DE19503007C2 - Druckwechseladsorptionsverfahren - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein kontinuierlich arbeitendes Druckwechseladsorptionsverfahren
zum Reinigen von Gasen und Trennen von Gasgemischen, insbesondere zum Anrei
chern von Sauerstoff aus Luft, unter Verwendung von mindestens drei Adsorbern, bei
dem jeder der Adsorber einen Arbeitszyklus, bestehend aus einem Adsorptions-, einem
Desorptions- und einem Druckaufbautakt, durchläuft.
Die Sauerstoffanreicherung von Luft nimmt gegenüber anderen Druckwechsel
adsorptionsverfahren eine besondere Stellung ein, da neben dem Stickstoff auch
Sauerstoff und Argon der Luft an den hierfür verwendeten Molekularsieben bzw.
Zeolithen adsorbiert werden. Es ist deshalb nicht möglich, nur den Stickstoff zu
adsorbieren und den gesamten Sauerstoff der Einsatzluft zu gewinnen. Vielmehr
werden in der Praxis nur Sauerstoffausbeuten von etwa 40-60% erzielt. Da Argon
ähnlich schwach wie Sauerstoff adsorbiert wird, erhält man im Falle der Sauerstoff
gewinnung aus Luft nur Sauerstoffreinheiten von maximal 95% mit einem ca. 5%igen
Restanteil von Argon. Um diese hohen Sauerstoffkonzentrationen zu erzielen, muß der
Arbeitstakt eines Adsorbers abgebrochen werden, bevor die Stickstoff-Konzentra
tionsfront den Adsorberaustritt erreicht. Der Sauerstoff in der Übergangszone geht
verloren und ein Teil des Adsorbens bleibt ungenutzt. Dadurch werden Kapazität und
Ausbeute des Verfahrens gemindert. Die Länge der Massenübergangszone wächst
dabei mit steigender Stömungsgeschwindigkeit an.
Ein kontinuierlich arbeitendes Druckwechseladsorptionsverfahren gemäß dem Ober
begriff des Anspruchs 1 ist z. B. aus der DE-31 44 012 C2 bekannt. In ihr wird, um eine
höhere Ausbeute und geringere Betriebskosten für ein Druckwechseladsorptionsver
fahren zu erhalten, der in der Regenerierphase befindliche Adsorber im Gegenstrom
gespült. Das Spülgas wird aus dem Adsorber gewonnen, der den Adsorptionsschritt
gerade beendet hat. Der Sauerstoff in der oben erwähnten Übergangszone wird so
zumindest als Spülgas nutzbar gemacht.
Aus der US-PS 4 684 377 ist ebenfalls ein kontinuierlich arbeitendes Druckwechsel
adsorptionsverfahren bekannt, bei dem während der Desorptionsphase ein Druckaus
gleich zwischen zwei Adsorbern erfolgt, wobei derjenige Adsorber, der Druckausgleichsgas
abgibt, im Gleichstrom entspannt wird. Der Druckaufbau in demjenigen
Adsorber, der das Druckausgleichsgas empfängt, erfolgt hingegen im Gegenstrom. Der
Sauerstoff der Übergangszone wird hier also als Teil des Druchaufbaugases genutzt.
Den beiden genannten Verfahren ist es gemein, daß sich jeweils nur ein Adsorber im
Adsorptionstakt befindet.
Nachteilig bei beiden Verfahren ist, daß die zur Steigerung der Ausbeute eingeführten
Verfahrensschritte (Spülen bzw. Druckausgleich) durch zusätzliche Ventile realisiert
werden, was zu höheren Investitionskosten führt. Außerdem gelangt während der
beiden Schritte ein Gasstrom in den regenerierten Adsorber, der schon größere
Mengen Verunreinigungen enthält, was die Kapazität für den nachfolgenden Adsorp
tionsschritt verringert. Der Sauerstoff der Übergangszone wird nicht als Produkt
gewonnen, sondern nur indirekt als Spülgas oder Druckaufbaugas genutzt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein kontinuierlich arbeitendes Druckwechsel
adsorptionsverfahren anzugeben, das die genannten Nachteile nicht aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Arbeitszyklen der Adsorber so
gegeneinander versetzt sind, daß sich zeitgleich zwei Adsorber im gleichen Arbeitstakt
befinden, wobei die Überschneidung von gleichen Arbeitstakten zweier Adsorber in der
Endphase des Arbeitstaktes desjenigen Adsorbers, der diesen Arbeitstakt als erster
beginnt, erfolgt.
