DE2221379A1

DE2221379A1 - Verfahren und Anlage zur Fraktionierung eines Gasgemisches

Info

Publication number: DE2221379A1
Application number: DE19722221379
Authority: DE
Inventors: Claude Pivard; Guy Simonet
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1971-05-03
Filing date: 1972-05-02
Publication date: 1972-11-16
Also published as: GB1396032A; BE782902A; US3866428A; CA1009158A; IT960614B; NL7205936A; FR2135388A1; FR2135388B1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Fraktionierung eines Gasgemisches durch Adsorption zwecks Herstellung einer Gasfraktion, die mindestens teilweise an mindestens einem Bestandteil und einem zweiten Bestandteil der Mischung verarmt ist. Im besonderen betrifft die Erfindung die Fraktionierung von atmosphärischer Luft durch Adsorption zwecks Gewinnung einer sauerstoffreichen Fraktion, also einer Gasfraktion, die mindestens teilweise zumindest von Feuchtigkeit und dem Stickstoff der behandelten Luft befreit ist.

Bekanntlich kann die Herstellung von mäßig reinem Sauerstoff

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Postscheck: Frankfurt/Mlln 6763 Bank: Dresdner Bank AG, Wiesbaden, Konto-Nr. 276807

(Sauerstoffgehalt von höchstens =96%) oder an Sauerstoff angereicherter Luft nach verschiedenen Verfahren erfolgen. Die Verflüssigung von Luft mit anschliessender Destillation führt leicht zur Herstellung von sehr reinem Sauerstoff, der dann mit Luft je nach dem gewünschten Sauerstoffgehalt verdünnt werden kann, oder zur unmittelbaren Herstellung von sauerstoff rether Luft. Bei kleinen Produktionseinheiten führen jedoch derartige Verfahren zu hohen Investitionen und dementsprechend zu einem relativ hohen Gestehungspreis des Produktsauerstoffes.

Bei kleinen Produktionseinheiten erweist es sich als zweckmäßig, zu Adsorptionsverfahren zu greifen, welche die Herstellung von Sauerstoff mit einer Reinheit von höchstens 96% zu geringeren Kosten gestatten. Zu diesem Zweck wurde ein eyclisches Kreislaufadsorptionsverfahren vorgeschlagen, das umfaßt: a) eine Adsorptionsphase, während der man atmosphärische Luft (also mit Feuchtigkeit und Kohlendioxid beladene Luft) nacheinander in eine erste Adsorptionszone oder Entwässerungs - und Decarbonisierzone, worin vorzugsweise im wesentlichen die Feuchtigkeit, aber auch das Kohlendioxid der behandelten atmosphärischen Luft adsorbiert wird, und dann in eine zweite Adsorptionszone oder Sauerstoff-Stickstofftrennzone leitet, worin vorzugsweise der Stickstoff aus der trockenen und decarbonisierten Luft adsorbiert wird, die aus der ersten Adsorptionszone austritt; am Ausgang dieser Adsorptionsphase erhält man also eine an Sauerstoff angereicherte und trockene Gasfraktion, also eine praktisch von Feuchtigkeit, Kohlendioxidgas und Stickstoff be-

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freite Fraktion der behandelten atmosphärischen Luft?

b) eine Desorptionsphase, während der man das in der ersten Adsorptionszone adsorbierte Kohlendioxid und die Feuchtigkeit desorbiert, man den in der zweiten Adsorptionszone adsorbierten Stickstoff desorbiert und eine an Stickstoff und Feuchtigkeit angereicherte Regenerationsfraktion erhält, die vorher im Gegenstrom zur atmosphärischen Luft während der Adsorptionsphase nacheinander in der- zweiten Adsorptionszone und in der ersten Adsorptionszone umlief. Diese Desorptionsphase erfolgt im allgemeinen unter einem niedrigeren Desorptionsdruck als Luftdruck, wobei man das Vakuum am Eintritt der ersten Adsorptionszone im Adsorptionssinn anlegt«.

Dieses Verfahren führt jedoch zu merklichen Mängeln« die besonders ausgeprägt sind, wenn die Adsorptionsphase unter einem Adsorptionsdtuck nahe Luftdruck durchgeführt wird. Wenn nämlich der Adsorptionsdruck nahe bei Luftdruck liegt, führt die zu behandelnde Luft eine beträchtliche Wassermenge im Vergleich zu dem Fall mit sich, wo die Adsorption unter einem, höheren Druck als Luftdruck erfolgt und wo ein erheblicher Teil dieses Wassers während der Kompression der behandelten Luft zurückgehalten werden kann«,

Bei dem vorstehend angegebenen Verfahren wird die während der Ädsorptionsphase durch Adsorption des Wassers und der Kohlensäure in der ersten Zone freigesetzte Wärme mindestens teilwei-

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se von der Gasmischuag aus dieser letzteren zu der zweiten Adsorptionszone mitgeführt. Darauf folgt, daß diese Wärme zur mindestens teilweisen Wiedererwärmung der zweiten Adsorptionszone beiträgt, also die Adsorption des Stickstoffes in dieser Zone stört und damit die Adsorptionskapazität dieser Zone herabsetzt, umgekehrt wird die während der Desorptionsphase durch die Desorption des Stickstoffes in der zweiten Zone freigesetzte Kältemenge durch die Regenerierfraktion von letzterer Zone zu der ersten Adsorptionszone mitgenommen. Daraus folgt, daß diese Kälte zur mindestens teilweisen Abkühlung der ersten Adsorptionszone beiträgt, also die Desorption des Wassers und der Kohlensäure in dieser Zone stört und damit die Desorptionskapazität dieser Zone herabsetzt.

