DE19503007C2 - Druckwechseladsorptionsverfahren - Google Patents

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

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.