesetzt wird.

Fig. 3 stellt ein ähnliches System dar wie Fig. 1, wobei ähn5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

620 594

6

liehe Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Zusätzlich sind eine Vakuumspülleitung 30 mit einem Steuerventil und weitere mit Ventilen versehene Leitungen 31 und 32 vorhanden. Es gibt die unten angegebenen drei möglichen Arbeitsfolgen, um die Spülung zu bewirken, von denen die ersten beiden die Vakuumspülleitungen benützen, während dies bei der dritten nicht der Fall ist, so dass diese direkt auf die Ausführungsform von Fig. 1 angewandt werden kann.

a) Unter Benützung der Vakuumspülleitung wird die mit einem Ventil versehene Leitung 31 oder 32 geöffnet, wenn ein angemessenes Vakuum in dem betreffenden Bett, das evakuiert wird, erreicht worden ist, und die Spülgeschwindigkeit wird so eingestellt, dass sie den Wert des Vakuums während des Restes der Evakuierungsperiode annähernd konstant hält. Das Bett wird dann durch die Rückfülleitung 27 oder 28 rückgefüllt.

b) Unter Verwendung der Vakuumspülleitung wird die mit einem Ventil versehene Leitung 31 oder 32 geöffnet, sobald die Evakuierung des Bettes beginnt, und wird während der gesamten Evakuierungsperiode geöffnet gehalten. Das Rückfüllen findet dann durch die Leitung 27 bzw. 28 statt.

c) Es wird keine Vakuumspülleitung verwendet, sondern die mit einem Ventil versehene Rückfülleitung 27 oder 28 wird geöffnet, ehe die Evakuierung beendet ist, um den Spülstrom zur Verfügung zu stellen, der zum Rückfüllstrom wird, wenn die Evakuierung aufhört.

Wenn man die Zeolith-Molekularsiebe durch Kohlenstoff-Molekularsiebe ersetzt, erzeugen die oben anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen Stickstoff. Die Hauptabschnitte der Betten werden mit dem Koh-lenstoff-Molekularsieb gefüllt, das sich dafür eignet, Sauerstoff schnell und Stickstoff langsam zu adsorbieren. Der Trocknungsabschnitt des Bettes kann aus dem gleichen Kohlenstoff-Molekularsieb oder einem Trocknungsmittel, wie Kieselgel, aktiviertes Aluminiumoxyd oder Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd, bestehen. Man nimmt an, dass der Druck in dem Bett am Ende des Rückfüllens über 400 Torr liegt.

Wenn man den grundlegenden Zyklus bei Atmosphärendruck oder die Vakuumspülabwandlung anwendet, wird aus dem Verfahren ein an Stickstoff angereichertes Produkt erhalten, während ein an Sauerstoff reiches Abgas durch die Vakuumpumpe abgezogen wird. Das auf diese Weise erhältliche Stickstoffprodukt enthält normalerweise ca. 1 % Sauerstoff und ist praktisch frei von Verunreinigung durch Feuchtigkeit und Kohlendioxyd.

In den Fig. 5 und 6 ist eine Dreibettvorrichtung dargestellt. Verglichen mit dem Zweibettsystem hat das Dreibettsystem die Vorteile, dass die Vakuumpumpe vollständig ausgenützt wird und dass eine «zweite Fraktion» von sauerstoffreichem Gas eingeleitet werden kann, nachdem das Rückfüllen eines Bettes beendet ist, wodurch die Dauerstoffausbeute des Verfahrens verbessert wird.

Fig. 5 zeigt die Anordnung der mit Ventilen versehenen Leitungen und Fig. 6 den Arbeitszyklus der Ventile. Wenn man sich dem Bett 110 zuwendet, so sind am Beginn die mit Ventilen versehenen Luftzufuhrleitungen 116 und 120 geöffnet. Gegen Ende des Teilzyklus, wenn die Sauerstoffkonzentration am Auslass zu fallen beginnt, schliesst sich die mit einem Ventil versehene Leitung 120, und die mit einem Ventil versehene Leitung 150 öffnet sich, um eine zweite Fraktion von Produkt in das Bett 210 zu leiten, das gerade fertig rückgefüllt ist. Am Ende des Teilzyklus schliessen sich die mit Ventilen versehenen Leitungen 150 und 116, und die mit einem Ventil versehene Leitung 124 öffnet sich, so dass das Bett durch Evakuierung bis z. B. 150 Torr regeneriert wird. Nach Beendigung der Evakuierung schliesst sich die mit einem Ventil versehene Leitung 124, und die mit einem Ventil versehene Leitung 127 öffnet sich, um das Bett auf ca. 500 bis

600 Torr, z. B. 550 Torr, rückzufüllen; in diesem Zeitpunkt schliesst sich die mit einem Ventil versehene Leitung 127, und die mit einem Ventil versehene Leitung 151 öffnet sich, um eine zweite Fraktion von Gas aus dem Bett 111 einzulassen, während sich gleichzeitig die mit einem Ventil versehene Leitung 120 öffnet und erzeugter Sauerstoff durch den Produktkompressor 118 aus dem Bett abgezogen wird.

