DE60013595T2

DE60013595T2 - Chemischer reaktor mit druckwechseladsorption

Info

Publication number: DE60013595T2
Application number: DE60013595T
Authority: DE
Inventors: G. Bowie KEEFER; J. Denis CONNOR
Original assignee: QuestAir Technologies Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: JP2003501247A; US7250150B1; JP5188663B2; AU5381300A; WO2000076629A1; US7687044B2; US20070253872A1; ATE275435T1; EP1187668A1; DE60013595D1; EP1187668B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft chemische Reaktionen, die in der Gas- oder Dampfphase durchgeführt werden. Reaktionen können exotherm oder endotherm sein und über einen Katalysator durchgeführt werden. Einige besondere Anwendungen schließen Ammoniaksynthese, Methanolsynthese, Umwandlung von Naturgas oder synthetischem Gas in Flüssigbrennstoffe, Hydrierungs- und Dehydrierungsreaktionen und gesteuerte Oxidationsreaktionen ein.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Grundlegende Probleme in der chemischen Industrie schließen die Führung von Gleichgewichtsreaktion und Kinetik zur Erzielung einer hohen Umwandlung mit gewünschter Selektivität unter moderaten Reaktionsbedingungen und Management der Reaktionswärme zur Steuerung von Reaktionstemperatur und zum Erzielen von hoher Energieausbeute ein.
Typischerweise ist eine Durchlaufumwandlung des/der Beschickungsreaktionspartner(s) aufgrund von Gleichgewichtsbeschränkungen unvollständig. Es ist dann häufig notwendig, für ein Abtrennsystem zu sorgen, um nützlich Produkte aus dem Reaktorablauf zu extrahieren, und danach unverbrauchte Reaktionspartner zum Reaktoreinlaß zurückzuführen. Der Stand der Technik liefert bekannte Abtrennprozesse, die auf Kondensation, Destillation, Membrandurchdringung, Absorption und Adsorption basieren. In den meisten Fällen sind diese Abtrennprozesse im Stand der Technik mit der Betriebstemperatur der Reaktion selbst nicht kompatibel. Die meisten herkömmlichen Abtrennprozesse arbeiten bei Umgebungs- oder Subumgebungstemperatur, während die Reaktion bei erhöhter Temperatur läuft, so daß teure Wärmetauscher für den Rückführkreis erforderlich sind.
Hohe Temperaturen fördern im allgemeinen gute Reaktionsraten, aber verschieben das Gleichgewicht von exothermen Reaktionen in Richtung auf geringere Umwandlung. Die hohen Kosten von Wärmetauschern, Rückführkompressoren und anderen zusätzlichen Geräten schaffen dann einen Anreiz für einen Betrieb bei relativ harten Druck- oder Temperaturreaktionsbedingungen, um den Bedarf an Rückführung zu minimieren. Bei der Ammoniaksynthese als Beispiel für eine typische exotherme Reaktion wird eine zufriedenstellende Umwandlung durch Erzwingen des Gleichgewichts mit Hochdruckbetrieb erzielt, während die Produktabtrennung aus dem Rückführkreislauf durch Kondensation gewöhnlich nach Kühlung erzielt wird.
