DE2214820A1 - Adsorptionsverfahren zur Gastrennung - Google Patents
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Description
DIPL-CHEM. DR. RER. NAT. WALTER NIELSCH
2 HAMBURQ 70, POSTFACH 10914 ■ SCHLOSS-STRASSE HE · TELEFON: 6529707
Professor Dr. Takaaki Tamura
No. 5-7» 2-chome Kitano, Mitaka-shi, Tokyo/Japan
Adsorptionsverfahren zur Gastrennung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Trennung von Gasen aus einem Gasgemisch durch ein Adsorbens und
genauer ausgedrückt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Trennung im industriellen Maßstab,
um aus einem Gasgemisch die Gaskomponente, die am leichtesten von einem Adsorbens adsorbiert wird (nachfolgend
wird eine solche Gaskomponente "leicht adsorbierbares Gas oder Gaskomponente" genannt) in
einem hochreinen Zustand zu gewinnen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, um im
industriellen Maßstab aus einem Gasgemisch die leicht adsorbierbare Gaskomponente und die Komponente, welche
am schwächsten an dem Adsorbens adsorbiert ist,üu gewinnen,
(wobei eine solche Gaskomponente nachfolgend "weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente" genannt wird), wobei
jede Komponente für sich in einem hochreinen Zustand erhalten wird.
Verschiedene Vorschläge sind schon zur Abtrennung einer spezifischen Gaskomponente oder von spezifischen
Gaskomponenten durch Verwendung der selektiven
adsorptiven Eigenschaften einer jeden Gaskomponente
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■22U820
in dem Gasgemieh unterbreitet worden. In derartigen herkömmlichen Gastrennungsverfahren wird ein Gasgemisch
in eine Adsorptionssäule eingeführt, die mit einem Adsorbens von dem einen, Ende der Säule aufgefüllt
ist, um die leicht adsorbierbare Komponente zu adsorbieren. Die weniger leicht adsorbierbare
Komponente wird als eine angereicherte Komponente von dem entgegengesetzten Ende der Säule abgetrennt
und falls erforderlich, kann die adsorbierte Komponente auch durch Erhitzen oder durchIhterdruck abgetrennt
werden. Ein derartiges Gastrennungsverfahren unter Verwendung
eines Adsorbens ist schon auf den verschiedensten Gebieten verwendet worden und außerdem ist es
kürzlich vorgeschlagen worden, um Sauerstoff oder Stickstoff aus der Luft abzutrennen unter Verwendung
eines Adsorbens von einer Art, die Molekularsieb genannt wird.
Bisher sind derartige bekannte Trennungsvorrichtungen lediglich so ausgeführt worden, daß diese aus einer
einfachen Kombination einer Adsorptionsstufe und einer Desorptionsstufe bestehen und keines von diesen
bekannten Verfahren ist bis dahin soweit entwickelt worden, um hochreine Gase im industriellen oder wirtschaftlichen
Maßstab zu erhalten. Insbesondere ist ein derartiges Verfahren mit großen Schwierigkeiten
verbunden, bei dem hochreiner Sauerstoff oder Stickstoff aus der Luft in einem industriellen Maßstab abgetrennt
werden soll.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat schon früher ein verbessertes Adsorptionsverfahren zur Gastrennung
entdeckt und hat die Abtrennung einer weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente aus einem Gasgemisch
beschrieben und zwar in einem hochreinen Zustand und mit einer hohen Wirksamkeit, wie dies aus
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22H820
der deutschen Offenlegungsschrift 1 544 152 hervorgeht..
Insbesondere bei der Ausführung des verbesserten Adsorptionsverfahrens , in dem das spezifische Adsorbens verwendet
wird, welches durch Behandlung eines natürlich vorkommenden Tuffs erhalten wird, wie es nachfolgend im
einzelnen beschrieben wird, ist es gelungen, hochreinen Sauerstoff aus Luft abzutrennen.
Gemäß meinem vorerwähnten verbesserten Verfahren wird im Fall der Durchführung des Adsorptionsverfahrens zuerst
die Adsorptionssäule einem Desorptionsvorgang unter einem verminderten Druck (Desorptionsstufe) unterworfen. Dann
wird durch Einführen eines Gasgemisches in die Adsorptionssäule von deren einem Ende und unter Aufrechterhaltung des
Druckes in der Säule bei Normaldruck oder einem definierten Druck gearbeitet, welcher höher als der Normaldruck ist,
und unter Portsetzen der Einführung des Gasgemisches, wobei die leicht adsorbierbare Gaskomponente an dem Adsorbens
adsorbiert wird und gleichzeitig die weniger leicht adsorbierbare Komponente von der entgegengesetzten Seite der
Säule in einem reinen Zustand abgetrennt wird (Adsorptionsstufe) durch Verwendung einer Rückführungsstufe zwischen
der Desorptionsstufe und der Adsorptionsstufe. Dies bedeutetjdurch
Einführung eines hochreinen Gases, welches die gleiche Zusammensetzung besitzt wie das weniger leicht
adsorbierbare Gas in der Säule unmittelbar nach der Vervollständigung des DesorptionsVorganges bis der Druck in
der Säule einen definierten Druck erreicht, kann die Durchbruchskurve schärfer ausgebildet erhalten werden und die
weniger leicht adsorbierbare Gaszusammensetzung kann aus dem Gasgemisch in einem hochreinen Zustand und in einer
hohen Ausbeute abgetrennt werden.
Jedoch wenn das verbesserte Adsorptionsverfahren durch
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Vervrendung des spezifischen Adsorbens durchgeführt wird,
wie es noch nachfolgend näher erläutert werden wird, kann hochreiner Sauerstoff, der weniger als 0,1 % Stickstoff
enthält, aus der Luft abgetrennt werden.
Jedoch zielt das vorstehend genannte Verfahren auf die Gewinnung der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente.
Wenn das vorstehende Verfahren verwendet wird, um die leicht adsorbierbare Gaskomponente zu gewinnen,
das bedeutet, Abtrennen der Gaskomponente, die an dem Adsorbens adsorbiert ist in einer Desorptionsstufe
unter einem vermindertem Druck, ist es schwierig, in zufriedenstellender Weise ein hochreines Produkt zu
erhalten.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um in einem industriellen
Maßstab, die leicht adsorbierbare Gaskomponente in einem hochreinen Zustand aus einem Gasgemisch
unter Verwendung eines Adsorbens zu erhalten.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff in einem hochreinen Zustand
aus Luft in einem industriellen Maßstab unter Verwendung des spezifischen Adsorbens zur Verfügung zu
stellen.
Eine noch weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Einzeltrennung von beiden, nämlich der
leicht adsorbierbaren Gaskomponente und der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente aus dem Gasgemisch
zur Verfügung zu stellen, um jede in einem hochreinen Zustand durch Verwendung eines Adsorbens zu erhalten.
Ein noch anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es,
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ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, in dem in einem industriellen Maßstab hochreiner Sauerstoff und hochreiner
Stickstoff aus Luft abgetrennt durch Verwendung des spezifischen Adsorbens erhalten wird.
Wie die Ergebnisse von verschiedenen Untersuchungen zeigen,
hat der Erfinder gefunden, daß durch Spülen der Adsorptionssäule mit einem im wesentlichen reinen Gas, welches
die gleiche Zusammensetzung wie das leicht adsorbierbare Gas unter demselben Druck besitzt, wie dieser in der Adsorptionsstufe
nach Durchführung der Adsorptionsstufe vorliegt und falls erforderlich, das weniger leicht adsorbierbare
Gas abtrennt und vorher die an dem Adsorbens adsorbierte leicht adsorbierbare Gaskomponente gewinnt, indem
man das Adsorbens einem Desorptionsvorgang bei vermindertem Druck unterwirft, die leicht adsorbierbare Gaskomponente
in einem außergewöhnlich hochreinen Zustand in der nachfolgenden Desorptionsstufe gewonnen werden kann.
In diesem Fall wird das hochreine Spülgas von einer äußeren Gasquelle oder einem Tank in der ersten Stufe
zugeleitet. Aber von der zweiten Stufe ab kann das in der Desorptionsstufe gewonnene Gas dafür verwendet werden.