Wenn der Teilzyklus eine Minute dauert, beträgt die Rückfüllzeit ca. 40 Sekunden und die «zweite Fraktion »-Zeit 20 Sekunden.

Untersuchungen haben gezeigt, dass zum Ausführen des Zyklus im Bereich von hoher Umgebungstemperatur, etwa 35 bis 40° C, vorteilhaft ein stärkeres Vakuum, z. B. von 50 Torr, angewandt wird. Dieses stärkere Vakuum ist auch vorteilhaft, wenn es erforderlich ist, das Verfahren in der Nähe der Obergrenze der Reinheit des Sauerstoffproduktes von 95% auszuführen.

Eine Abwandlung dieses Systems ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt, in denen die Vakuumregenerierung der Betten durch eine Spülung mit Gas von Produktqualität unterstützt wird. Die Vakuumspülung wird während der Evakuierungsperiode ausgeführt, und eine Leitung 160 ist für diesen Zweck vorgesehen. Wie bei dem oben in bezug auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben Zweibettsystem kann die Spülung auf mindestens drei Weisen erfolgen:

a) Durch eine Vakuumspülleitung 161 oder 162 oder 163, beginnend, wenn das Vakuum einen gewählten Wert erreicht, und mit einer Geschwindigkeit, die durch das Ventil in der Leitung 160 festgesetzt wird.

b) Durch eine Vakuumspülleitung 161 oder 162 oder 163 während der gesamten Evakuierungsperiode.

c) Durch Beginnen des Rückfüllens eines Bettes, ehe die Evakuierung zu Ende ist.

Wie bei dem Zweibettverfahren wird das gleich Verfahren brauchbar für die Erzeugung eines stickstoffreichen Produktes im Bereich von 99 % Stickstoff, Rest Sauerstoff, das praktisch frei von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd ist, wenn man die Betten 110,111 und 210 mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb mit oder ohne Trockungsabschnitte 112, 113 und 212 füllt. Wiederum nimmt man an, dass der Druck in dem Bett nach dem Rückfüllen über 400 Torr beträgt.

In den Fig. 9 und 10 der Zeichnung umfasst eine Vorrichtung zur Gewinnung von Argon aus einem sauerstoffreichen Aufgabematerial drei Adsorptionssäulen 310, 311 und 312. Jede Säule enthält eine Schicht von Kohlenstoff-Molekularsieb in der Nachbarschaft seines Einlasses und eine darübergelegte Schicht B von Zeolith als Adsorbens.

Die Vorrichtung hat eine Einlassleitung 313, durch die Aufgabematerial, das praktisch bei Atmosphärendruck vorliegt, wie unten beschrieben eingesaugt wird. Das erzeugte Argon wird durch die Auslassleitung 316 durch einen Kompressor 314 in dieser Leitung abgezogen; dieser Kompressor gibt das Argon bei einem erfoderlichen Überdruck, z. B. von 0,7 kg/cm2, ab. Die Leitung 316 ist für einen weiter unten beschriebenen Zweck mit einer Zweig-Kreislaufleitung 317 versehen. Die Säulen 310, 311 und 312 können durch die Leitung 319 mittels einer Vakuumpumpe 320 evakuiert werden. Die zweite Gasfraktion von jeder Säule kann durch die Leitungen 321, 322 bzw. 323 im Kreislauf geführt werden.

Wenn man einen Arbeitszyklus in der Säule 310 betrachtet, so öffnet sich das Ventil 324, und gleichzeitig öffnet sich das Ventil 325, so dass das Aufgabematerial durch die Adsor-bensschichten A und B gesaugt und Argon durch die Leitung 316 abgezogen wird. Während das Aufgabematerial die Kohlenstoffschicht A von Säule 310 passiert, wird Sauerstoff aus dem Aufgabematerial entfernt, so dass ein praktisch sauerstofffreies Gemisch aus Argon und Stickstoff in den Zeolith-Abschnitt gelangt, wo der Stickstoff entfernt und ein prak5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