Es liegen wichtige Anwendungen dort vor, wo die Abtrennung von Kohlendioxid von einem Dampf enthaltenden Reaktionsgasgemisch bei erhöhter Temperatur erwünscht ist oder wo genannte Abtrennung die Prozeßausbeute, Einfachheit und Wirtschaftlichkeit in großen Maßen verbessern könnte. Ein wichtiges Beispiel stellt die Wasserstoffproduktion durch Dampfreformierung von Naturgas dar. Mehrere Prozesse im Stand der Technik haben Sorption zum Entfernen von Kohlendioxid aus Reaktionsgemischen aus Dampf und Methan vorgeschlagen, um die Gleichgewichte der Dampfreformierung und Wassergasverschiebungsreaktion zu führen und mittelreinen Wasserstoff bei hoher Umwandlung zu erzeugen. Die Verwendung von Kalk als ein thermisch regeneriertes Sorptionsmittel in einem Wirbelbettreaktor wurde von Brun-Tsekhovoi et al. in "The Process of Catalytic Steam-Reforming of Hydrocarbons in the Presence of Carbon Dioxid Acceptor, "Hydrogen Energy progress VII, Proceedings of the World Hydrogen Energy Conference, Pergamon Press, Seite 885 (1988) vorgeschlagen. Vor kurzem sind Festbett-Druckwechsel-Adsorptionsreaktor-Prozesse für Dampfmethanreformierung von Gaffney et al. (U.S.-Patent Nr. 5,917,136) unter Verwendung von modifizierten Aluminiumoxidadsorbens und von J.R. Hufton, S.G. Mayorga und S. Sircar ("Sorption Enhanced Reaction Process for Hydrogen Production", AlChEJ 45, 248 (1999)) unter Verwendung von gemischten Metalloxiden, die von Hydrotalcit abgeleitet und mit Kaliumkarbonat beschleunigt sind, entwickelt worden.
Gasabtrennung durch Druckwechseladsorption (Pressure Swing Adsorption (PSA)) wird durch koordinierte Druckkreislaufführung und Strömungswechsel über einer Adsorbensschicht erzielt, die vorzugsweise eine leichter adsorbierte Komponente relativ zu einer weniger leicht adsorbierten Komponente des Gemisches adsorbiert. Der Gesamtdruck wird während Intervallen mit Strömung in einer ersten Richtung durch die Adsorbensschicht von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende der Schicht angehoben und während Intervallen mit einer Strömung in der entgegengesetzten Richtung reduziert. Da der Zyklus wiederholt wird, wird die weniger leicht adsorbierte Komponente in der ersten Richtung konzentriert, während die leichter adsorbierte Komponente in der umgekehrten Richtung konzentriert wird.
Ein "leichtes" Produkt, das in der leichter adsorbierten Komponente verarmt und in der weniger leicht adsorbierten Komponenten angereichert ist, wird danach aus dem zweiten Ende der Schicht abgegeben. Ein "schweres" Produkt, das in der stärker adsorbierten Komponente angereichert ist, wird aus dem ersten Ende der Schicht abgelassen. Typischerweise wird die Beschickung zum ersten Ende einer Schicht zugegeben und das zweite Produkt aus dem zweiten Ende der Schicht abgegeben, wenn der Druck in der Schicht auf einen höheren Arbeitsdruck angehoben ist, während das zweite Produkt aus dem ersten Ende der Schicht bei einem niedrigeren Arbeitsdruck abgelassen wird, der der untere Druck des Zyklus ist.
Der herkömmliche Prozeß zur Gasabtrennung durch Druckwechseladsorption verwendet zwei oder mehr Adsorbensschichten parallel, wobei sich gerichtete Ventilausrüstung an jedem Ende jeder Adsorbensschicht zum Verbinden der Schichten in abwechselnder Folge mit Druckquellen und -senken befindet, um dadurch die Änderungen von Arbeitsdruck und Strömungsrichtung zu erzeugen. Dieser herkömmliche Druckwechseladsorptionsprozeß macht ineffizienten Gebrauch von eingesetzter Energie aufgrund irreversibler Expansion über die Ventile über große Druckdifferenzen während Schaltung der Adsorbensschichten zwischen oberen und unteren Drücken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung integriert den chemischen Reaktor mit Druckwechseladsorption als den Produkt/Reaktionspartner-Abtrennprozeß.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Prozeß zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Drehmodul mit den Merkmalen von Anspruch 31 bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung führt eine chemische Reaktion in Zusammenarbeit mit einem Drehmodul für Druckwechseladsorptionsabtrennung des/der Reaktionsprodukts/Reaktionsprodukte von dem/den Reaktionspartner(n) mit hoher Energieausbeute und mit kompakten Maschinen mit geringen Kapitalkosten durch.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ein Drehmodul für PSA-Abtrennung eines Gasgemisches, das eine leichter adsorbierte Komponente und eine weniger leicht adsorbierte Komponente enthält, wobei die leichter adsorbierte Komponente vorzugsweise von dem Beschickungsgasgemisch durch ein Adsorptionsmaterial unter Druckerhöhung adsorbiert wird, um von dem Gasgemisch ein schweres Produktgas, das in der leichter adsorbierten Komponente angereichert ist, und ein leichtes Produktgas zu trennen, das in der weniger leicht adsorbierten Komponente angereichert und in der leichter adsorbierten Komponente verarmt ist. Die Vorrichtung enthält typischerweise Axial- oder Zentrifugal komprimiermaschinen, die mit einem oder mehreren parallelen PSA-Modul(en) zusammenarbeiten. Jedes PSA-Modul umfaßt eine Vielzahl von Adsorbern, wobei jeder Adsorber einen Strömungsweg aufweist, der Adsorptionsmaterial zwischen ersten und zweiten Enden des Strömungsweges kontaktiert.