Wie bereits erwähnt, befindet sich die Adsorptionsfront während der Endphase der
Adsorption kurz vor dem Adsorberende. Da gemäß der Erfindung in dieser Phase nun
bereits ein zweiter Adsorber auf den Adsorptionstakt geschaltet wird, verteilt sich die
über die Zeit konstante Feedgasmenge auf die beiden im Adsorptionstakt befindlichen
Adsorber. Dadurch verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb dieser
Adsorber. Dies führt dazu, daß steilere Adsorptionsfronten erzielt werden, wodurch sich
die Übergangszone deutlich verkleinert und mehr Produkt gewonnen wird. Die
ursprüngliche Steilheit der Adsorptionsfront wird erst bei höherer Strömungsgeschwin
digkeit und damit höherer Rohgaskapazität erreicht.
Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand der Figur sowie den
Taktschemata A bis D erläutert.
Die in den Taktschemata verwendeten Abkürzungen für die Arbeitszyklen haben
folgende Bedeutung:
A: Adsorption
E1: Druckerniedrigung bei gleichzeitigem Druckausgleich mit einem Adsorber, der sich im Arbeitszyklus R1 befindet
EV: Evakuieren
EVP: Evakuieren mit gleichzeitigem Gegenstromspülen
R1: Druckaufbau mit dem Druckausgleichsgas eines Adsorbers, der sich im Arbeitszyklus E1 befindet
RO: Druckaufbau mit Produktgas
RF: Druckaufbau mit Feedgas
A: Adsorption
E1: Druckerniedrigung bei gleichzeitigem Druckausgleich mit einem Adsorber, der sich im Arbeitszyklus R1 befindet
EV: Evakuieren
EVP: Evakuieren mit gleichzeitigem Gegenstromspülen
R1: Druckaufbau mit dem Druckausgleichsgas eines Adsorbers, der sich im Arbeitszyklus E1 befindet
RO: Druckaufbau mit Produktgas
RF: Druckaufbau mit Feedgas
Anhand der Figur, insbesondere des darin dargestellten Adsorbers A1 sei zunächst
Grundsätzliches zum erfindungsgemäßen Druckwechseladsorptionsverfahren erläutert.
Der Adsorber A1 weist insgesamt vier Ventile auf, nämlich die Ventile 11, 12, 13 und
14. Bei geöffneten Ventilen 11 und 12 wird der mittels des Verdichters V verdichtete
Feedgasstrom dem Adsorber A1 über die Feedgasleitung 10 zugeführt und über
Leitung 20 der Produktgasstrom abgezogen. Nach Beendigung des Adsorptionstaktes
und der damit verbundenen Schließung der Ventile 11 und 12 erfolgt in der Regel ein
Evakuieren des Adsorbers A1. Auf mögliche, dazwischengeschaltete Schritte wird im
folgenden noch eingegangen werden. Während der Evakuierung ist wenigstens
Ventil 14 zu öffnen, so daß der vom Adsorptionsbett abzuziehende Restgasstrom
mittels der Vakuumpumpe P über die Restgasleitung 40 abgezogen werden kann.
Nach Beendigung des Desorptionstaktes erfolgt der erneute Druckaufbau bis zum
Adsorptionsdruck.
Das Taktschema A zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Druckwechseladsorp
tionsverfahren, bei der am Ende der Evakuierung eine Gegenstromspülung des zu
evakuierenden Adsorbers erfolgt. Hierzu wird, wie im Taktschema A dargestellt, am
Ende der Evakuierungsphase (Takt 4) das Ventil 13 geöffnet, so daß bei geöffnetem
Ventil 40 über die Leitung 30 ein Teil des in Leitung 20 abgezogenen Produktgas
stroms zum Spülen des Adsorptionsbettes des Adsorbers A1 verwendet werden kann.