Außerdem kann durch Kombinieren des Verfahrens der vorliegenden Erfindung und der Rückführungsstufe, die
schon früher durch den gleichen Erfinder gefunden worden ist, die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente in
einem hochreinen Zustand zusammen mit der leicht adsorbierbaren Gaskomponente gewonnen werden. Jedoch durch
Verwendung des spezifischen Adsorbens, wie es nachfolgend noch in dem Verfahren dieser Erfindung beschrieben wird,
kann hochreiner Stickstoff und hochreiner Sauerstoff aus der Luft abgetrennt werden.
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2214&20 - β -
Nun soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren in der beigefügten Zeichnung erläutert werden, in der
eine Ausführungsform einer Adsorptionssäule zur Durchführung
des Verfahrens dieser Erfindung dargestellt ist.
In Pig. 1 ist eine Adsorptionssäule 1 gefüllt mit einem Adsorbens 2, wie Silikagel, Aktivkohle, Zeolith und
dergleichen, dargestellt, um eine Adsorptionseinheit zu bilden. Die Adsorptionssäule 1 ist mit einer Einlaßleitung
4, welche ein Ventil 3 hat und einer Auslaßleitung 6 mit einem Ventil 6 ausgerüstet.
Aus Vereinfachungsgründen wird das Beispiel dieser
Erfindung für den Fall einer Trennung von Stickstoff oder Stickstoff und Sauerstoff aus Luft unter Verwendung
des Adsorbens erläutert. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diesen Fall allein beschränkt. Dies bedeutet,
so wie es in den Beispielen dieser Erfindung beschrieben werden wird, daß das Verfahren dieser Erfindung
auch auf solche Fälle Verwendung finden kann, wie Kohlendioxydgas und Sauerstoff, wobei jedes in
einem hochreinen Zustand aus einem Gemisch dieser Gase getrennt wird. Oder im Falle der Trennung von Wasserstoff
und Stickstoff kann jedes in einem hochreinen Zustand aus einem Ammoniakspaltgas hergestellt werden.
Es ist auch möglich, wertvolle Komponenten aus den verschiedenen Petroleumcrackgasen und dergleichen zu
trennen.
Nun wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
der Einlaß 1I der Adsorptionssäule 1, die ein
Adsorbens mit einer höheren Adsorptionskraft zu Stickstoff als zu Sauerstoff enthält, mit einer Absaugpumpe
(nicht dargestellt) verbunden und das Ventil 3 wird geöffnet, während das Ventil 5 geschlossen ist. So wird
209842/106 5 OBKWtt
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die Säule mit Hilfe der Absaugepumpe evakuiert, um die
Komponenten, die an dem Adsorbens adsorbiert sind, zu entfernen. Danach wird Luft, welche von Feuchtigkeit
und Kohlendioxyd -zuvor befreit worden ist (nachfolgend
als vorbehandelte Luft oder einfachf Luft in dieser Beschreibung bezeichnet) in die Adsorptionssäule
durch den Einlaß k eingeführt. Wenn der innere Druck
der Adsorptionssäule Normaldruck erreicht, wird das Ventil 5 geöffnet und die Einleitung von Luft wird weiter
forgesetzt. Dadurch wird Stickstoff aus der Luft an dem Adsorbens adsorbiert und ein mit Sauerstoff angereichertes
Gas wird am Auslaß 6 aus der Säule abgezogen. In diesem Fall ist das so abgezogene Gas nicht so
rein, daß es für industrielle Zwecke Verwendung finden kann, falls erforderlich, kann das Gas abgetrennt werden.
Wenn die Komponente des Gases am Einlaß 4 fast die gleiche Zusammensetzung wie jene des Gases an dem Auslaß
hat, wird die Einleitung von Luft gestoppt. Danach beginnt ein reines Stickstoffgas von einer äußeren Stickstoffquelle
in die Säule 1 durch den Einlaß 4 einzutreten. In diesem Falle wird der Druck in der Säule bei
dem Druck aufrechterhalten, der so ziemlich der gleiche ist, wie jener bei der Einführung von Luft. Auch da das
Ventil 5 am Auslaß 6 der Säule sich in einem offenen Zustand befindet, wenn die Einführung der Luft fortgesetzt
wird, wird der Gasübersehuß durch das Ventil 5 aus dem Auslaß 6 der Adsorptionssäule 1 abgeleitet. Durch
den Arbeitsvorgang verbleibt Sauerstoff in der Luft in der Säule und das Adsorbens wird durch das Stickstoffgas
gespült. In diesem Falle kann das Spülgas in die Adsorptionssäule von einer Seite der Säule eingeführt werden.
Z.B. werden gleiche Ergebnisse erhalten, wenn das reine Stickstoffgas in die Säule von der Zuleitung 6 eingeführt
wird und aus der Leitung 4 abgeleitet wird.
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Wenn nahezu kein Sauerstoff in dem Gas an dem Auslaß 6 vorhanden ist, in dem Falle der Einführung des Stickstoffgases
von dem Einlaß 4, wird die Einführung von Stickstoffgas gestoppt. Das Ventil 5 wird geschlossen und
dann wird die Säule 1 durch den Auslaß 4 evakuiert, wodurch der Stickstoff in der Säule und an dem Adsorbens
adsorbiert ab^dtrennt wird. Dieser Arbeitsvorgang kann
durchgeführt werden . durch Schließen des Ventils 3 und Evakuieren von der Leitung 6 her.
Bei der vorstehend genannten Arbeitsweise kann hochreiner Stickstoff abgetrennt werden und auch eine gewünschte
Menge von solch hochreinem Stickstoff kann erhalten werden, indem man das Verfahren wiederholt.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
können beide von hoher Reinheit, nämlich hochreiner Stickstoff und hochreiner Sauerstoff aus Luft abgetrennt
werden. Dies bedeutet nach Durchführung der Desorptionsstufe an der Adsorptionssäule 1 wird reiner Sauerstoff
in die Säule von einer äußeren Sauerstoffquelle eingeführt und wenn der eingeführte Sauerstoffdruck in der Säule
Normaldruck erreicht, wird Luft von dem Einlaß 4 eingeführt und zu der gleichen Zeit wird hochreiner Sauerstoff
aus dem Auslaß 6 gewonnen. In der Stufe ist Stickstoff an dem Adsorbens adsorbiert. Jedoch bevor Stickstoff
beginnt in der Gaszusammensetzung an dem Auslaßende: der Säule anwesend zu sein, wird die Einführung von
Luft gestoppt und dann wird reiner Stickstoff in die Säule von dem Einlaß 4, wie es vorstehend schon erläutert worden
ist, eingeleitet. Dann kann durch Durchführung des gleichen Verfahrens wie vorstehend erläutert, reiner
Stickstoff abgetrennt werden. Dies bedeutet, daß gewünschte Mengen an reinem Sauerstoff und reinem Stickstoff
aus Luft abgetrennt werden können, indem man das vor-
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- 9 stehend genannte Verfahren wiederholt.
Weiterhin kann man durch Verwendung des spezifischen Adsorbens, wie es nachstehend noch erläutert werden wird,
als die dritte Ausführungsform dieser Erfindung sehr
hochreinen Stickstoff und sehr hochreinen Sauerstoff aus Luft abtrennen.
Dies bedeutet, daß in der dritten Ausiührungsform dieser
Erfindung das Adsorbens verwendet wird, welches durch Pulverisieren mit einer erforderlichen Korngrößenverteilung
eines natürlich vorkommenden Tuffs hergestellt wird, der hauptsächlich aus SiO23 AIpO, und HpO besteht
und 1 bis 10 Gew.-% Alkali- und Alkalierdmetalloxyde enthält und das Röntgenstrahlanb/eugungsbild besitzt, welches
in der Tabelle 1 oder in der Tabelle 2 dargestellt ist und dann dieses Material einer Entwässerungsbehandlung
durch Erhitzen auf etwa 350 bis 7000C unterworfen hat.