Infolgedessen sättigt sich am Ende einer bestimmten Anzahl von Adsorptionszyklen die erste Ädsorptionszone mit Wasser und Kohlendioxid in derselben Weise wie die Adsorptionskapazität der zweiten Adsorptionszone eingeschränkt wird. Bei dem vorstehend angegebenen Verfahren regeneriert man nach Ablauf einer gewissen Zeit die erste Adsorptionszone in einer ersten Stufe, während der man diese Zone erhitzt und sie mit Luft ausspült, und in einer zweiten Stufe, während der man diese Zone abkühlt.

Diese Mängel führen also zu einer Komplizierung der entsprechendem Adsorptionsanlage,indem man einerseits zwei periodisch umgeschaltete erste Adsorptionszonen für jede zweite Adsorptionszone und andererseits flir jede erste Adsorptionszone Heizmittel und Kühlmittel vorsieht. Infolgedessen kann das vorstehend an-

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gegebene Adsorptionsverfahren nicht ohne äußere Wärme- und Kältezuführungen durchgeführt werden, d.h. es kann nicht thermisch autonom sein.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese verschiedenen Mängel zu beheben und das vorstehend geschilderte Adsorptionsverfahren unabhängig von jeder äußeren Wärme- oder Kältequelle, d. h. also thermisch autonom, zumachen. Dieses Adsorptionsverfahren soll insbesondere auf die Fraktionierung von atmosphärischer Luft in sehr einfacher Betriebsweise anwendbar sein und keinerlei Heiz- oder Kühlmittel erfordern.

Gemäß der Erfindung kühlt man während der Adsorptionsphase das Gasgemisch in einer Wärmespeicherzone, welche die erste und die zweite Adsorptionszone trennt, indem man aus dieser Mischung während ihres Durchganges in der Speicherzone mindestens die durch die Adsorption des ersten Bestandteiles freigesetzte Wärmemenge abzieht und dann dem Gemisch während seines Durchganges durch diese Zone mindestens die Kältemenge wieder zuführt, die durch die Desorption des zweiten Bestandteiles während des vorhergehenden Zyklus freigesetzt worden istι und während der Desorptionsphase erwärmt man die Regenerierfraktion in dieser Zone, indem man von dieser Fraktion während ihres Durchganges durch diese Zone mindestens die Kältemenge abzieht, die durch die Desorption des zweiten Bestandteiles freigesetzt worden 1st, und dann dieser Fraktion während Ihres' Durchganges durch diese Zone mindestens die erwähnte Wärmemenge wieder zusetzt.

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Gemäß der Erfindung wird infolgedessen im Verlauf aufeinanderfolgender Adsorptionszyklen die durch Adsorption des ersten Bestandteiles in der ersten Adsorptionszone freigesetzte Adsorptionswärme, die mit dem Gasgemisch während der Adsorptiohsphase transportiert wird, in der zwischengeschalteten Wärmespeicherzone festgehalten und zeitweilig in dieser gespeichert; dann wird während der folgenden Desorpti'onsphase diese Wärme aus der Speicherzone freigegeben und im umgekehrten Sinn zur Adsorption mit der Regenerierfraktion in die erste Adsorptionszone zurückgebracht, wo sie zur Kompensierung der durch die Desorption des ersten Bestandfeiles in der ersten Adsorptionszone freigesetzten Desorptionskälte beiträgt.Auf dieselbe Weise wird während aufeinanderfolgender Adsorptionszyklen die durch die Desorption des zweiten Bestandteiles in der zweiten Adsorptionszone freigesetzte Desorptionskälte, die mit der Regenerierfraktion während der Desorptionszone mitgeführt wird, in der zwischengeschalteten Wärmespeicherzone festgehalten und zeitweilig in dieser gespeichert; darauf wird während der folgenden Adsorptionsphase diese Kälte aus der Speicherzone freigegeben und im umgekehrten Sinne zur Desorption mit dem Gasgemisch in die zweite Adsorptions zone zurückgeleitä:, wo sie zur Kompensierung der durch die Adsorption des zweiten Bestandteiles in der zweiten Adsorptionszone freigesetzten Adsorptionswärme beiträgt.

Aus den vorstehenden thermischen Betrachtungen (ausgedrückt in thermischen UnvollkommenheiteB an dem eingesetzten Adsorptionssystem) ergibt sich, daß während der Adsorptionsphase die in

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der ersten Adsorptionszone freigesetzte Wärme nicht in die zweite Adsorptionszone eindringt und nicht im geringsten die dort vor sich gehende Adsorption stört und-daß während der Desorptionsphase dLe in der zweiten Adsorptionszone freigesetzte Kälte nicht in die erste Adsorptionszone eindringt und nicht im geringsten die sich dort abspielende Desorption stört <, Infolgedessen spielt die thermische Speicherzone in gewisser Hinsicht die Hole eines Wärmepuffers zwischen den beiden Adsorptionszonen und verhindert, daß diese letzteren sich untereinander während ihres Betriebes stören.