Nach Beendigung der Evakuierungsphase wird dann lediglich das Ventil 14 geschlossen
und bei nach wie vor geöffnetem Ventil 13 mit einem Teil des Produktgasstroms
der Adsorber A1 wieder aufgedrückt. Wie aus dem Taktschema A weiter ersichtlich,
dauert die Adsorptionsphase in einem Adsorber z. B. 45 Sekunden, wobei 10 Sekunden
vor Beendigung der Adsorptionsphase bereits in einem zweiten Adsorber die Adsorp
tionsphase beginnt. Zu diesem Zweck werden neben den geöffneten Ventilen 11 und
12 auch die Ventile 21 und 22 des Adsorbers A2 geöffnet. Da sich die über die Feed
gasleitung 10 herangeführte Feedgasmenge über die Zeit nicht ändert, kommt es zu
einer Verteilung dieser Gasmenge auf die beiden "auf Adsorption geschalteten"
Adsorber A1 und A2. Dies führt dazu, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb
der beiden Adsorber entsprechend verringert. Auf diese Weise lassen sich nun
innerhalb eines Adsorbers steilere Adsorptionsfronten erzielen, wodurch sich die
Kapazität des erfindungsgemäßen Druckwechseladsorptionsprozesses erhöht. Die
Variante nach Taktschema A ist besonders dann sinnvoll, wenn bei höheren Desorpti
onsdrücken (≧ 250 mbar) gearbeitet werden soll.
Taktschema B zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Druckwechseladsorptions
verfahrens, bei der im Anschluß an den Adsorptionstakt zunächst ein Druckausgleich
zwischen dem Adsorber, der zuvor seinen Adsorptionstakt beendet hat, und dem
Adsorber, dessen Evakuierung beendet wurde, erfolgt. Dazu wird nach Schließung der
Ventile 11 und 12 Ventil 13 des Adsorbers A1 und Ventil 33 des Adsorbers A3 geöffnet.
Da der Adsorber A3 zuvor bis auf den Endvakuumdruck evakuiert wurde, kommt es
nun aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Adsorber A1 und dem Adsorber A3 zu
einem Druckausgleich zwischen diesen beiden Adsorbern. Nach Beendigung des
Druckausgleiches wird Ventil 13 geschlossen und Ventil 14 geöffnet. Nun kann die
Evakuierung des Adsorbers A1 mittels der Vakuumpumpe P erfolgen. Der anschließen
de Druckaufbautakt verlangt ein Schließen des Ventils 14 und ein erneutes Öffnen des
Ventils 13. Der erste Teil des Druckaufbautakts erfolgt mit Druckausgleichsgas aus
dem Adsorber A2, das aus diesem über das geöffnete Ventil 23 in den Adsorber A1
strömt. Der zweite Teil des Druckaufbautakts erfolgt dann mit einem Teilstrom des
mittels Leitung 30 bei geöffnetem Ventil 40 aus der Produktgaseitung 20 abgezogenen
Produktgasstroms. Nach Beendigung des Druckaufbautakts wird Ventil 13 geschlossen
und es beginnt mit dem Öffnen der Ventile 11 und 12 erneut der Adsorptionstakt. Da
bei der Variante nach Taktschema B relativ stark verunreingtes Druckaufbaugas auf
den Kopf des regenerierten Adsorbers gefahren wird, ist sie besonders dann
einsetzbar, wenn kein hochreiner Sauerstoff (≦ 91%) gefordert ist.
Die im Taktschema C dargestellte Variante stellt eine Kombination der ersten beiden
Varianten dar. Hierbei wird am Ende des Desorptionstaktes, während der Evakuierung
des Adsorbers A1 und bei geöffnetem Ventil 14, zusätzlich Ventil 13 geöffnet und der
Adsorber A1 mit einem Teil des Produktgasstroms, der dem Adsorber über Leitung 30
zugeführt wird, gespült.