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22 Γ·'320
8 | i | 0,1 | Tabelle | 1 | 8 | Intensität | |
0,1 | 1 0,03 | 10 I/I0 | |||||
- | 0,1 | Intensität | 1 0,03 | 6 | |||
+ | 0,1 | ίο ι/io | Gitterentfer | - 0,03 | 0-1 | ||
Gitterentfer | ± | 0,1 | 2 | nung | - 0,03 | 3 | |
nung | ± | 0,05 | 4 | 3,23 | - 0,03 | 0-2 | |
13,9 | - | 0,05 | 4 | 3,10 | 1 0,03 | 1 | |
9,1 | + | Oj 10 | 2 | 2,90 | 1 0,03 | 1 | |
6,6 | + | 0,10 | 2 | 2,85 | ί 0,03 | 2 | |
6,5 | ± | 0,10 | 2 | 2,71 | 1 0,03 | 0-4 | |
6,1 | i | 0,10 | 2 | 2,58 | i 0,03 | 0-3 | |
5,83 | + | 0,05 | 0-5 | 2,53 | 1 0,03 | 0-2 | |
4,55 | - | 0,03 | 0-2 | 2,49 | 1 0,03 | 2 | |
4,30 | - | 0,10 | 0-4 | 2,47 | - 0,02 | 1 | |
4,26 | + | 0,05 | 0-6 | 2,45 | i 0,02 | 1 | |
4,08 | 0,03 | 7 | 2,04 | ί 0,02 | 1 | ||
4,05 | ± | 0,03 | 2 | 1,96 | ί 0,02 | 0-2 | |
4,01 | 0,10 | 0-4 | 1,88 | - 0,02 | 1 | ||
3,85 | 1 | 1,82 | 1 | ||||
3,81 | 10 | 1,82 | |||||
3,77 | 5 | 1,79 | |||||
3,48 | 0-8 | 1,53 | |||||
3,40 | |||||||
3,35 |
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ORJQiNAL
22H320
ί 0,1 | Tabelle | 2 | Gitterentfer | 8 | Intensität | |
± 0,1 | nung | ± o 03 | 10 1/I0 | |||
± 0,1 | Intensität | 3,18 | - 0y03 | 4 | ||
Gitterentfer | ± 0,08 | 10 I/I O |
3,15 | 1 0}03 | 4 | |
nung | - 0,08 | 7 | 2,99 | 1 0,03 | 0-1 | |
9,10 | t 0,05 | 4 | 2,98 | 1 0,03 | 4 | |
7,99 | t 0,05 | 2 | 2,89 | ± 0,03 | 4 | |
6,82 | - 0,10 | 5 | 2,85 | 1 0,03 | 0-2 | |
5,85 | * 0,10 | 2 | 2,81 | - 0,03 | 3 | |
5,29 | - 0?10 | 3 | 2,74 | - 0,02 | 1 | |
5,12 | - 0;10 | 2 | 2,53 | - 0,03 | 2 | |
4,67 | ί 0.05 | 0-5 | 2,49 | 1 0,03 | 0-4 | |
4,30 | t 0,05 | 0-2 | 2,47 | ί 0;02 | 0-3 | |
4,26 | ί ο,ιο | 0-4 | 2,46 | - 0,03 | 2 | |
4,08 | i 0,05 | 0-6 | 2,45 | ί 0^02 | 0-2 | |
4,05 | ± 0,03 | 10 | 2,02 | - 0;02 | 0,5 | |
3,98 | i ο,ιο | 2 | 1,95 | - 0f02 | 0,05 | |
3,85 | - 0,03 | 0-4 | 1,87 | ί 0,02 | 0,5 | |
3,81 | 1 0,03 | 2 | 1,81 | - 0j02 | 0-2 | |
3,77 | 7 | 1,72 | 0,5 | |||
3,47 | 0-8 | |||||
3,34 | 5 | |||||
3,35 | 4 | |||||
3,22 | ||||||
Das Material, welches in der Tabelle 1 definiert ist,
k^nmt hauptsächlich in den Tohoku- und Chugoku-Distrikton in Japan vor und das Material, welches in der Tabelle 2
definiert ist, kommt in den Tohoku- und Kyushu-Distrikten vor.
k^nmt hauptsächlich in den Tohoku- und Chugoku-Distrikton in Japan vor und das Material, welches in der Tabelle 2
definiert ist, kommt in den Tohoku- und Kyushu-Distrikten vor.
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ORIGINAL IKt?ICTED
Da das vorstehend beschriebene Adsorbens, welches in dieser Erfindung in der spezifischen Ausführungsform benutzt
wird, durch ein einfaches Verfahren aus einem natürlich in großen Mengen vorkommenden Gestein hergestellt
werden kann, wird ein Großteil des Adsorbens mit geringeren Kosten erhalten, als jene Adsorbentien, wie
Silikagel, Aluminiumoxyd, aktivierte Kohle und dergleichen. Außerdem ist die Adsorptionskraft des Adsorbens zu
Stickstoff im allgemeinen höher als jene vom Molekularsieb 5 A, von dem angenommen wird, daß es das höchste
Adsorptionsvermögen unter den synthetischen Zeolithen bei gleicher Temperatur und Druck besitzt. Im besonderen ist
das Adsorptionsvermögen des Adsorbens, hergestellt aus
dem Tuff mit dem in der Tabelle 1 dargestellen Röntgenstrahlenbeugungsbild,
2,5 mal höher als jenes des Molekularsiebes 5Λ. Weiterhin konnte von einem Wert
(spezifische Adsorptionsfähigkeit) bestätigt werden, wie viele Mal· das Konzentrationsverhältnis von Stickstoff
zu Sauerstoff an dem Adsorbens höher ist als das Konzentrationsverhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff, welches
in dem Gas im Gleichgewicht mit dem Adsorbens vorliegt, wobei der Wert für synthetische Zeolithe ungefähr 2,5
beträgt. Einige von den Adsorbentien, hergestellt aus dem natürlich vorkommenden Tuff, wie er schon vorstehend
erläutert worden ist, erreichen den Wert 5· Außerdem, da die vorerwähnte ausgezeichnete Eigenschaft zum größten
Teil durch die Adsorption von Kohlendioxyd und Feuchtigkeit herabgesetzt wird, ist es erforderlich, Luft zu
verwenden, die keine solche störenden Komponenten enthält.
Da das vorstehend erläuterte Adsorbens solche ausgezeichneten Eigenschaften besitzt, kann hochreiner Stickstoff
und hochreiner Sauerstoff aus der Luft in. großem industriellen Maßstab durch das verstehend erwähnte Verfahren
+adsorbiert
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dieser Erfindung gewonnen werden und zwar wie schon erläutert,
unter Verwendung des vorstehend erläuterten Adsorbens.
Die vorstehend genannte Dehydrataiäcnsbehandlung für das
Gestein wird durchgeführt, um das dem Gestein anhaftende Wasser und das Kristallwasser des Gesteines zu entfernen.
Diese wird im allgemeinen durch Erhitzen des Gesteins auf etwa 350 bis 7000C, vorzugsweise auf 400 bis 600°C,
durchgeführt. Wenn die Erhitzungstemperatur niedriger als 35O°C ist, besitzt das hergestellte Adsorbens geringes
Adsorptionsvermögen, während,wenn die Temperatur höher
als 7000C ist, die Struktur des Gesteins in einem solchen
Ausmaß wechselt, daß es nur noch spärlich zum praktischen Gebrauch geeignet ist. Wie es in den Beispiden
4, 5 und 6 gezeigt werden wird, konnte durch Verwendung
dieser Adsorbentien hochreiner Stickstoff und Sauerstoff von etwa 30 bis 95$ Reinheit aus der Luft
mit einem guten Wirkungsgrad abgetrennt werden.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf das Beispiel für die Trennung von Stickstoff oder Stickstoff und
Sauerstoff aus der Luft erläutert, aber die gleiche Erläuterung kann für die Trennung von anderen Gasgemischen
Verwendung finden, indem man Stickstoff als eine leicht adsorbierbare Komponente berücksichtigt und Sauerstoff
als weniger leicht adsorbierbare Komponente in einem solchen Gasgemisch entsprechend berücksichtigt.