Jedes PSA-Modul weist ferner ein erstes Ventilmittel auf, das mit den Adsorbern zusammenwirkt, um Beschickungsgas zu den ersten Enden der Adsorber zu geben und schweres Produktgas aus den ersten Enden der Adsorber abzulassen. Jedes PSA-Modul weist auch ein zweites Ventilmittel auf, das mit den Adsorbern zusammenwirkt, um leichtes Produktgas aus den zweiten Enden der Adsorber abzugeben, leichtes Rückführgas aus den zweiten Enden der Adsorber abzusaugen und leichtes Rückführgas zu den zweiten Enden der Adsorber zurückzuführen. Der Begriff "leichte Rückführung" bezieht sich auf Entnehmen von leichtem Gas (in der weniger leicht adsorbierten Komponente angereichert) aus den zweiten Enden von Adsorbern über das zweite Ventilmittel, gefolgt durch Druckentspannung und Rückführung des leichten Gases zu anderen Adsorbern bei einem unteren Druck über das zweite Ventilmittel. Die ersten und zweiten Ventilmittel werden so betrieben, daß sie die Schritte eines PSA-Zyklus definieren, die sequentiell in jedem der Adsorber durchgeführt werden, während die zeitlichen Abläufe von Strömung bei speziellen Gesamtdruckwerten zwischen den Adsorbern und den Komprimiermaschinen gesteuert werden.
Der PSA-Prozeß gemäß der Erfindung erzeugt den PSA-Zyklus in jedem Adsorber, innerhalb dessen der Gesamtarbeitsdruck in jedem Adsorber zwischen einem oberen Druck und einem unteren Druck des PSA-Zyklus im Kreis geführt wird. Der PSA-Prozeß sorgt auch für eine Vielzahl von Zwischendrücken zwischen dem oberen und unteren Druck. Die Komprimiermaschinen der Vorrichtung enthalten im allgemeinen mehrstufige Axial- oder Zentrifugalkompressoren und Expander.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Beschickungskompressor typischerweise Beschickungsgas in mehreren Stufen mit diskreten Zwischendrücken für Beschickungsdruckbeaufschlagung der Adsorber sowie als der obere Druck für die Erzeugung von leichtem Produkt an das erste Ventilmittel liefern. Der Exhaustor wird typischerweise zweites Produktgas in mehreren Stufen bei diskreten Zwischendrücken für Gegenabblasen der Adsorber sowie dem unteren Druck vom ersten Ventilmittel erhalten. Der Expander für den leichten Rücklauf kann Druckentspannung auf mehreren separaten Stufen des leichten Rücklaufes, sequentiell aus dem zweiten Ventilmittel auf einer Gruppe von diskreten Zwischendruckwerten entnommen, und nach Expansion zum zweiten Ventilmittel auf einer niedrigeren Gruppe von diskreten Zwischendruckwerten, durchführen. Wärmetauscher können zum Erwärmen von zu expandierenden Gasströmen zur thermisch verstärkten Energierückgewinnung vorgesehen sein.