Da folgUch gemäß der Erfindung die Adsorptionssonen selbst unabhängig voneinander die Kälte oder die Wärme erzeugen? die sie zur Arbeit bei der Desorption oder Adsorption benötigen, wird es möglich,gleichzeitig die Adsorptions^ und Desprptionsphasen in einer im wesentlichen adiabatischea Weise insbesondere nahe Umgebungstemperatur, also ohne Zuführung äußerer Kälte oder Wärme, durchzuführen« Dies ist sehr wichtig für die entsprechen= de Adsorptionsanlage _β die infolgedessen nur geringe Anlage·= kosten benötigt. Von besonderer Bedeutung ist dies bei"Praktio= nierverfahren für- Luft durch Adsorption zwecks Erzeugung von. Sauerstoff oder angereicherter .Luft»

Wenn andererseits der Ädsorptionsdruck höher als der Desorptionsdruck ist, führt die Desorptionsphase sur Kälteerzeugung durch Entspannung des in den Adsorptionszonen enthaltenen Gases» In diesem Fall wird diese zusätzliche Kältemenge gewissermaßen in der Wärmespeieherζone eingefangen und stört keineswegs die

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Desorption von Bestandteilssi des feehandelten Gasgemisches. Dasselbe gilt umgekehrt für eins Adsorption unter höherem Druck afe Luftdruck ,vrenn man vor der Adsorptionsphase den Druck von diesem Desorptlonsdruck auf den Adsbrptionsdruck anhebt. Die durch Kompression erseogte zusätzliche Wärmemenge wird gewissermassen in der Wärmespeicherzone eingefangen und stört keineswegs die Adsorption von Bestandteilen des behandelten Gasgemisches.

Nachstehend wird die Erfindung in vorteilhaften Ausführungsweisen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 bedeutet eine Anlage gemä0cfer.Erfindung zur Fraktionierung von atmosphärischer Luft mit einer einzigen Adsorptionsleitung.

Fig. 2 zeigt die Schwankungen des Druckes ρ ausgedrückt in mm Hg als Funktion der Zeit in Sekunden während eines Adsorptionszyklus bei Durchführung mit der in Fig. 1 dargestellten Anlage.

Fig. 3 zeigt im Axialschnitt den unteren Teil eines Adsorbers gemäß der Erfindung.

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Temperaturen T in C der gemäß Fig. 3 in einem Adsorber gemäß der Erfindung angeordneten Thermoelemente £, , ß, ^ als Funktion der Zeit während eines

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Adsorptionszyklus. Die Adsorptionsphase liegt zwischen den Zeiten 0 und t, , die Desorptionsphase zwischen t, und t-,, und die Phase des Wiederanstieges des Druckes beginnt bei t~·

Eig. 5 zeigt eine Luftfraktionieranlage mit 3 ähnlichen Adsorptionsleitungen wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. .

Fig. 6 ist ein Arbeitsdiagramm der in Fig. 5 dargestellten Anlage.

Fig. 7 zeigt eine Fraktionieranlage mit vier Adsorptionsleitungen ähnlich derjenigen wie in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 8 zeigt die Entwicklung des Sauerstoffgehaltes der an. Sauerstoff angereüierten Fraktion, die aus einer Adsorptionsleitung gemäß Fig. 1 austritt, als Funktion der Zeit.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage zur Fraktionierung von atmosphärischer Luft besitzt eineneinzigenAdsorptions2w6ig. Sie umfaßt von unten nach oben eine erste Adsorptionszone 1 oder Trocknungs- und Decarbonisierzene mit einer ersten Adsorbensschicht 51, z. B. aus aktivierter Tonerde oder Kieselsäuregel, eine thermische Speicherzone 2 mit einer Wärmespeichermasse 52, die aus Bleischrot, Kupferschnitzeln oder einer anderen für jede Gasströmung durchlässigen und eine große Wärmekapazität aufweisenden Metallmasse besteht«- ferner eine zweite Adsorptionszone 3 oder Sauerstoff-Stickstofftrennzone mit einer zweiten Adsorbensschicht 53, z. B. aus Molekularsieb 5 A. Die

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Adsorptionszonen 1 und 3 stehen also miteinander über die thermische Speicherzone in offener Verbindung. Die erste Adsorbensschlcht 51 und die zweite Adsorbensschicht 53, die durch die thermische Speichermasse 52 getrennt sind, sind in demselben " Adsorber angeordnet. Der Adsorbereintritt 58, also zur ersten Adsorptionszone 1, steht mit einer Luftumwälzeinrichtung 10 und einer Vakuumpumpe 20 über'die Ventile 56 bzw. 57 in Verbindung '. Der Adsorberaustritt 59, also der Austritt aus der zweiten Adsorptionszone, steht mit einem nicht dargestellten Sauerstoffspeicher und mit einer ebenfalls nicht dargestellten Quelle für ein feuchtigkeit- und stickstoffreies Gas über die Ventile 54bzw. 55 in Verbindung.