Die bemerkenswerten Vorteile dieser Erfindung werden deutlich bei den folgenden Beispielen.dieser Erfindung
hervortreten. So ist Beispiel 1 ein Vergleichsfall,bei
clam Kohlendioxydgas und Sauerstoff aus einer Mischung
derselben unter Verwendung von Aktivkohle gemäß einem herkömmlichen Verfahren getrennt werden, das bedeutet,
209842/1065
ohne Anwendung des Spülvorganges mit einem hochreinen
Kohlendioxydgas, bevor man den DesorptionsVorgang durch
Evakuieren durchführt. Die Reinheit des Kohlendioxyd- und Sauerstoffgases, vrelches durch das herkömmliche Verfahren
erhalten wurde, betrug nur 93,7 % bzw. 84,5 %>
Andererseits betrug bei dem Verfahren nach Beispiel 2, welches die erste Ausführungsform des Verfahrens dieser
Erfindung betrifft, die Reinheit des Sauerstoffs 8*1,5 %,
aber die Reinheit des Kohlendioxydgases erreichte einen hohen Wert von 99,95^· Außerdem war die erhaltene Menge
des Kohlendioxydgases wesentlich größer als die Menge, die für den Saugvorgang verwendet wurde. Weiterhin wird
im Beispiel 3, in dem die zweite Ausführungsform dieser Erfindung Verwendung findet, Sauerstoff mit einer Reinheit
von 9555 erhalten und die Reinheit des Kohlendioxydgases
betrug 99j95?, wodurch gezeigt wurde, daß die
beiden Komponenten vollständig aus dem Gasgemisch getrennt sind.
Dasselbe gilt für die Beispiele 4, 5 und 6, worin die
durch Behandlung der natürlich vorkommenden Tuffgesteine
hergestellten Adsorbentien verwendet wurden, um Stickstoff
oder Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft abzutrennen. Beispiel h wurde gemäß einem herkömmlichen
Verfahren durchgeführt, während das Beispiel 5 gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens dieser Erfindung
durchgeführt wurde und das Beispiel 6 wurde gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt.
In Beispiel 4 betrug die Reinheit des reinsten gewonnenen
Sauerstoffs nur 5335 (Maximalkonzentration 655?) ·
Ebenso wenn das Gewinnen von Sauerstoffgas fortgesetzt wurde bis die Zusammensetzung des Gases am Auslaß der
209842/1065
von Luft entsprach, betrug die Reinheit des so gewonnenen
sauerstoffreichen Gases nur kl%. Auch betrug die Reinheit von Stickstoff im Beispiel 4 nur 91,5£, während
die Reinheit des im Beispiel 5 gewonnenen Stickstoffs 99,94 % betrug. Weiterhin betrug im Beispiel 6 die Reinheit
des erhaltenen Sauerstoffs einen Wert von 93%·
Die Erfindung wird nun praktisch unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele näher erläutert.
Eine Adsorptionssäule mit einem Innendurchmesser von 5 cm und einer Höhe von 90 cm wurde mit 940 g Aktivkohle aus
Kokosnußschalen gefüllt. Die Kolonne wurde zuerst durch eine Absaugepumpe evakuiert und wenn der Innendruck der
Säule 20 mm Hg erreichte, wurde ein 1:1 Gemisch aus Sauerstoff und Kohlendioxyd und zwar im Volumenverhältnis
in die Säule eingeführt, um den Druck auf Normaldruck ansteigen zu lassen und danach wurde das Gasgemisch
durch die Säule mit einer Geschwindigkeit von 4 Liter pro Minute bei Raumtemperatur und unter normalen
Druck geleitet. Wenn die Konzentration des Gases am Auslaß nahezu die gleiche wie am Einlaß war, wurde die
Einleitung des Gasgemisches gestoppt. Das Volumen.des so gewonnenen Gases betrug 13,5 Liter und der Gehalt an
Sauerstoff in dem gewonnenen Gas betrug 84,5 % und der Rest bestand aus Kohlendioxydgas. Danach wurde die
Säule evakuiert und das Gas wurde gesammelt bis der Innendruck der Säule 20 mm Hg betrug. Das Volumen des so
gesammelten Gases betrug unter Normaldruck und Normaltemperatur 11,5 Liter und es enthielt 93,7 % Kohlendioxydgas.
Der Rest bestand aus Sauerstoff.
209842/1065
22U82Q
Es wurde das gleiche Verfahren wiederholt wie im Beispiel 1 beschrieben, indem man die gleiche Adsorptionskolonne
und das Adsorbens benutzte, jedoch mit der Ausnahme, daß das Desorptionsverfahren nach dem Einleiten von 9*0
Litern Kohlendioxydgas von 99»9% Reinheit durchgeführt
wurde. Der Gehalt an Sauerstoff in dem Gas am Auslaß der Säule betrug am Ende des Arbeitsganges weniger als 1%.
Da^ Volumen des Kohlendioxydgases, welches durch Evakuieren
an der Säule bis der Innendruck der Säule 20 mm IJg
erreichte, gewonnen wurde, betrug unter Normaltemperatur und Normaldruck 18,0 Liter und die Reinheit des
Kohlendioxydgs war 99>95%*
Das gleiche Arbeitsverfahren ,wie im Beispiel 2 beschrieben,
wurde benutzt, jedoch mit der Ausnahme, daß vor Durchführung des Arbeitsvorganges Sauerstoff mit 95,0?
Reinheit in die Säule eingeleitet wurde, bis der Druck Normaldruck erreichte, ohne Einführung des Gasgemisches
aus Sauerstoff und Kohlendioxyd unmittelbar nach der Initialdesorption durch Evakuieren. Das Volumen des
Sauerstoffgases betrug 18 Liter und dessen Reinheit war 9555. Ebenso betrug das Volumen des Kohlendioxydpases,
welches so abgetrennt wurde, 18,0 Liter mit einer Reinheit von 99,95 %>
Eine Desorptionssäule mit einem Innendurchmesser von 5 cm und einer Länge von 140 cm wurde benutzt. Das verwendete
Adsorbens wurde aus einem Tuff, der in dem Chugoku-Distrikt in Japan vorkommt, hergestellt.
Als Ergebnis von chemischen Analysen wurde für das Gestein folgende Zusammensetzung ermittelt: SiOp 69,86*,
Al3O3 11,70%, Fe2O5 1,7655, MgO in Spuren, CaO 1,72*,
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2O 2,91^ , K2O 1,79# und F2O 10,76$.
Ebenso zeigte das Röntganstrahlenbeugungsbild, daß es
sich in den Zahlenbereichen, welche in der Tabelle 1 angegeben sind, bewegte.
Das Gestein wurde bis zu einer Korngröße von 10 bis 20 mesh pulverisiert und für eine Stunde auf 55O°C erhitzt,
während trockene Luft herübergeleitet wurde und es wurde unter abgeschlossenen Bedingungen abgekühlt. Danach
wurden 2,35 kg von diesem Produkt in die vorstehend genannte Säule eingefüllt. Die Adsorptionssäule wurde
mit einer Vakuumpumpe verbunden und die Säule wurde evakuiert bis der Innendruck der Säule 50 mm Hg erreichte.
Dann wurde Luft, aus der Feuchtigkeit und Kohlendioxyd entfernt worden war, in die Säule?bis ein Normaldruck
erreicht wurde, eingeleitet und danach ließ man die Luft weiter durch die Säule mit einer Geschwindigkeit von
3 Litern pro Minute hindurchtreten. In diesem Fall ist der Innendruck der Säule nahezu bei Atmosphärendruck aufrechterhalten
worden. Die Maximumkonzentratxon des Sauerstoffs ,in dem aus der Säule austretenden Gas, betrug 65/6
und wenn das aus der Säule austretende Gas gesammelt wurde bis die Konzentration einen Sauerstoffgehalt von
35Ϊ erreichte, betrug das Volumen davon 6,3 Liter. Die mittlere Konzentration des Sauerstoffs in dem abgetrennten
öas betrug 53%· Ebenso,wenn die Einführung der Luft
fortgesetzt wurde, bis der Gehalt an Sauerstoff in dem Gas an dem Auslaß 22? erreichte, betrug das Volumen des
Gasproduktes, welches gewonnen wurde, 11,7 Liter und
die mittlere Sauerstoffkonzentration betrug
Nachdem das vorstehend genannte Verfahren vorüber war,
wurde die Säule auf 50 mm Hg evakuiert und das Volumen
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des gewonnenen Gases betrug unter Normaldruck 21,1 Liter und die mittlere Sauerstoffkonzentration des Gases betrug
8,5 %-
Das gleiche Verfahren, wie im Beispiel 4 ,wurde durchgeführt,
jedoch mit der Ausnahme, daß nach Beendigung der Einführung von Luft in die Säule, Stickstoff mit 99,9? Reinheit in
die Säule von einem Ende eingeleitet wurde, während man den Innendruck der Säule auf nahezu Normaldruck hielt und
die Gasinnenseite der Säule von dem entgegengesetzten Ende der Säule entladen wurde. Wenn 12 Liter Stickstoffgas
in die Säule eingeführt waren, betrug der Gehalt an Sauerstoff in dem aus der Säule abgenommenen Ga3 etwa
1%. Danach wurde die Säule mit Ulfe einer Absaugepumpe evakuiert bis der Druck 50 mm Hg erreichte. Das Volumen
des gewonnenen Gases betrug 24,5 Liter und die mittlere
Sauerstoffkonzentration in dem Gas war nur 0,06.?.