Damit die fließenden Gasströme, die in die Komprimiermaschinen eintreten oder dort austreten, bei jedem Druckwert im wesentlichen gleichförmig hinsichtlich Druck und Geschwindigkeit sind, wird jedes PSA-Modul vorzugsweise eine ausreichend große Anzahl von Adsorbern aufweisen, damit mehrere Adsorber jeden Schritt des PSA-Zyklus in jedem Moment durchmachen. Während Druckbeaufschlagungs- und -abblasschritten würden sich die durch den Schritt gehenden mehreren Adsorber in einer aufeinanderfolgend stufenweise konvergierenden Annäherung an den Nenndruckwert jedes Schrittes durch eine Drosseldruckangleichung vom Druckwert des vorangehenden Schrittes, der von den Adsorbern wahrgenommen wird, befinden. Strömung wird den Adsorbern von den Komprimiermaschinen bei dem Nenndruckwert des Schrittes in einem Druckbeaufschlagungsschritt zur Verfügung gestellt oder in einem Abblasschritt entnommen. Somit sind von den Komprimiermaschinen wahrgenommene Strömungs- und Druckschwankungen bei jedem Zwischendruckwert durch Mittlung von den durch den Schritt gehenden mehreren Adsorbern minimal, obwohl jeder Adsorber großen zyklischen Änderungen von Druck und Strömung unterliegt.
Ein bevorzugter Weg zum Bereitstellen einer großer Anzahl von Adsorbern in einem mechanisch einfachen PSA-Modul besteht darin, solche Adsorber als winkelig beabstandete Elemente in einem Rotor zu installieren, deren gegenüberliegende Flächen über Abdichtungsflächen mit Abdichtungsflächen eines mündenden Stators in Eingriff stehen, die ersten und zweiten Ventilmittel liefern werden. Durch Bereitstellen einer ausreichenden Anzahl von Durchlässen mit geeigneter winkeliger Beabstandung zur Anpassung an jeden der gewünschten Druckwerte (oberer, unterer und dazwischen befindlicher) in jeder der ersten und zweiten Ventilsitzflächen, kann ein gewünschter PSA-Zyklus erzielt werden.
Wenn eine kleinere Anzahl von Adsorbern in jedem PSA-Modul verwendet wird, werden Ausgleichsabsorberkammern notwendig werden, um jede Stufe der Komprimiermaschinen von übermäßigen Schwankungen von Strömung und Druck zu isolieren. Mit ausreichend großen Ausgleichsabsorberkammern werden von den Komprimiermaschinen wahrgenommene Strömungs- und Druckschwankungen wieder minimiert.
Das Prinzip der Verwendung von Komprimier- und Expandiermaschinen (wobei Komprimierung hauptsächlich in Verbindung mit den ersten Enden der Adsorber durchgeführt wird und Expansionsenergierückgewinnung in parallelem Abblasen von den zweiten Enden der Adsorber durchgeführt wird) zum Erzeugen eines PSA-Zyklus mit hoher Leistung wird als "Thermally Coupled Pressure Swing Adsorption" oder TCPSA, aufgrund des innewohnenden Wärmepumpenaspekts bezeichnet, der sich aus einer engen mechanischen Analogie zu thermodynamischen Maschinen mit Sterling- oder Ericsson-Kreislauf ergibt.
Energierückgewinnung wird durch Expansion von Gegenstromabblasgas (wenn diese Schritte bei Superatmosphärendruck durchgeführt werden) und durch Expansion über die Druckentspannungs-Expandiermaschinen zwischen den Austritts- und Rückführkammern für leichten Rücklauf durchgeführt. Die vorliegende Erfindung liefert mehrstufige oder in Ströme aufgeteilte Komprimier/Expandiermaschinen für die Mehrgasströmungen auf mehreren dicht beabstandeten Zwischendruckwerten, die durch den vorliegenden PSA-Prozeß ermöglicht werden. Die mehrstufigen Maschinen können als separate Maschinen, die in Reihe oder parallel arbeiten, oder vorzugsweise als mehrere Flügelräder hintereinander auf einer einzigen Welle in einem einzigen Gehäuse vorgesehen sein. Wärmetauscher können als Kompressionszwischenkühler zum Abweisen von Kompressionswärme und als Heizgeräte zum Heizen von entweder (oder beiden) dem Gegenstromabblasgas oder dem leichten Rücklaufgas, das expandiert werden soll, optional vorgesehen sein. Das Heizgerät kann mit Wärme von einer externen Quelle versorgt werden oder kann Kompressionswärme von den Kompressionszwischenkühlern als eine weitere Art von Energierückgewinnung in der Vorrichtung und dem Prozeß gemäß der Erfindung verwendet werden. Wärmne kann auch zu den Adsorbern geliefert oder davon beseitigt werden, indem Wärmeaustauschflächen im Rotor vorgesehen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer PSA-Vorrichtung und 2 zeigt einen typischen PSA-Zyklus in der Ausführung, in der die Erfindung angewandt werden soll.