Ein elementarer Adsorptionszykluö, der mit dem.in Pig. I dargestellten Adsorptionsrzweig durchgeführt wird, umfaßt nacheinander eine Adsorptionsphase, eine Desorptionsphase und eine Phase wiederansteigenden Druckes von praktisch gleicher Dauer. Während der Adsorptionsphase sind die Ventile 55 und 57 geschlossen und die Ventile 54 ηηά 5β offen« Mit Feuchtigkeit und Kohlendioxid beladene. atmosphärische Luft, also ein Gasgemisch, wird von ümwälzeinrichtung 10 unter einem Adsorptionaäruck nahe Luftdruck zum Eintritt 58 der ersten Adsorptionszone 1 geschickt. Die Luft strömt dann unter dem Adsorptionsdruck in aufsteigendem Adsorptionssinn nacheißanöer in die erste Adsorptionszone 1, die Wärmespeichersone 2 und die zweite Adsorptionszone 3. In der ersten Adsorptionszone 1 werden die Feuchtigkeit der atmosphärischen Luft, d.h. der erste Bestandteil des Gasgemisches und ihr Kohlendioxidgehalt bevorzugt adsorbiert, wobei eine gewisse

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Wärmemenge frei wirdo In der thermisehen Speicherzone 2 wird die aus der Adsorptionszone I austretende-'entwässerte und d©~ carbonisierte Luft abgekühlt» Zu diesem Zweck sieht man vom unteren Teil der Speichersone aus der trockenen und deearbonäs~ sierten Luft mindestens die durch die Adsorption von Wasser freigesetzte Wärme ab und setzt dann im oberen Teil der Speicher zone der trockenen und decarbonisierten Luft mindestens die Kältemenge zu, die durch die Desorption des Stickstoffs, d. h, des zweiten Bestandteiles,frei wurde_? die in der Speicherzone während der Desorptionsphase des vorhergehenden Zyklus - gespeichert wurde. In der Adsorptionszone 3 wird bewsugt Stickstoff aus der trockenen entcarbonisierten und gekühlten Luft adsorbiert. Schließlich sieht man am Ausgang 59 der Adsorptionszone 53 eine an Sauerstoff angereicherte trockene Gasfraktion ab, die praktisch frei von der Feuchtigkeit und dem Stickstoff der Ausgahgsluft ist.

Während der Desorptionsphase sind die Ventile 54 und 56 geschlossen, und das Ventil 57 ist offen. Diese Desorptionsphase wird unter niedrigerem Desorptionsdruck als Luftdruck durchgeführt, indem man zur selben Zeit die Adsorptionszonen 1 und 3 und die Wärmespeicherzone 2 durch Anlegung von Vakuum an den Eintritt 58 der ersten Adsorptions zone, l entleert. Dann desorbiert man den in der zweiten Adsorptionszone 3 adsorbierten Stickstoff und die in der ersten Zone 1 adsorbierte Feuchtigkeit und Kohlensäure und erhält eine Regenerierfraktion, die aus der zweiten Adsorptionszone 3 stammt und von oben nach unten entgegengesetzt zur Adsorption nacheinander in die zweite Zone 3, die

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Wärmespeicherzone 2 und die erste Zone 1 strömt. In der Adsorptionszone 3 wird die Regenerierfraktion durch Desorption des Stickstoffs erzeugt,und entsprechend wird eine gewisse Kältemenge freigesetzt. In der Speicherzone 2 erwärmt sich die im wesentlichen aus Stickstoff bestehende Regenerierfraktion, die aus der Adsorptionszone 3 kommt. Zu diesem Zweck zieht man im oberen Teil der Speicherzone 2 aus dem Stickstoff mindestens die durch die Stickstoffdesorption freigesetzte Kältemenge ab und stellt dann im unteren Teil der Speicherzone 2 dem Stickstoff mindestens die durch Feuchtigkeitsadsorption freigesetzte Wärmemenge wieder zu, die in der Speieherzone während der vorhergehenden Adsorptionsphase gespeichert wurde. In der ersten Adsorptionszone 1 kühlt der gekühlte Stickstoff letztere aus und belää: sich mit^Ln dieser Zone desorbierter Feuchtigkeit und Kohlensäure. Schließlich zieht man am Eintritt 58 der ersten- Adsorptionszone die Regenerierfraktion ab, die an stickstoff angereichert und mit Feuchtigkeit beladen ist. Diese Fraktion wird mittels Vakuumpumpe 20 abgeführt.

WShrend der Phase des Druckwiederanstieges ist das Ventil 57 geschlossen und das Ventil 55 offen. Während dieser Phase erhöht sich der Druck in den Adsorptionszonen 1 und 3 und in der Speicherzone 2 von dem Desorptionsdruck, den man am Schluß der Desorptionsphase erhalten hat, auf den Adsorptionsdruck nahe Luftdruck. Zu diesem Zweck führt man von Feuchtigket und Stickstoff befreites trockenes Sauerstoffgas in die Zonen 1, 2 und 3 im umgekehrten Sinn zur Adsorptionsrichtung am Ausgang

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59 der zweiten Adsorptionszone 3 ein. Vorzugsweise stammt dar eingeführte Sauerstoff aus einem Vorrat, der mit während der Adsorptionsphase erzeugtem Sauerstoff gespeist ist. .

Der vorstehend beschriebene Adsorptionszyklus wird beispielshalber durch das Druckdiagramm der Fig. 2 erläutert« Die Phasen des Druckwiederanstieges,der Adsorption und Desorption sind zwischen den Zeiten 0 und t^, t^ und t₂, t₂ und t₃ eingeschlossen. .

Um jede Wärmeabfuhr nach außen von den Adsorptionszonen 1 und 3 und der Speicherzone 2 auszuschalten, sind die Adsorbensschichten 51 und 53 und die Wärmespeichermasse 52 in einem Adsorber angeordnet, und sie können gegen dessen Außenseite thermisch isoliert sein. Im besondren sind gemäß Fig₀ 3 die Schicht 51 und die Masse 52 im Inneren einer Hülse 61 aus nicht rostendem Stahl von geringer Dicke, z. Bo Q„4 mm„ angeordnet _s die mit der Wand 60 des Adsorbers einen Wärmeisolierraum 62 einschließt. Die thermischen Verluste der Trocknerschicht 51 zwischen den Metallgittern 63 und 64 und der Speichermasse 52 zwischen den Metallgittern 64 und 65 sind so auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Gemäß Fig. 3 wird es also nach der Erfindung möglich, die Adsorptions- und Desorptionsphasen quasi adiabatisch durchzuführen.