Das gleiche Verfahren,wie im Beispiel 5 beschrieben,
wurde ausgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß ohne Einführung von Luft in die Säule sofort nach idem Ende der
ersten Evakuierung zur Desorption. Sauerstoff von 95£iger Reinheit zuerst eingeführt wurde bis der Innendruck der
Säule nahezu Normaldruck erreichte, wozu 10,7 Liter Sauerstoff erforderlich waren. Dann wurde Luft in die
Säule eingeführt, während man den Innendruck der Säule auf nahezu Normaldruck hielt. Wenn das sauerstoffreiche Gas
aus der Säule austrat, wurde es gesammelt, bis der Gehalt an Sauerstoff in dem Gas am Auslaßende der Säule
65* betrug. Das Volumen betrug 14,7 Liter und die mittlere
Sauerstoffkonzentration des Gases betrug 93 %· Ebenso, wenn das sauerstoffreiche Gas gewonnen wurde, bis die Konzentration
an Sauerstoff in dem Gas an dem Auslaßende
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21,5 % erreichte, wurde 19»Β Liter des Gases erhalten
und die mittlere Sauerstoffkonzentration war 1H %. Das
Volumen von reinem Stickstoffgas, welches zum Spülen der
Säule erforderlich war, und das Volumen und die Reinheit des Stickstoffgases, welches bei der Evakuierungsstufe
gewonnen wurde, waren nahezu die Gleichen, wie diese im Beispiel 5·
Nachdem die Erfindung vorstehend hauptsächlich in Bezug auf die grundsätzlichen Ausführungsformen dieser Erfindung
beschrieben wurde, bei der man eine einzige Adsorptionssäule verwendet, soll jetzt erläutert werden,
daß das Verfahren dieser Erfindung wesentlich wirksamer im industriellen Maßstab ausgeführt werden kann, indem
man eine Mehrzahl von solchen Adsorptionssäulen verwendet; solche Arbeitsweisen sollen jetzt nachstehend
im einzelnen beschrieben werden.
Wie vorstehend erläutert, besteht die Ausbildung der vorliegenden Erfindung darin, daß zum Spülen der Adsorptionssäule
mit einem reinen Gas, ein solches Gas verwendet wird, welches die gleiche Zusammensetzung hat, wie
jene der leicht adsorbierbaren Komponente unter dem gleichen Druck wie dies in dem Adsorptionsverfahren vor
dem Arbeitsgang der Desorptionsstufe der Fall ist. Das für die Adsorptionssäule zum Spülen verwendete Gas kann
von einer äußeren Quelle in der ersten Spülstufe zugeleitet werden. Zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung,
um es wirtschaftlich und als abhängiges Trennungsverfahren durchauführen, ist es erforderlich, das erhaltene
Gas aus der vorhergehenden Desorptionsstufe als das Spülgas danach zu verwenden. Dies bedeutet, daß die
Menge der leicht adsorbierbaren Komponente, die in einem Desorptionszyklus abgetrennt wird, die Menge des desorbierten
Gases minus der Menge des benötigten Spülgases
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zum Spülen der Adsorptionssäule sein muß. Deshalb ist es erforderlich, um die leicht adsorbierbare Komponente
wirksam und wirtschaftlich zu trennen, die Menge des Spülgases auf einen so klein wie möglichen Betrag
herabzusetzen.
Andererseits, wenn die Menge des Spülgases herabgesetzt
wird, wird die weniger leicht adsorbierbare Komponente dazu neigen, in der Adsorptionssäule zu verbleiben und
dadurch das desorbierte Gas in der Desorptionsstufe verunreinigen.
Deshalb ist das in der Desorptionsstufe gewonnene desorbierte Gas als Spülgas in der nachfolgenden
Spülstufe ungeeignet und es wird unmöglich, die leicht adsorbierbare Gaskomponejite in einem hochreinen
Zustand abzutrennen. Mit anderen Worten, wenn die Ausführungsform, die in der Fig. 1 dargestellt ist, in
einem industriellen Maßstab ausgeführt wird, um die leicht adsorbierbare Gaskomponente in einem hochreinen
Zustand zu erhalten, wird die Ausbeute von derselben herabgesetzt werden.
Aber ein derartiges Problem kann: nicht so schwierig sein, wenn die Durchbruchkurve für die weniger leicht aisorbierbare
Gaskomponente und die leicht adsorbierbare Gaskor,iponente in der Adsorptionssäule genügend scharf und
flach ist, aber es wird eine ernstliche Schwierigkeit, wenn die Teilchengröße des Adsorbens groß ist, der Durchmesser
der Adsorptionssäule im Vergleich mit der Länge der Säule zu groß ist und eine Kombination einer derartigen
Adsorbensart und der Gaskomponentenart, die daran zu adsorbieren ist, vorliegt, benötigt man eine lange
Zeitperiode, um -das Desorptionsgleichgewicht herzustellen und die Zeitperioden, die erforderlich sind, um die
Adsorption, Desorption und die Spülvorgänge durchzuführen, sind abgekürzt.
2098^2/1065
2 2H8
Weiterhin kann, wie vorstehend erläutert, das Verfahren dieser Erfindung ausgeführt werden, indem man die drei
Stufen von Adsorption, Spülen und Desorption oder durch Wiederholen der vier Stufen aus Rückführung, Adsorption,
Spülen und Desorption durchführt und so in der Anlage
eine einfache Adsorptionssäule verwendet, wie es in Pig. 1 dargestellt ist. Es ist schwierig, kontinuierlich
das Rohgas, welches in seine Komponenten getrennt werden soll in die Adsorptionssäule einzuleiten und weiterhin
kann das so getrennte Gasprodukt nur in einer diskontinuierlichen Art und Weise abgetrennt werden. Demgemäß
kann das Verfahren dieser Erfindung, welches in Fig. 1 dargestellt ist, ungeeignet für eine Apparatur oder
als eine Vorrichtung sein, um das Verfahren in einem industriellen Maßstab durchzuführen.
Deshalb wird zur Durchführung des Verfahrens dieser Erfindung^ wie es vorstehend als eine Aus führungs form der
grundsätzlichen Einheit für das Verfahren dargestellt ist, für ein industrielles und kontinuierliches Verfahren
die in Pig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen
als geeignet angegeben. Dies bedeutet, daß das Verfahren dieser Erfindung wirksamer in einem industriellen
Ma£3tab, ohne daß es mit den vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten behaftet ist, durchgeführt werden kann.
Deshalb werden diese Ausführungsformen nachfolgend im
einzelnen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert werden.
Nun wird in Fig. 2 eine industriell verwendbare Ausführ
ungsfοrra dieser Erfindung gezeigt, in der jede der
Adsorptionssäulen 16, 17 und 18 mit einer Adsorbens-Füllung verwendet werden. Die Ziffern von 1 bis 15
stellen Ventile dar. Die Ziffer 18 ist ein Zuführungsgasgebläse,
die Ziffer 20 bedeutet ein Gebläse für die
2Ü9842/1065
GRlQIMAL
2? U
leicht adsorbierbare Gaskomponente und die Ziffer 21
zeigt eine Vakuumpumpe, die im Falle der Durchführung der Desorptionsstufe unter einem niederen Druck als
Atmosphärendruck Verwendung findet. Die Verwendung der
Vakuumpumpe 21 ist nicht erforflerlieh, wenn die Adsorptionsstufe unter Druck durchgeführt wird und die
Desorptionsstufe bei Normaldruck erfolgt. Weiterhin bedeutet die Ziffer 25 einen Speisegaseinlaß, die Ziffer
24 zeigt einen Auslaß für die leicht adsorbierbare Gaskomponente,
die Ziffer 23 zeigt einen Auslaß für die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente oder für ein
mit der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente angereichertes Gas an. Die Ziffer 26 stellt einen Tank
für die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente dar. Die Stellungen der Ventile 1 bis 15 in jeder Stufe sind
in der Tabelle 3 dargestellt, in der das Zeichen (+) das Ventil in einer offenen Stellung und die Marke (-) das
Ventil in einem geschlossenen Zustand darstellt.