3 zeigt eine Schnittansicht eines für Radialströmung konfigurierten Drehmoduls.
4 zeigt eine Schnittansicht eines für Axialströmung konfigurierten Drehmoduls.
5 zeigt Schnittansichten der ersten Ventilsitzfläche, des Adsorbers und der zweiten Ventilsitzfläche des Drehmoduls von 4.
6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung einer exothermen Reaktion, wobei die chemische Reaktion in einer Zone der Adsorber im Drehmodul durchgeführt wird.
7 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung einer exothermen Reaktion, wobei die chemische Reaktion in Reaktoren außerhalb des Drehmoduls durchgeführt wird.
8 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung einer endothermen Reaktion, wobei die chemische Reaktion in Reaktoren außerhalb des Drehmoduls durchgeführt wird.
9 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung einer endothermen Reaktion im Beispiel von Dampf-Methanreformierung, wobei die Reaktion in den Adsorbern des Drehmoduls und mit Wärmeaustausch zu den Adsorbern durchgeführt wird.
10 ist eine Schnittansicht eines Drehmoduls der Vorrichtung von 9.
11 zeigt einen Querschnitt eines einzigen Absorbers des Drehmoduls von 10.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Figur 1 und 2
1 zeigt eine elementare PSA-Vorrichtung 1, wobei eine Adsorberanordnung 2 eine Vielzahl von "N" parallelen zusammenwirkenden Adsorbern 3 aufweist. Jeder Adsorber 3 weist einen Strömungsweg 4 zwischen einem ersten Ende 5 und zweiten Ende 6 des Adsorbers 3 auf, wobei Adsorptionsmaterial den Strömungsweg kontaktiert. Ein erstes Ventilmittel 7 und ein zweites Ventilmittel 8 wirken mit den Adsorbern 3 zusammen. Der Pfeil 9 kennzeichnet die Richtung der Abfolge der Adsorber 3 bei der Verbindung mit Durchlässen der in 1 gezeigten ersten und zweiten Ventilmittel 7, 8. Im Falle eines Drehadsorbers, wie in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, ist der Adsorbenotor 2 in 1 in einem 360 °-Schnitt um seine Drehachse abgerollt gezeigt, so daß eine Drehung die Adsorber 3 in der Richtung des Pfeiles 9 vorschreiten läßt, um den Zyklus von 2 durchzumachen.
Die linke Kante 13 der abgerollten Ansicht des Rotors kehrt zur rechten Kante 14 nach Drehung um 360 ° zurück. Es ist auch innerhalb der Erfindung möglich, ein ganzzahliges Vielfaches von „M"-Gruppen mit „N"Adsorbern in einem einzigen Rotor 2 zu haben, so daß die Winkelerstreckung für Kante 13 zu Kante 14 360 ° / M beträgt. Dies weist den Nachteil der größeren Komplexität von Fluidverbindungen zu den ersten und zweiten Ventilmitteln 7, 8, aber die Vorteile von langsamerer Drehgeschwindigkeit (um einen Faktor „M" für dieselbe PSA-Zyklusfrequenz) und einer symmetrischen Druck- und Spannungsverteilung auf. Mit „M" = 2 repräsentiert 1 jede 180 °-Seite eines Rotors gemäß der Erfindung.