An einer Kolonne von 200 mm Durchmesser mit einer Tonerdeschicht 51 von 150 mm Höhe, einer aus einer Schicht von Bleikörnern von 2mm Durchmesser bestehenden Wärmespeichermasse 52 von 45 mm

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Höhe wurde die Bedeutung des Verfahrens der Erfindung nachgewiesen, wobei die Temperatur an den Punkten et- , β und V^des Adsorbens ermittelt wurde. Wenn die Durchgangsgeschwindigkeit der atmosphärischen Luft während der Adsorptionsphase unter Luftdruck zwischen 10 und 30 cm/sec, beispielsweise bei 20 cm/sec liegt, ermittelt man die Temperaturentwicklung als Funktion der Zeit (s. Fig. 4) mittels Thermoelementen O^ , Λ , >t, die am Eintritt 58 der Tonerdeschicht 51, zwischen der Schicht 51 und der Masse 52 bzw. zwischen der Masse 52 und der Schicht 53 angebracht sind (s. Fig. 3).

Es ist festzustellen, daß infolge der thermischen Speicherzone 2 zwischen den Adsorptionszonen 1 und 3 die Temperatur der Regenerierfraktion während ihres Durchganges durch die Zone 2, d. h. während der Desorptionsphase, im Mittel von ungefähr 15° auf 21°C geht, also die Fraktion vor ihrem Durchgang in die Trocknungszone 1 wiedererwärmt wird. Diese Temperaturänderung von ungefähr 6°C gestattet die Leistung der in der Zone 1 während der Desorptionsphase erfolgenden Desorption beträchtlich zu steigern, und damit reätiv die Trocknung während der Adsorptionsphase zu verbessern. Da außerdem die Ttocknungsschicht infolge der Speicherzone 2 besser regeneriert wird, ist es möglich, die Adsorptionsphase unter einem niedrigeren Druck als die üblicherweise angewendeten Drücke und insbesondere, wie oben schon angegeben, bei Drücken nahe Luftdruck, durchzuführen.

Umgekehrt geht die Temperatur der behandelten Luft während der

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Adsorptionsphase dank der thermischen Speicherzone im Mittel von etwa 21°C auf 15°C während ihres Durchganges in die Speicherzone, die Luft wird also vor ihrem Eintritt in die Sauerstoff- Stickstof ftrennzone gekühlt. Diese Temperaturveränderung gestattet die Leistung der Sauerstoff-Stickstofftrennung, die in der Zone 3 während der Adsorptionsphase vor sich geht, beträchtlich zu steigern.

Aus Fig. 4 ergibt sich auch, daß während der Adsorptionsphase die Luft in der Trockenerschicht vorgekühlt wird und daß während der Desorptionsphase der Regenerierstickstoff seine Wiedererwärmung in der Trocknungsschicht beendet. Dies zeigt, daß entsprechend den relativen Abmessungen der Adsorptionsschichten 51 und 53 und der Speichermasse 52 die Speicherzone 2 in der Lage ist, sich über die Masse 52 hinaus zu erstrecken und mindestens teilweise in die Trocknerschicht 51 und/oder in die Sauerstoff-Stictebofftrennschicht 53 einzudringen.

Um atmosphärische Luft kontinuierlich behandeln und einean Sauerstoff angereicherte Fraktion kontinuierlich erzeugen zu können, besitzt die in Fig. 5 dargestellte Anlage drei Adsorptionszweige A, B und C analog denjenigen der Fig. 1, die untereinander parallel geschaltet sind. Die Ventile 54 und 55 der drei Adsorptionszweige stehen mit einer SauerstoffSammelleitung 66 in Verbindung, und die Ventile ,56 sind an einer Luftverteilerleitung 68 angeschlossen, während die Ventile 57 an einer Abzugsleitung 67 angeschlossen sind.

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Jeder Zweig A, B oder C arbeitet nach einem identischen Adsorptionszyklus, wie er im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, und seine Phasen der Adsorption, Desorption und Druckwiederanstiegs haben eine im wesentlichen gleiche Dauer. Infolgedessen schaltet man die Zweige A, B und C periodisch um, indem man sie nach dem in Fig. 6 dargestellten Betriebsdiagramm im Kreis umschaltet. Während des Betriebes der Adsorptionszweige A, B und C erfolgt die Phase des Druckwiederanstieges in einem gegebenen Zweig entsprechend den obigen Ausführungen, indem man in diesen Zweig einen Teil der an Sauerstoff angereicherten Fraktion einführt, die in einem benachbarten Adsorptionszweig erzeugt wurde. Wenn zu diesem Zweck beispielsweise gteichzeitig während der Phase des Druckanstieges in dem Zweig A und während der Adsorptionsphase in dem benachbarten Zweig B die Ventile 56 a, 57a, 54a, 57b, 55b geschlossen und die Ventile 55a und 54b offen sind, zweigt man einen Teil der durch den Zweig B erzeugten an Sauerstoff angereicherten Fraktion am Ausgang 59b der zweiten Adsorptionszone 3b zu dem Austritt 59 a der zweiten Adsorptionszone 3a ab.