Beispielsweise geht aus der Tabelle 3 und Fig. 2 hervor,
daß die Adsorptionssäule 16 in dem Arbeitszyklus mit der Nr. 1 oder 2 desorbiert wird und die Adsorptionssäule 17 desorbiert wird in dem Arbeitszyklus Nr. 3
oder 4 und die Adsorpfcionssäule 18 in dem Arbeitszyklus
Nr. 5 oder 6.
Weiterhin kann daraus entnommen werden, daß in dem Arbeits zyklus Nr. 1 der Tabelle 3 die Adsorptionssäule 16 sich
in einer Desorptionsstufe befindet und die Säule 17 ruht und die Säule 18 sich in einer Adsorptionsstufe
zum Adsorbieren der leicht adsorbierbaren Gaskomponente durch Einführung eines Speisegases befindet.
209842/1065 or.gKAL iu.-riCTEO
77 M
Tabelle 3 - Stellung eines jeden Ventils
Arbeitszyklus VentilT^"^-^. |
Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 4 Nr.5 Nr.6 |
1 2 3 |
+ +
+ + + + - - - |
Il
5 6 |
+ + + + HB SB. OM »■■ -J)- X |
7
8 9 |
BB> *■■ T^ *» BB Λ- mm ■■> ·" -Io β· a« |
10 11 12 |
■β -.-· ■ *L BB* a· - - - + + - |
13 IiJ 15 |
- - + - — ·» Β» — — J- + - - ' _ |
In dem Arbeitszyklus Nr. 2 befindet sich die Adsorptionssäule 16 in der Desorptionsstufe3 wie in der vorgehenden
Stufe (dem Arbeitszyklus Nr. I)3 aber da das Gas in dem
Tank 22 für die leicht adsorbierbare Gaskomponente durch das Ventil 8 zu der Adsorptionssäule 17 mit Hilfe des
Gasrebläsos 20 geleitet wird, wird die Säule 17 durch die
leicht adsorbierbare Gaskomponente, die so eingeführt wurde, gespült. In diesem Falle befindet sich das Ventil 2
209842/1065
ORIGINAL !NSTSCTED
22U820
in einem geschlossenen Zustand und das Ventil 3 in einem offenen Zustand und so kann das Gas, welches eine gewisse
Menge der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente enthält, von der entgegengesetzten Seite der Säule 17
abgezogen werden und wird in die Adsorptionssäule 18 durch das Ventil 15 eingeführt. Demgemäß, wenn die
Spülung der Adsorptionssäule 17 genügend durchgeführt ist bis das ausströmende Gas aus der Säule 17 fast aus
der leicht adsorbierbaren Gaskomponente besteht, kann das ausströmende Gas wirksam verwendet werden, um die
Adsorptionsäule 18 vorzuspülen, was im erheblichen Umfange dazu beiträgt, um die Menge des Spülgases
einzusparen.
Zusätzlich ist auch gefunden worden, daß wenn das gleiche Verfahren in der Anlagef wie diese in Fig. 2 dargestellt
ist, durchgeführt wird, in Übereinstimmung mit den Arbeitszyklenswie diese in der Tabelle 4 angegeben sind,
die vorstehend genannten Vorteile vollständig verloren gegangen sind und die Menge dec hochreinen leicht adsorbierbaren
Gaskomponenten durch eine Desorptionsstufe erhalten, erheblich herabgesetzt ist. Dies ist der Fall,
wenn die Anlage gemäß Fig. 2 so bedient wird, daß in den Arbeitszyklen, wie diese in der Tabelle 4 dargestellt
sind, das Rückführungsgas von dem weniger leicht atlsorbierbaren Gas, das leicht adsorbierbare Gas zum
Spülen und dergleichen nacheinander in jede Säule eingeleitet werden und das System so bedient wird, ohne
daß die Säulen ruhen. Auch in einem solchen Falle, bei dem in jeden Zyklus des Arbeitszyklus mit den Zahlen
2,4 und 6 zwei Adsorptionssäulen in Serie verbunden sind,
und so die verbundene Säule dem Vorspülungsarbeitsgang durch das ausströmende Gas von der ersten Säule unterworfen
werden kann, so ist es ersichtlich, daß bei einer solchen Arbeitsweise daraus keine Schwierigkeiten
209842/1065
ORIGINAL
22U820
entstehen. Jedoch tritt tatsächlich bei der Arbeitsweise gemäß den Arbeitszyklen, die in der Tabelle 4
gezeigt sind, eine große Herabsetzung in der Wirksamkeit auf; im Vergleich mit der Arbeitsweise mit den
Arbeitszyklen, die in der Tabelle 3 dargestellt sind. Die Gründe hierfür werden wie folgt angenommen.
Tabelle 4 - Stellung eines .jeden Ventils
Arbeitszyklus Ventii^^ |
Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 4 Nr. 5 Nr. 6 |
1 2 3 |
+ + + + - - - + + + + + - |
4
5 6 |
+ + + + + + |
7
8 9 |
----- + •~ J» «· ^ mm ^ mm · ^- ^ |
10 11 12 |
β ι ^ _ + |
13 14 15 |
+ ·--■—. — — Jp + |
2098A2/1065
So ist in der Arbeitsweise gemäß den Zyklen der Tabelle beispielsweise die Säule 18 durch das ausströmende Gas aus
der Säule 17 in dem Arbeitszyklus Nr. 2 vorgespült, aber in dem Rest des Arbeitszyklusses Nr. 3 wird kein Gas in
die Säule 18 von außen in die Stufe eingeführt. Deshalb wi:?d der Teil der Adsorptionssäule 18, der zu der Seite
mit dem Ventil 15 verbunden ist, weiter durch die reine leicht adsorbierbare Gaskomponente in dem nachfolgenden
Arbeitszyklus 4 in einer solchen Weise gespült werden, daß der Teil durch die ziemlich reine
leicht adsorbierbare Komponente in dem vorhergehenden Operationszyklus 3 vorgespült worden ist. Andererseits
werden in den Arbeitszyklen, die durch die Zyklen in der Tabelle 4 dargestellt sind, die Abläufe bis zu dem
Arbeitszyklus 2 die gleichen sein wie vorstehend, aber ein Zuführungsgas wird in die Adsorptionssäule 18 in dem
Arbeitszyklus 3 eingeführt und dann wird die Säule 18
erneut durch die leicht adsorbierbare Gaskomponente in dem nachfolgenden Arbeitszyklus JJ ^öapült. Demgemäß
wird die Verteilung der leicht adsorbierbaren Gaskomponente in der Adsorptionssäule 18 erschwert und ebenso wird
die verbrauchte Menge der leicht adsorbierbaren Gaskomponente zum Spülen erhöht, wodurch sich ein& Herabsetzung
der Wirksamkeit durch das ganze Verfahren ergibt.
Nun}wenn man zu der Arbeitsweise gemäß den Zyklen der
Tabelle 3 zurückkehrt, wenn noch recht wenig leicht adsorbierbare Gaskomponente in dem Gas am Gasauslaß der
Adsorptionssäule 17 in dem Epülarbeitsgang sichtbar wird, wird lie Anlage in den Zyklus überführt, der durch den
Arbeitszyklus Nr. 3 in der Tabelle 3 dargestellt ist. In diesem Zyklus wird die Adsorptionssäule 17 der Desorptionsarbeitsstufe
unterworfen, wobei die adsorbierte leicht adsorbierbare Gaskomponente desorbiert und
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in dem Tank 22 mittels der Puäpe 21 gelagert wird. Ein
Teil des so gelagerten Gases wird als Spülgas für die Säule 18 in dem nachfolgenden Arbeitszyklus (Arbeitszyklus
Nr. U) verwendet und das zurückbleibende Gas kann als
das Produkt abgezogen werden. Ähnlich wird in der Stufe mit dem Arbeitszyklus Nr. 4 die Adsorptionssäule 18 durch
das Gas von dem Tank 22 gespült, wie es gerade vorstehend erläutert wurde, und gleichzeitig wird die Adsorptionssäule
16 vorgespült, und weiter in der Stufe mit dem Arbeitszyklus Nr. 6 wird die Adsorptionssäule 16 durch
das in dem Tank 22 gelagerte Gas gespült und die Adsorptionssäule 17 wird vorgespült.