Bei der im Taktschema D dargestellten Variante schließt sich unmittelbar an den
Adsorptionstakt eines Adsorbers die Evakuierung dieses Adsorbers an. Am Ende der
Evakuierung wird wiederum eine Gegenstromspülung durchgeführt, also im Falle des
Adsorbers A1 zusätzlich zum Ventil 14 Ventil 13 geöffnet und nach dem Schließen des
Ventils 14 und damit verbunden dem Beenden der Evakuierung bei weiterhin geöffne
tem Ventil 13 der erste Teil des Druckaufbaus mittels der über Leitung 30 abgezogenen
Sauerstofffraktion erreicht. Der zweite Teil des Druckaufbaus im Adsorber A1 erfolgt
nach Schließung des Ventils 13 und Öffnung des Ventils 11 mittels des
Feedgasstroms. Dies ist dann besonders sinnvoll, wenn ein höherer Abgabedruck für
das Produkt gewünscht ist.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß neben den dargestellten und beschrie
benen Verfahrensvarianten weitere Variationsmöglichkeiten, die unter den Gegenstand
der Erfindung fallen, denkbar sind.
Claims (2)
1. Kontinuierlich arbeitendes Druckwechseladsorptionsverfahren zum Reinigen von
Gasen und Trennen von Gasgemischen, insbesondere zum Anreichern von Sauer
stoff aus Luft, unter Verwendung von mindestens drei Adsorbern (A1, A2, A3), bei
dem jeder der Adsorber einen Arbeitszyklus, bestehend aus einem Adsorptions-,
einem Desorptions- und einem Druckaufbautakt, durchläuft, dadurch gekennzeich
net, daß die Arbeitszyklen der Adsorber (A1, A2, A3) so gegeneinander versetzt
sind, daß sich zeitgleich zwei Adsorber im gleichen Arbeitstakt befinden, wobei die
Überschneidung von gleichen Arbeitstakten zweier Adsorber in der Endphase des
Arbeitstaktes desjenigen Adsorbers, der diesen Arbeitstakt als erster beginnt,
erfolgt.
2. Kontinuierlich arbeitendes Druckwechseladsorptionsverfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der Überschneidung von gleichen
Arbeitstakten zweier Adsorber 5 bis 50%, vorzugsweise 10 bis 35% der Zeitdauer
des Adsorptionstaktes beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995103007 DE19503007C2 (de) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | Druckwechseladsorptionsverfahren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995103007 DE19503007C2 (de) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | Druckwechseladsorptionsverfahren |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19503007A1 DE19503007A1 (de) | 1996-08-01 |
DE19503007C2 true DE19503007C2 (de) | 2002-11-07 |
Family
ID=7752740
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995103007 Expired - Fee Related DE19503007C2 (de) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | Druckwechseladsorptionsverfahren |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19503007C2 (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19602450C1 (de) * | 1996-01-24 | 1997-02-13 | Linde Ag | Vakuumdruckwechseladsorptionsverfahren und -vorrichtung |
US7641716B2 (en) | 2005-01-12 | 2010-01-05 | H2Gen Innovations, Inc. | Methods and apparatus for improved control of PSA flow variations |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4684377A (en) * | 1985-05-17 | 1987-08-04 | Seitetsu Kagaku Co., Ltd. | Process for producing oxygen-enriched gas |
DE3144012C2 (de) * | 1981-11-05 | 1990-05-17 | Bayer Ag, 5090 Leverkusen, De |
-
1995
- 1995-01-31 DE DE1995103007 patent/DE19503007C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3144012C2 (de) * | 1981-11-05 | 1990-05-17 | Bayer Ag, 5090 Leverkusen, De | |
US4684377A (en) * | 1985-05-17 | 1987-08-04 | Seitetsu Kagaku Co., Ltd. | Process for producing oxygen-enriched gas |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE19503007A1 (de) | 1996-08-01 |
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