In der folgenden Tabelle finden sich beispielshalber die Werte der Betriebsparameter einer Anlage gemäß Fig. 5, die entsprechend Fig. 6 betrieben wird; sie gestattet sechs Tagestonnen Sauerstoff von 90% Reinheit herzustellen,und der eingesetzte Adsorptionszyklus besitzt 3 Phasen der Adsorption, Desorption und des Druckwiederanstieges von gleicher Dauer, nämlich 40 Sekunden. Diese Werte sind für drei verschiedene. Werte, näm-

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lieh 70, 100 bzw. 125 mm Hg des Enddruckes der Desorption angegeben, den man am Ausgang der Desorptionsphase erreicht.

Enddruck der Desorption in mm Hg

Exttaktionsausbeute an Sauerstoff

Strömungsmenge der behandelten atmosphärischen Luft in m³/h

Strömungsmenge des durch die Vakuumpumpe geförder ten Stickstoffs in ^

Masse der Schicht der N₂/0₂-Adsorption je Adsorptionszweig in kg

Saugleistung der Vakuumpumpe in m³/h (Wirkungsgrad = 8o%)

70	100	125
0,45	0,41	0,36
1985,7	2179	2482

1777,2 1970,9 2273,6

2407,5 2883,5 3537 6957 6545

6804

Die vorstehende Tabelle erläutert den Einfluß des Enddruckes der Desorption auf die Saugleistung der Vakuumpumpe. Man sieht, daß die Produktion von sechs Tagestonnen Sauerstoff bei einem Endvakuum der Desorption von 70 mm Hg eine Vakuumpumpe von größerer Durchsatzmenge erfordert> als wenn das Endvakuum oder100 mm Hg beträgt. Zwischen 125 und 100 mm Hg ist die Differenz gering. Andererseits konnte man feststellen, daß ein größerer Desorptionsenddruck von 200 bis 300 mm Hg nicht gestattet, höhere Sauerstoffgehalte zu erzielen, gleichgültig, welches die Extraktionsausbeute ist. Infolgedessen wird der Desorptionsenddruck zwischen 50 und 150 mm Hg, vorzugsweise

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nahe 100 mm Hg, gewählt.

Andererseits ist zu bemerken, daß die Extraktionsausbeute durch die Dauer der elementaren Phasen der Adsorption, Desorption und des Druckwiederanstieges beeinflusst wird. Man hat . keine merklichen Veränderungen festgestellt, wenn die Dauer jeder Phase länger als 35 Sekunden ist. Wenn dagegen die Dauer der Adsorptionsphase 21 Sekunden und diejenige der Desorptionsphase 18 Sekunden beträgt, dann war ein beträchtliches Absinken der Extraktionsausbeute, nämlich von ungefähr 40% auf 30% festzustellen. Infolgedessen wird die Dauer eines Adsorptionszyklus zwischen 20 und 60 Sekunden, vorzugsweise zwischen 35 und 45 Sekunden gewählt.

Beispielshalber kann eine Anlage zur Sauerstoffproduktion durch Adsorption wie folgt dimensioniert werden:

Produktion von sechs Tagestonnen Sauerstoff von 90% Reinheit stündliche Produktion von Sauerstoff mit 90% :" 208 m /h Adsorptionsenddruck : 100 mm Hg

drei Phasen von Adsorption, Desorption und Druckwiederanstieg jeweils 40 Sekunden

Extraktionsausbeute: 44%

behandelter Luftdurchsatz: 2.030 m /h bei 20⁰C

3 durch die Vakuumpumpe geförderte" Durchsatzmenge: 1.821,5 m /h Gesamtmasse Molekularsieb je Trennschicht für 02/N₃ in einem gegebenen Adsorptionszweig? 2,452,2 kg entsprechend 3,781 m

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3
Saugleistung der Vakuumpumpes 6.180 m /h bei einem mittleren Wirkungsgrad von 80%.

Es ist natürlich möglich, mit höheren Adsorptionsdrücken als Luftdruck, beispielsweise in der Größenordnung von 2 atm,zu arbeiten. In diesem Fall kann das Verfahren der Adsorptionsfraktionierung gemäß der Erfindung in einer Fraktionieranlage gemäß Fig. 7 durchgeführt werden, welche die kontinuierliche Erzeugung einer an Sauerstoff angereicherten Fraktion aus atmosphärischer Luft gestattet. Die Anlage nach Fig. 7 verwendet vier Adsorptionszweige A, B, C und D, die miteinander parallel geschaltet sind und gleichzeitig nach demselben Adsorptionszyklus bei periodischer Umschaltung im Kreis arbeitet.

Bei der Anlage nach Fig. 7 besitzt ein in einem gegebenen Adsorptionszweig durchgeführter Adsorptionszyklus dieselben Phasen, wie sie vorstehend definiert wurden, aber er umfaßt außerdem eine zusätzliche Phase des Druckabfalles zwischen der ha*· sorptionsphaee und der Desorptionsphase.Während dieser Druckabfallphase senkt man den Druck der beiden Adsorptionszonen 1 und 3 und der thermischen Speicherzone 2 vom Adsorptionsdruck auf einen Zwischendruck nahe Luftdruck. Dann leitet man die Desorptionsphaee bei diesem Zwischendruck ein. Vorzugsweise wird die Phase des Druckabstieges durch Umstellung auf die Luft vorgenommen, indem man im Gegenstrom zum Adsorptionssinn vom Eintritt 58 der ersten Adsorptionszone 1 mittels eines Ventils 69 eine Zwischenfraktion abzieht, die mindestens einen Teil der Feuchtigkeit und des Stickstoffs enthält, die während dieser

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Druckabstiegsphase desorbiert werden.