Wie schon vorstehend erläutert, werden die Stufen der Arbeitszyklen mit den Nummern 1, 2, 3, 4, 5 und 6 nacheinander
überführt, wenn die Konzentration der leicht adsorbierbaren Gaskomponente in dem Gas an der Auslaßseite
einer jeden Adsorptionssäule in der Spülstufe einen vorbestimmten Wert erreicht, und es kann leicht eingesehen werden,
daß die Konzentration der leicht adsorbierbaren Komponente in dem Gas ausgeführt oder durch ein geeignetes
Mittel bestätigt werden kann, wie z.B. Densitometer für eine solche Gaskomponente, welches an oder nahe der Auslaßseite
einer jeden Adsorptionssäule aufgestellt wird.
Es sei noch bemerkt, daß durch einen vorläufigen Versuch
die Beziehung der Variation der Konzentration des leicht adsorbierbaren Gases in dem Gas an der Auslaßseite
der Adsorptionssäulen mit Hilfe der Durchlaufzeit bestätigt
wurde. Ein einfacher Arbeitsgang ist der Austausch der Zyklen für eine jede vorbestimmte Zeitperiode mit Hilfe z.B.
eines Zeitmessers, wenn die Zusammensetzung des Speisegases von der Leitung 25, wie auch seine Zuflußmenge konstant sind
Die Menge und die Reinheit des Spülgases von dem Gebläse sind konstant und ebenso sind die Adsorptionskräfte der
: n 3 3/, 2 / 1 ü b 5
- 28 Adsorpticnssäulen 16, 17 und 18 konstant.
Auch das Verfahren der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wie dies vorstehend aufgezeigt wurde, kann in der Anlage, die in der Fig. 2 dargestellt
ist, ausgeführt werden, indem man andere Ventile als die Ventile 1, 2 und 3 in Übereinstimmung mit der Arbeitsweise,
die in der Tabelle 3 gezeigt ist, arbeiten läßt, aber beim Betätigen des Ventiles 1 ist so zu verfahren,
daß das Ventil sich in einem geschlossenen Zustand in der Stufe des Arbeitszyklus mit der Nr. 3 der
Tabelle 3 befindet bis der Innendruck der Adsorptionssäule 16 ziemlich den Druck in der Adsorptionsstufe
erreicht und es ist in einem offenen Zustand in der letzten Periode des gleichen Zyklus, wenn man das Ventil 2
so bedient, daß das Ventil sich in einem geschlossenen Zustand in der Stufe des Arbeitszyklus Nr. 5 befindet
bis der Innendruck der Adsorptionssäule 17 den Druck in der Adsorptionsstufe erreicht, aber sich in einem
offenen Zustand in der letzten Periode von dem gleichen Zyklus befindet. Man bedient das Ventil 3 so, daß das
Ventil sich in einem geschlossenen Zustand in der Stufe des Arbeitszyklus Nr. 1 befindet bis der Innendruck der
Adsorptionssäule 18 den Druck in der Adsorptionsstufe erreicht, aber es befindet sich in einem offenen Zustand
in der letzten Periode des gleichen Zyklus. In dieser Ausführungsform ist die Verwendung des Tanks 26 für die
weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente nicht erforderlich.
Zusätzlich kann die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend erläutert worden ist,
in der Anlage ausgeführt werden, wie in der Pig. 2 dargestellt ist, indem man andere Ventile als die Ventile
10, Il und 12 in Übereinstimmung mit der in der Tabelle
2 Ü 9 ö /, 2/1065
dargestellten Arbeitsweise bedient, aber man bedient das Ventil 10 so, daß das Ventil sich in einem geschlossenen
Zustand in der Stufe mit dem Arbeitszyklus Nr. 3 befindet .bis der Innendruck der Adsorptionssäule 16 den Druck
in der Adsorptionsstufe erreicht und es befindet sich in einem offenen Zustand in der letzten Periode des Zyklus
Man stellt das Ventil 11 so ein, daß dieses Ventil sich in einem geschlossenen Zustand in der Stufe mit dem
Arbeitszyklus Nr. 5 befindet bis der Innendruck der Adsorptionssäule
17 den Druck in der Adsorptionsstufe erreicht hat, befindet sich jedoch in einem offenen Zustand
in der letzten Periode des gleichen Zyklus. Man bedient das Ventil 12 so, daß das Ventil sich in einem
geschlossenen Zustand befindet bis der Innendruck der Adsorptionssäule 18 den Druck in der Adsorptionsstufe
erreicht, aber befindet sich in einem offenen Zustand in der letzten Periode des gleichen Zyklus.
Wie schon vorstehend erläutert, wurden das typische Beispiel zur wirksamen Ausführung des Verfahrens dieser
Erfindung,bei dem man 3 Adsorptionssäulen verwendet, unter Bezugnahme auf das System oder auf die Anlage,
welche in Hg. 2 dargestellt ist, beschrieben. Der Erfinder hat weiterhin verschiedene wirksame Verfahren
zum praktischen Durchführen der Erfindung untersucht und wie auch ihre Ergebnisse und hat eine andere Ausführungsform, wie diese in der Fig. 3 auf den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist, gefunden. Bei der Ausführungsform, die in Pig. 3 dargestellt ist, kann die weniger
leicht adsorbierbare Gaskomponente und die leicht adsorbierbare Gaskomponente gleichzeitig in hochreinen
Zuständen getrennt werden und zwar injjedem Falle mit
guten Ausbeuten. Weiterhin können in der Ausführungsform die Gasgebläse 19 und 2o sum kontinuierlichen Hindurchleiten
von Gasen in die Anlage eine relativ niedrige
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22U320
Kapazität haben. So wird das Verfahren der Ausbildung
wesentlich wirksamer und wird zur Ausführung des Verfahrens dieser Erfindung in einem industriell und wirtschaftlichen
Umfang bevorzugt.
In der Fig. 3 bedeuten die Ziffern von 1 bis 20 Ventile. Die Ziffern 21, 22, 23 und 2k sind Adsorptionssäulen
und jede enthält ein Adsorbens. Die Ziffer 25 ist ein Gebläse für das Speisegas ,und die Ziffer 26 ist ein Gebläse
für die leicht adsorbierbare Gaskomponente. Die Ziffer 27 stellt eine Vakuumpumpe dar, die Verwendung findet,
wenn man den DesorptxonsVorgang unter vermindertem Druck
durchführt. Die Pumpe 27 ist nicht erforderlich, wenn die Adsorption unter Druck durchgeführt wird und die
Desorption unter Normaldruck erfolgt. Die Ziffer 28 ist ein Tank zum Lagern der leicht adsorbierbaren Gaskomponente
und die Ziffer 29 bedeutet einen Tank zum Lagern der weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente. Die
Ziffer 30 zeigt einen Auslaß für das Gasprodukt, welches aus der hochreinen leicht adsorbierbaren Gaskomponente
besteht und die Ziffer 30 zeigt einen Auslaß für das Produktgas, welches aus der hochreinen weniger leicht
adsorbierbaren Gaskomponente besteht. Weiterhin stellt die Ziffer 32 einen Einlaß für das Speisegas dar,
welches in jede seiner einzelnen Komponenten zu trennen ist.
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Stellung eines .jeden Ventils
Nr.1 Nr.2 Nr.3 Nr.k Nr.5 Nr.6 Nr.7 Nr.8 j
So kann durch Bedienen der H-Säulenanlage, wie es in der
Fier. 3 i'arpiestellt ist, in Übereinstimmunß mit der Arbeitsweise,
wie sie in rta· Tabelle 5 Gezeigt ist, das
'^i^^n durch die weniger leicht adsor-
2 0 9 ii W I I' ti b
BAD ORKBJNAL
bierbare Gaskomponente, die Adsorption dor leicht sdsorbierbaren Gaskomponente in dem Speisepas, der
Spülvorgang durch die reine leicht adsorbierbare Gaskompononte
unter dem Druck, der nahezu der gleiche ist wie in der Adsorptionsstufe3 durchgeführt werden.