2 zeigt den PSA-Zyklus, der aufeinanderfolgend von jedem der „N" Adsorber 3 über eine Zyklusperiode „T" durchgemacht wird. Der Zyklus in aufeinanderfolgenden Adsorbern 3 ist um ein Zeitintervall T/N phasenverschoben. In 2 zeigt die vertikale Achse 10 den Arbeitsdruck in einem Adsorberelement. Die oberen und unteren Arbeitsdrücke des PSA-Prozesses sind jeweils durch gepunktete Linien 11 und 12 gekennzeichnet.
Die horizontale Achse 15 gibt die Zeit an, wobei die PSA-Zyklusperiode durch das Zeitintervall zwischen Punkten 16 und 17 definiert wird. Zu den Zeitpunkten 16 und 17 ist der Arbeitsdruck in dem ersten Adsorber 3 auf der linken Seite in 1 der Druck 18. Ausgehend vom Zeitpunkt 16 beginnt der Zyklus, wenn das erste Ende 5 des Adsorbers 3 vom ersten Ventilmittel 7 zum ersten Beschickungszuführmittel 20 beim ersten Zwischenbeschickungsdruck 21 geöffnet wird. Der Druck im Adsorber 3 steigt vom Druck 18 zum Zeitpunkt 17 auf den ersten Zwischenbeschickungsdruck 21. Weiter fortschreitend wird das erste Ende 5 als nächstes zum zweiten Beschickungszuführungsmittel 22 beim zweiten Zwischenbeschickungsdruck 23 geöffnet. Der Adsorberdruck steigt auf den zweiten Zwischenbeschickungsdruck an.
Danach wird das erste Ende 5 zu einem dritten Beschickungszuführungsmittel 24 bei dem oberen Druck 11 des PSA-Prozesses geöffnet. Wenn der Adsorberdruck auf im wesentlichen den oberen Arbeitsdruck angestiegen ist, wird sein zweites Ende 6 vom zweiten Ventilmittel 8 zur Abgabeleitung 25 für das leichte Produkt zum Abgeben von gereinigtem leichtem Produkt geöffnet. Während Beschickungsgas zum ersten Ende des Adsorbers 3 vom dritten Beschickungszuführungsmittel 24 weiterhin zugeführt wird, wird das zweite Ende 6 als nächstes zur Abgabeleitung 25 für leichtes Produkt geschlossen und zum Abgeben von „leichtem Rücklau"-Gas (ähnlich wie das zweite Produktgas in der weniger leicht adsorbierten Komponente angereichert) durch Leitung 29 zum ersten Druckentspannungsmittel 30 für leichten Rücklauf geöffnet. Das Druckentspannungsmittel 30 für leichten Rücklauf kann ein Expander mit optionalen Wärmetauschern, wie zum Beispiel einem Einlaßheizgerät oder einer Drosseldüse sein. Alle oder einige der Beschickungszuführungsmittel können Beschickungskomprimierstufen sein.
Das erste Ende 5 des Adsorbers 3 wird danach durch das erste Ventilmittel 7 geschlossen, während das zweite Ende 6 nachfolgend vom zweiten Ventilmittel 8 geöffnet wird, um a) den Adsorberdruck auf den ersten parallelen Abblasdruck 32 abzusenken, während leichtes Rücklaufgas durch Leitung 33 zum zweiten Druckentspannungsmittel 34 für leichten Rücklauf abgegeben wird, b) den Adsorberdruck auf den zweiten parallelen Abblasdruck 36 abzusenken, während leichtes Rücklaufgas durch Leitung 37 zum dritten Druckentspannungsmittel 38 für leichten Rücklauf abgegeben wird, und (c) den Adsorberdruck auf den dritten parallelen Abblasdruck 40 abzusenken, während leichtes Rücklaufgas durch Leitung 41 zum vierten Druckentspannungsmittel 42 für leichten Rücklauf abgegeben wird. Das zweite Ende 6 wird danach für ein Intervall bis zu den Schritten zum Zurückführen von leichtem Rücklauf im Anschluß an die Gegenabblasschritte geschlossen.
Die Druckentspannungsmittel 30, 34, 38, 42 für leichten Rücklauf können mechanische Expandierstufen zur Expansionsenergierückgewinnung oder Drosselöffnungen oder Drosselventile für irreversible Druckentspannung sein.