Um den Wechsel der Adsorptionszweige A, B, C und D zu gestatten, ist die Dauer der vier Phasen von Adsorption, Druckabstieg, Desorption, Druckwiederanstieg ungefähr gleich.

, Andererseits besitzt ein an irgendeinem der Adsorptionszweige A, B, C oder D der Fig. 7 durchgeführter Adsorptionszyklus noch folgende Besonderheit. Die Adsorptionsphase umfaßt eine erste Stufe, während der man die erhaltene, an Sauerstoff angereicherte Fraktion durch die Leitung 66 als Produkt abzieht, bis diese Fraktion eine vorbestimmte Zusammensetzung hat, und sie weist eine bei dieser Zusammensetzung beginnende zweite Stufe auf, während der man die erhaltene angereicherte Fraktion durch Leitung 71 als Nebenprodukt abzieht, bis diese Fraktion eine Zusammensetzung annähernd wie die behandelte atmosphärische Luft hat.

Der durch einen Sauerstoffanalysator gemessene Sauerstoffgehalt der sauerstoffreichen Fraktion, die man am Austritt 59 einer zweiten Adsorptionszone 3 erhält, entwickelt sich nämlich als Funktion der Zeit nach Fig. 8. Insbesondere beginnt vom Augenblick S an der Sauerstoffgehalt abzunehmen, bis im Zeitpunkt T der Ursprungsgehalt der behandelten atmosphärischen Luft erreicht ist. Wenn man also einen besonders hohen und konstanten Sauerstoffgehalt für die erzeugte angereicherte Fraktion wünscht, führt man die erste Stufe der Adsorptionsphase durch, bis die Zusammensetzung dieser im Zeitpunkt S erreicht

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hat, und die zweite Stufe wird durchgeführt, bis die Zusammensetzung im Zeitpunkt T diejenige der behandelten atmosphärischen Luft erreicht.

Statt die während der zweiten Stufe der Adsorptionsphase erzeugte Fraktion in die Luft zu entlassen, recyclisiert man vorzugsweise diese Fraktion von dem gegebenen Adsorptionszweig zum Eingang eines benachbarten Adsorptionszweiges. Beispielshalber zweigt man zu dieeem Zweck während der zweiten Stufe der Adsorptionsphase des Adsorptionszweiges A und während der ersten Stufe der Adsorptionsstufe des Adsorptionszweiges D , die am Ausgang der zweiten Adsorptionszone 3a erhaltene noch an Sauerstoff reiche Gasfraktion durch eine Leitung 71a ab, um sie durch das offene Ventil 70a bei geschlossenem Ventil 54a zum Eintritt 58d der ersten Adsorptionszone Id zu schicken.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Fraktionierung eines Gasgemisches zur Gewinnung einer mindestens teilweise von mindestens einem ersten Bestandteil und einem zweiten Bestandteil des Gemisches freien Gasfraktion mittels mindestens eines Adsorptionszyklus,, der eine Adsorptionsphase, während der das Gasgemisch nacheinander durch mindestens eine erste und eine zweite Adsorptionszone umläuft, die bevorzugt zumindest den ersten Bestandteil, bzw. zumindest den zweiten Bestandteil unter Bildung der Gasfraktion absorbieren, und eine Desorptionsphase aufweist, während der man mindestens den ersten und den zweiten Bestandteil desorbiert, wobei eine Regenerierfraktion nacheinander mindestens die zweite Adsorptionszone und die erste Adsorptionszone durchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Adsorptionsphase das Gasgemisch in einer thermischen Speicherzone abkühlt, indem man aus dem Gemisch mindestens die durch die Adsorption des ersten Bestandteiles freigesetzte Wärmemenge abzieht, darauf diesem. Gemisch mindestens die durch die Desorption des zweiten Bestandteiles während des vorhergehenden Zyklus freigesetzte Kältemenge wieder zustellt und daß man während der Desorptionsphase die Regenerierfraktion in dieser Zone wiedererwärmt,indem man von der Fraktion mindestens die durch die Desorption des zweiten Bestandteiles freigesetzte Kältemenge abzieht und dieser Fraktion dann mindestens die betreffende Wärmemenge wieder zustellt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in praktisch adiabatischer Weise zugleich die Adsorptionsphase und die Desorptionsphase durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Desorptionsphase un-

Desorptions-

ter einem niedrigeren Druck ab der Adsorptionsdruck durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnt, daß während einer Druckwiederanstiegsphase, die zwischen der Desorptionsphase und der Adsorptionsphase liegt, der Druck der beiden Adsorptionszonen von dem Desorptionsdruck auf den Adsorptionsdruck wieder angehoben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Druckwiederanstiegsphase ein Gas, das mindestens teilweise von mindestens dem ersten undj*·*·*- dem zweiten Bestandteil des Gasgemisches in den beiden Adsorptionszonen befreit worden ist, vom Austritt der zweiten Adsorptions- ' zone im Adsorptionssinn eingeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Desorptionsphase unter einem niedrigeren Desorptionsdruck als Luftdruck erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß während der Desorptionsphase das Vakuum an den beiden Adsorptionszoneniom Eintritt der ersten Adsorptionszone im Adsorptionssinn aus angelegt wird, um die Regenerierfraktion zu erhalten.