620 594

tisch reines Argonprodukt von dem Auslassende der Säule abgezogen wird. Wenn der Gehalt an Verunreinigungen in dem Argonprodukt zu steigen beginnt, schliesst sich das Ventil 325, und das Ventil 326 öffnet sich, wobei eine «zweite Fraktion» an eine Stelle oberhalb des ersten Trockungsabschnittes 5 der Kohlenstoffschicht A von Säule 312 in die Säule 312 geleitet wird. Am Ende der zweiten Fraktion schliessen sich die Ventile 324 und 326, und das Ventil 328 öffnet sich, um die Adsorbentien durch Evakuieren zu regenerieren. Nach Beendigung der Evakuierung öffnet sich das Ventil 329, um 10 das Bett 310 mit Gas von Produktqualität rückzufüllen, und nachdem sich das Ventil 329 geschlossen hat, öffnet sich das Ventil 326', so dass die zweite Gasfraktion von Säule 311 in Säule 310 strömt, und gleichzeitig öffnet sich das Ventil 325, so dass das erzeugte Argon abgezogen wird. Wenn die zweite 15 Fraktion beendet ist, schliesst sich das Ventil 326', und das Ventil 324 öffnet sieht, um Ausgangsgas einzulassen. Wenn drei Kohlenstoff-Zeolith-Elemente in diesem Zyklus arbeiten, aber um 120° gegeneinander verschoben, wird ein kontinuierlicher Argonproduktstrom abgezogen. Dieser Zyklus ist sehe- 20 matisch in Fig. 10 dargestellt. Die Säule wird während der Regenerierung der Adsorbensschichten A und B durch die Pumpe 320 auf ca. 70 Torr evakuiert.

Wenn jede Säule einen gewählten Unterdruck, wie 500 bis 600 Torr, z. B. etwa 550 Torr, erreicht (aber niedrigere 25

Drücke können vorteilhaft sein), wird die Leitung 317 während des Rückfüllens durch eine druckempfindliche Steuervorrichtung 332 automatisch geschlossen, so dass die Säule sich bei Unterdruck befindet, wenn sich das Ventil 326' für die zweite Fraktion öffnet.

Es ist einzusehen, dass das Aufgabematerial durch die Wirkung der Pumpe 314 und indirekt durch die Wirkung der Vakuumpumpe 320, welche die Adsorbensmaterialien regeneriert, durch die Leitung 313 in die Anlage gesaugt wird.

Die Stellung des Einlasses für die zweite Fraktion in die Säulen hängt von der Zusammensetzung des Aufgabematerials und etwa darin vorhandenen Verunreinigungen, wie Feuchtigkeit und Kohlendioxyd, ab. Der Einlass kann sich in jeder Stellung vom Säuleneinlass bis zur Verbindung der Zeolith- und Kohlenstoff-Schichten A und B befinden.

Fig. 11 erläutert schematisch einen Teil einer kryogenen Lufttrennanlage, die eine «pressure swing»-Adsorptionsvorrichtung umfasst, wie sie oben in bezug auf die Fig. 9 und 10 beschrieben wurde; sie ist schematisch durch den Block 350 wiedergegeben. Ein kalter Gasstrom, der z. B. 12% Argon, 87 % Sauerstoff und 1 % Stickstoff enthält, wird aus einer Rektifizierkolonne 351 der Lufttrennanlage abgezogen. Dieser Strom wird in einem Wärmeaustauscher 351 auf Atmosphärentemperatur erwärmt und durch den aus der Kolonne 352 abgezogenen kalten Gasstrom gekühlt, ehe er wieder in die Kolonne zurückgeführt wird, so dass die Kälte des aus der Kolonne 351 abgezogenen Gasstromes zurückgewonnen wird.

s

6 Blatt Zeichnungen

Claims

620 594

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Trennen der Komponenten eines Gasgemisches, insbesondere zur Erhöhung des Anteils einer der Gaskomponenten im gasförmigen Gemisch, dadurch gekennzeichnet, dass man das Gasgemisch in einem praktisch nicht unter Druck stehenden Zustand durch ein Bett (10, 11; 110, 111, 210; 310, 311, 312) eines Adsorbens, das eine oder mehrere Komponenten des Gasgemisches bevorzugt adsorbiert, saugen lässt, und zwar unter der Einwirkung eines an einen Auslass (19; 119; 316) des Bettes angelegten verminderten Druckes, und das Bett dann vor dem weiteren Einlass des gasförmigen Gemisches in das Bett (10, 11; 110, 111, 210;