Die Desorption wird unter einem Druck, der niedriger als der Druck in der Adsorptionsstufe ist, nacheinander
durchgeführt und in einer Reihenfolge, bei der
jede Adsorptionssaule und das wirksamere Verfahren der zweiten Ausführungform dieser Erfindung einschließlich
des Rückspülarbeitsganges bei dem erläuterten Prozeß praktiziert werdenkkann. Dies bedeutet, daß das
Verfahren, wie es vorstehend erläutert wird, die hochreine leicht adsorbierbare Gaskomponente durch die
Leituno; 30 in einer hohen Ausbeute mitgezogen werden
kann und gleichzeitig die hochreine weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente ebenfalls durch die
Leitung 31 ahr-ezogen werden kann.
Ebenso wird es church das noch folgende Beispiel 7
dieser Erfindung klar, wie das Verfahren dieser Erfindung, welches im Beispiel 3 verdeutlicht ist,
ausgezeichnet bei der praktischen Verwendung funktioniert. Dies bedeutet, daß die Dimensionen einer jeden
Adsorptionssaule und die Natur und die Menge des Adsorbens, welches im Beispiel 7 verwendet werden3
vollständig gleich waren wie jene, die in den vorstehend aufgezeigten Beispielen dieser Erfindung Verwendung
fanden, aber die Teilchengröße des Adsorbens im Beispiel 7 betrug 4 - 6 mesh, welche erheblich
kleiner ist als die Korngröße dos in den Beispielen 4 bis 6 verwendeten Adsorbens. Ebenso war die Menge
des Speisegases, welche 3 Liter pro Minute im Beispiel 7 betrug, war damit um dreimal größer als der Lufteinströmwert in den Beispielen 4 bis 6. Weiterhin war der
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Endvakuumdruck 73 mm Hg im Beispiel 7, während er 50 mm
Hg in den Beispielen 4-6 betrug.
Dadurch daß die verschiedenen Bedingungen im Beispiel 7
zur Durchführung der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft im Vergleich mit den Bedingungen
in den Beispielen 4 bis 6 unvorteilhaft waren, war die Menge und die Reinheit des erhaltenen Stickstoffgases
im Beispiel 7 nahezu die gleiche wie jene in den Beispielen 4-6. Dies ergibt sich daraus, wie es nachfolgend
noch beschrieben wird, daß im Beispiel 7 der Desorptionszyklus alle 1,5 Minuten wiederholt wurde
und ein hochreines Stickstoffgas von 99»98 bis 99*96 %
Reinheit wurde in einer Rate von 480 Litern pro Stunde gebildet. Deshalb beträgt das Volumen des so erhaltenen
Stickstoffgases 12 Liter pro Zyklus der Adsorptionssäule,
welches nahezu das gleiche ist, wenn das Adsorptionsverfahren unter Verwendung einer einzigen Adsorptionssäule in Übereinstimmung mit dem Verfahren dieser Erfindung
durchgeführt wird.
4 Adsorptionssäulen, wobei jede Säule die gleichen Abmessungen wie im Beispiel 4 angegeben besaß und das
gleiche Adsorbens wie im Beispiel 4 angegeben als Füllung enthielt, wurde, wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist,
angeordnet. In diesem Fall jedoch betrug die Teilchengröße des Adsorbens 4 bis 6 meäh (Tyler mesh). Der Minimum.-druck
in der Adsorptionssäule in der Desorptionsstufe betrug 73 mm Hg und weiterhin wurde bei der Durchführung
aller Rückspülungs-, Adsorptions- und. Spülun.^s-Stufen
unter nahezu atmosphärem Druck gearbeitet. Ebenso betrug die Zeit, die zum Beenden der Desorptionsstufe
benötigt wurde, 1,5 Minuten pro Adsorptionssäule. Die
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Ventile wurden, wie dies in der Tabelle 5 dargestellt ist, bedient.
Unter den vorstehend angegebenen Bedingungen wurde Luft,
welche zuerst von Kohlendioxyd und Feuchtigkeit befreit worden war, in die Trennungsanlage kontinuierlich mit
einq^Rate von 63O Litern pro Stunde und ein Stickstoffgas
mit einer Reinheit von 99,98 bis 99,96 % wurde in einer Rate von 480 Litern pro Stunde erhalten. Ebenso
wurde ein Sauerstoff enthaltendes Gas als die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente mit einer
Sate- von Λ^Ο Litern pro Stunde erhalten, und es
enthielt nur etwa 9 % Stickstoff.
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Claims (1)
1. Verfahren zur Trennung einer leicht adsorbierbaren Gaskomponente aus einem Gasgemisch der leicht adsorbierbaren
Gaskomponente und einer weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente durch Einführen des
Gasgemisches in eine Adsorptions säule., die ein Adsorbens
enthält, um die leicht adsorbierbare Gaskomponente zu adsorbieren und Gewinnung der leicht
adsorbierbaren Gaskomponente durch Desorption der Komponente unter vermindertem Druck, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Innenseite der Säule mit einem im wesentlichen reinen Gas spült, welches nahezu
die gleiche Zusammensetzung wie die leicht adsorbierbare Gaskomponente unter im wesentlichen dem
gleichen Druck wie in der Adsorptionsstufe vor der Desorptionsstufe besitzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Adsorbens durch Entwässerung eines
Tuffgesteines hergestellt wird, welches hauptsächlich
aus SiO2, Al2O, und H3O besteht und welches 1 bis
10 Gew.-? Alkalimetall-und Erdalkalimetalloxyde
enthält und das Röntgenstrahlenbeugungsbild besitzt, welches in der Tabelle 1 oder Tabelle 2 dargestellt
ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem die leicht adsorbierbare
Gaskomponente Stickstoff und die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente Sauerstoff ist.
4. Verfahren zum Abtrennen einer leicht adsorbierbaren
Gaskomponente und einer weniger leicht adsorbierbaren Gaskopiponente aus einem Gasgemisch aus diesen.,
/ Ü ü 8 4 >' / i U Β b
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indem man die Gasmischung in eine Adsorptionssäule, die
ein Adsorbens enthält, einführt, um die leicht adsorbierbare Gaskomponente zu adsorbieren, während man die
weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente gewinnt und dann die leicht adsorbierbare Gaskomponente durch Desorbieren
der Komponente, die unter vermindertem Druck adsorbiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß man ein
im wesentlichen reines Gas, welches weitgehend die gleiche Zusammensetzung wie die weniger leicht adsorbierbare
Gaskomponente besitzt, in die Säule vor der Einführung des Gasgemisches einleitet bis der Innendruck
der Säule im wesentlichen der gleiche wird wie in der Adsorptionsstufe und ebenso das Innere der Säule
mit einem im wesentlichen reinen Gas, welches so ziemlich die gleiche Zusammensetzung wie die leicht
adsorbierbare Gaskomponente hat, unter im wesentlichen gleichem Druck wie in der Adsorptionsstufe vor der
Desorptionsstufe durchspült.
5·Verfahren nach Anspruch *J, dadurch gekennzeichnet, daß
das eingesetzte Adsorbens durch Dehydrat&tieiorunc' eines
Tuffgesteines hergestellt wird, welches im wesentlichen aus SiO2, Al2O5 und F3O besteht und 1 bis 10 % Alkalimetall-
oder Erdalkalimetalloxyde enthält und ein Röntgenstrahlenbeugungsbild besitzt, welches in der
Tabelle 1 oder Tabelle 2 dargestellt ist.
6.Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die leicht adsorbierbare Gaskomponente Stickstoff ist und die weniger leicht adsorbierbare Gaskomponente
Sauerstoff ist.
7.Verwendung eines dehydratisieren Tuffgesteins, welches
im wesentlichen aus SiO3, AIpO, und HpO besteht und
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— 7 7 „
1 bis 10 % Alkalimetall- oder. Erdalkalimetalloxyde
enthält und ein Röntgenstrahlenbeu^ungsbild gemäß
Tabelle 1 oder Tabelle 2 besitzt, als Adsorptionsmittel in Gasadsorptionsanlagen zur Trennung von
Gasen.
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Jg
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