6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Adsorptionsphase unter einem höheren Druck als Luftdruck durchgeführt wird, da-

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durch gekennzeichnet, daß während einer Phase des Druckabfalles zwischen der Adsorptionsphase und der Desorptionsphase der Druck der beiden Adsorptionszonen auf einen Zwischendruck nahe Luftdruck abgesenkt und die Desorptionsphase bei diesem Zwischendruck eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase des Druökabfalles vom Eingang der ersten Adsorptionszone im Adsorptionssinn eine Zwischenfraktion abgezogen wird, die mindestens einen Teil des ersten und des zweiten Bestandteiles enthält und während dieser Phase desorbiert worden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsphase eine erste Stufe, während der man die

als Produkt erhaltene Gasfraktion abzieht, bis diese Prak-

ung tion eine vorbestimmte Zusammensetz/ hat, und eine zweite Stufe umfaßt,die bei dieser Zusammensetzung beginnt und während der man die¹ als Nebenprodukt erhaltene Gasfraktion abzweigt, bis diese Fraktion eine Zusammensetzung nahe derjenigen des behandelten Gasgemisches hat.

9. Verfahren nach Anspruch 3- zur kontinuierlichen Erzeugung der Gasfraktion, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen von Adsorption, Desorption und Druckwiederanstieg desselben Adsorptionszyklus eine annhähernd gleiche Dauer haben und daß man mindestens drei Adsorptionszweige einsetzt, die

• gleichzeitig entsprechend dem Adsorptionszyklus arbeiten,

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und man die Adsorptionszweige in cyclischer Vertauschung periodisch umschaltet.

10. Verfahren nach Ansprach 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig während der Druckwiederanstiegsphase eines ersten Adsorptionszweiges und während der Adsorptionsphase eines zweiten Adsorptipnszweiges ein Teil der Gasfraktion vom Austritt der zweiten Adsorptionszone des zweiten Zweiges zum Austritt der zweiten Adsorptionszone des ersten Zweiges abgezweigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig während der zweiten Stufe der Adsorptionsphase eines ersten Adsorptbnszweiges und während der ersten Stufe der Adsorptionsphase eines zweiten Adsorptionszweiges, die als Nebenprodukt vom Austritt der zweiten Adsorptionszone des ersten Zweiges abgezogene Gasfraktion zum Eintritt der ersten Adsorptionszone des zweiten Zweiges abgezweigt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 6, zur kontimierlichen Erzeugung der Gasfraktion, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen

' von Adsorption, Druckabfall, Desorption und Druckwiederanstieg -eiw-ws* desselben Adsorptionszyklus im wesentlichen gleiche Dauer haben und daß man mindestens vier Adsorptionszweige vorsieht, die gleichzeitig gemäß dem Adsorptionszyklus arbeiten^ und man in cyclischer Vertauschung die Adsorptionszweige periodisch ' " umschaltet.

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13. Verfahren nach Anspruch 1 zur Fraktionierung von atmosphärischer Luft unter Gewinnung einer sauerstoffreichen Fraktion, dadurch gekennzeichnet, daß während der Adsorptionsphase die atmosphärische Luft nacheinander in die erste
Adsorptionszone und die zweite Adsorptionsζone strömt, wobei bevorzugt mindestens Feuchtigkeit bzw. mindestens Stickstoff aus der atmosphärischen Luft adsorbiert wird, um die Sauerstoffreiche Fraktion zu erhalten, und man während der Desorptionsphase mindestens die Feuchtigkeit und den Stickstoff desorbiert, um eine an Stickstoff und Feuchtigkeit
reiche Regenerierfraktion zu erhalten* die nacheinander in mindestens die zweite Adsorptionszone und die erste Adsorptionszone strömt.

14. Verfahren nach Anspruch 3 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionsdruck nahe Luftdruck liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 5 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der am Schluß der Desorptionsphase erhaltene Desorptionsenddruck zwischen 50 und 150 torr, vorzugsweise nahe 100
torr liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 5 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer einer Phase eines Adsorptionszyklus zwischen 20 und 60 Sekunden liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß

die Dauer einer Phase eines Zyklus zwischen 35 und 45 Sekunden

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liegt,

18. Anlage zur Fraktionierung eines Gasgemisches mit einem Adsorptionszweig, der eine erste Adsorptionszone und eine hiermit in offener Verbindung stehende zweite Adsorptionszone umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionszweig außerdem eine thermische Speicherzone aufweist/ und die Adsorptionszonei^attiteinander über die thermische Speicherzone in offener Verbindung stehen.

19. Anlage nach Anspruch 1.8, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Speicherzone eine thermische Speichermasse auf¹-weist, die aus Bleischrot, Kupferspänen oder irgendeiner anderen Metallmasse be^ceht, die eine große Wärmekapazität besitzt.

20. Anlage nach Anspruch 19, bei der die erste und die zweite . Adsorptionszone eine erste bzw. eine zweite Adsorptionsschicht aufweisen, dadürdigekennzeichnet, daß die Adsorptionsschichten und die thermische Speichermasse in einem einheitlichen Adsorber angebracht sind und!die Speichermasse die erste und die zweite Adsorptionsschicht voneinander trennt.

21. Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsschrchten und die Speichermasse gegenüber der Außenseite des Adsorbers im wesentlichen thermisch isoliert sind.

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