310, 311, 312) regeneriert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Gemisch Luft ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Gaskomponenten Sauerstoff ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als Adsorbens ein Zeloith-Molekularsieb verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Gaskomponenten Stickstoff ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man als Adsorbens ein Kohlenstoff-Molekularsieb verwendet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man mehrere Adsorbensbetten (10,11; 110,111, 210; 310, 311, 312) verwendet, von denen jedes einen mindestens annähernd gleichen Zyklus durchläuft, aber gegenüber dem Zyklus des anderen Bettes oder der anderen Betten verschoben, so dass eine praktisch kontinuierliche Zufuhr von Produktgas erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man das Adsorbensbett oder jedes Ad-sorbensbett durch Evakuierung des Bettes regeneriert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man nach der Evakuierung des Bettes (10, 11 ; 110,111, 210; 310, 311, 312) und vor dem nächsten Einlassen von gasförmigem Gemisch in das Bett ein an dem Gas angereichertes gasförmiges Gemisch in das Bett einlässt, wobei der Druck in dem Bett nach diesem Einlassen von gasförmigem Gemisch sich auf einem Wert unterhalb Atmosphärendruck befindet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man das angereicherte gasförmige Gemisch einlässt, ehe die Evakuierung des Bettes (10, 11; 110,111, 210; 310, 311, 312) beendet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man das angereicherte gasförmige Gemisch während der ganzen Evakuierung des Bettes einlässt, so dass es als Spülgas wirkt und zur Regenerierung des Adsorbens beiträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man mehrere Betten verwendet, wobei das wie angegeben in das Bett (10,11; 110,111, 210; 310,

311, 312) eingelassene, angereicherte gasförmige Gemisch aus dem Produktauslass (19; 119; 316) des anderen oder eines anderen Bettes genommen wird.
13. Verfahren nach einem des Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man mehrere Adsorbensbetten (110, 111, 210; 310, 311, 312) verwendet und nur einen ersten Teil des aus jedem Bett abgezogenen Gases als Produkt sammelt und den Rest dieses Gases als Teil des Aufgabematerials für ein anderes Bett verwendet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass man in den Adsorbensbetten (10, 11; 110, 111, 210; 311, 312) gasförmige Verunreinigungen, wie z. B. Wasserdampf, aus dem Gemisch entfernt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass man die gasförmigen Verunreinigungen in einer der Hauptadsorbensschicht jedes Bettes (10, 11; 110, 111, 210;

310, 311, 312) vorgeschalteten Vorreinigerstufe (12, 13; 112, 113, 213) entfernt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Gemisch die gewünschte Gaskomponente und mindestens zwei andere Bestandteile enthält, wobei man das Gemisch nacheinander durch ein erstes Adsorbensbett (310A, 311A, 312A), das einen der anderen Bestandteile bevorzugt adsorbiert, und durch ein zweites Adsorbensbett (310B, 311B, 312B), das den anderen oder einen anderen der anderen Bestandteile bevorzugt adsorbiert, saugt, und zwar mindestens teilweise unter der Wirkung eines verminderten Druckes, der an einen Auslass des zweiten Adsorbensbettes angelegt wird, und dann die Betten vor dem weiteren Einlass des gasförmigen Gemisches in die Betten regeneriert.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass man Adsorbensbetten mit getrennten Schichten (A, B) von Adsorbensmaterialien, die in einem einzigen Gefäss enthalten sind, verwendet.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens drei mindestens annähernd gleiche Paare von Adsorbensbetten (310A/B, 311A/B, 312A/B) verwendet, wobei die Paare von Betten mit mindestens annähernd gleichen Zyklen betrieben werden, wobei die Zyklen aber gegeneinander verschoben sind, so dass ein praktisch kontinuierlicher Strom des gewünschten Gases erzeugt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Argon ist und die anderen Bestandteile des gasförmigen Gemisches Sauerstoff und Stickstoff enthalten.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Gemisch ein sauerstoffreiches Aufgabematerial ist, das aus der Rektifiziersäule (35) einer kryogenen Lufttrennanlage abgezogen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass man als erstes Adsorbensbett ein Adsorbens, das Stickstoff selektiv adsorbiert, und als anderes Adsorbensbett ein Adsorbens, das Sauerstoff selektiv adsorbiert, verwendet.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass man den verminderten Druck mit Hilfe eines Kompressors (18; 118; 314), der Produktgas unter einem Überdruck abgibt, an das Bett bzw. die Betten anlegt.
23. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Bett (10, 11; 110, III, 210; 310, 311, 312) zur Aufnahme eines Adsorbens, das eine oder mehrere Komponenten des Gasgemisches bevorzugt adsorbiert, Mittel (15; 115; 313) zum Leiten des Gasgemisches zu einem Einlass (16,17; 116, 117, 216) des Bettes, Mittel (18; 118; 314) zum Anlegen eines verminderten Druk-kes an einen Produktauslass (19; 119; 316) des Bettes, Mittel (22; 122; 320) zum Regenerieren des Bettes (10, 11; 110, 111, 210; 310, 311, 312) und Mittel zum Steuern aller vorstehend genannten Mittel, so dass die Vorrichtung im Betrieb einen Zyklus ausführt, bei dem gasförmiges Gemisch durch die Mittel (18; 118; 314) zum Anlegen eine verminderten Druk-kes an einen Produktauslass (19; 119; 316) des Bettes in praktisch nicht unter Druck befindlichem Zustand durch die Mittel (15; 115; 313) zum Leiten des Gasgemisches zu einem Einlass des Bettes (10, 11; 110, 111, 210; 310, 311, 312) und dann durch das Bett gesaugt werden, während die Mittel (22; 122; 320) zum Regenerieren des Bettes nicht in Betrieb sind, worauf die Mittel (22; 122; 320) zum Regenerieren des Bettes in Betrieb gesetzt werden, um das in Gebrauch befindliche Adsorbens in dem Bett zu regenerieren, während die Mittel (15;

115; 313) zum Leiten des Gasgemisches zu einem Einlass des Bettes und die Mittel (18; 118; 314) zum Anlegen des verminderten Druckes von dem Bett isoliert sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

620 594

net, dass die Mittel zum Anlegen eines verminderten Druckes eine Pumpe (18; 118; 314) aufweisen, die einen verminderten Druck an den Produktauslass (19; 119; 316) anzulegen und aus dem Bett durch diesen Auslass abgezogenes Produktgas auf einen Überdruck zu komprimieren vermag. 5
25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Regenerieren des Bettes Mittel (22; 122; 320) zum Anlegen eines Vakuums an das Bett aufweisen.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens ein Zeolith-Mo-lekularsieb ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25,

dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens ein Kohlenstoff-Molekularsieb ist. 15
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, gekennzeichnet durch mehrere mindestens annähernd gleiche Adsorbensbetten und Mittel zum Betreiben dieser Betten nach dem oben beschriebenen Zyklus, wobei aber die Zyklen der einzelnen Betten (10, 11; 110, 111, 210; 310, 311, 312) ge- 20 geneinander verschoben sind.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch Mittel (150, 151, 152) zum Leiten von gasförmigem Gemisch vom Auslassende (120,121, 220) eines beliebigen Bettes zu dem Einlassende (116, 117, 216) eines anderen der Betten, 25 wobei die vorstehend erwähnten Steuermittel dazu geeignet sind, die Mittel (115) zum Leiten des Gasgemisches zu einem Einlass (116,117, 216) eines Bettes ausser Betrieb zu setzen,

bis ein erster Teil des Gases aus dem Auslass des Bettes als Produkt abgezogen worden ist. 30
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 29,

dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptadsorbensschicht jedes Bettes (10, 11; 110, 111, 210; 310, 311, 312) eine separate Vorreinigerstufe (12, 13; 112, 113, 213) zur Entfernung von Verunreinigungen aus dem gasförmigen Gemisch aufweist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 30, gekennzeichnet durch zwei in Serie geschaltete Adsorbensbetten (A, B), die aus einem gasförmigen Gemisch, das die gewünschte Komponente und mindestens zwei andere Komponenten enthält, die betreffenden, von der gewünschten Komponente verschiedenen Komponenten bevorzugt adsorbieren, wobei die Mittel (314) zum Anlegen eines verminderten Druckes mit einem Produktauslass des zweiten, in Reihe geschalteten Bettes (310, 311, 312) verbunden sind.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorbensbetten (310, 311, 312) getrennte Schichten (A, B) von Adsorbensmaterial aufweisen, die in einem einzigen Gefäss enthalten sind.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, gekennzeichnet durch mindestens drei gleiche Paare von Adsorbensbetten (310A, 310B, 211A, 311B, 312A, 312B) der oben definierten Art, wobei die Steuermittel diese Paare von Betten mit mindestens annähernd gleichen Zyklen betreiben, die gegeneinander phasenverschoben sind.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Adsorbensbett in der Reihe ein Zeolith-Molekularsieb und das zweite Adsorbensbett in der Reihe ein Kohlenstoff-Molekularsieb ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 34, gekennzeichnet durch eine den Adsorbensbetten vorgeschaltete kryogene Lufttrennanlage mit einer Rektifizierkolonne (351), aus der sauerstoffreiches Aufgabegut abgezogen wird.