Entweder wenn das zweite Ende 6 nach dem letzten Schritt des Austretens von leichtem Rücklauf (wie in 2 gezeigt) geschlossen ist, oder früher, während Schritte des Austretens von leichtem Rücklauf weiterhin laufen, wird das erste Ende 5 zum ersten Auslaßmittel 46 geöffnet, was den Adsorberdruck auf den ersten Gegenstromabblaszwischendruck 48 absenkt, während „schweres" Gas (in der stärker adsorbierten Komponente angereichert) zum ersten Auslaßmittel 46 abgegeben wird. Als nächstes wird das erste Ende 5 zum zweiten Auslaßmittel 50 geöffnet, was den Adsorberdruck auf den zweiten Gegenstromabblaszwischendruck 52 absenkt, während „schweres" Gas abgegeben wird. Danach wird das erste Ende 5 zum dritten Auslaßmittel 54 geöffnet, was den Adsorberdruck auf den unteren Druck 12 des PSA-Prozesses absenkt, während „schweres" Gas abgegeben wird. Wenn der Adsorberdruck den unteren Druck im wesentlichen erreicht hat, während das erste Ende 5 zum dritten Auslaßmittel 54 offen ist, wird das zweite Ende 6 zum Empfangen von viertem leichtem Rücklaufgas (als Spülgas) vom vierten Druckentspannungsmittel 42 für leichten Rücklauf durch Leitung 55 geöffnet, um mehr schweres Gas in das dritte Auslaßmittel 54 zu entlassen. Das schwere Gas von den ersten, zweiten und dritten Auslaßmitteln 46, 50, 54 kann gemeinsam als das schwere Produkt 56 abgegeben werden. Alle oder einige der Auslaßmittel können mechanische Auslaßstufen, alternativ entweder Expandierstufen, wenn der Druck reduziert werden soll, oder Vakuumpumpstufen, wenn der Druck auf Umgebungsdruck angehoben werden soll, oder Auslaßkomprimierstufen sein, wenn der Auslaß von zweitem Produkt bei einem erhöhten Druck abgegeben werden soll. Ein Auslaßmittel kann auch durch Lüften zu einer externen Senke, zum Beispiel der Umgebungsatmosphäre, bereitgestellt werden.
Der Adsorber 3 wird danach durch leichtes Rücklaufgas erneut mit Druck beaufschlagt, nachdem das erste Ende 5 geschlossen ist. Nachfolgend wird das zweite Ende 6 geöffnet, um (a) leichtes Rücklaufgas durch Leitung 59 vom dritten Druckentspannungsmittel 38 für leichten Rücklauf zu erhalten und den Adsorberdruck auf den ersten Druckbeaufschlagungsdruck 60 für den leichten Rücklauf anzuheben, (b) leichtes Rücklaufgas durch Leitung 61 vom zweiten Druckentspannungsmittel 34 für leichten Rücklauf zu erhalten und den Adsorberdruck auf den zweiten Druckbeaufschlagungsdruck 62 für leichten Rücklauf anzuheben und (c) leichtes Rücklaufgas durch Leitung 63 vom ersten Druckentspannungsmittel 30 für leichten Rücklauf zu erhalten und den Adsorberdruck auf den dritten Druckbeaufschlagungsdruck für leichten Rücklauf anzuheben. Sofern nicht die Beschickungsdruckbeaufschlagung bereits gestartet worden ist, während Rückführung von leichtem Rücklauf zur Druckbeaufschlagung des leichten Rücklaufs weiterhin läuft, beginnt der Prozeß mit der Beschickungsdruckbeaufschlagung für den nächsten Zyklus nach Zeitpunkt 17, sobald der dritte Schritt zur Druckbeaufschlagung des leichten Rücklaufs abgeschlossen worden ist.
Von jedem Beschickungszuführungsmittel (z. B. 20) wird die Beschickungsströmung von einer Leitung 70 über eine optionale Ausgleichsabsorberkammer 73 zu einer Beschickungskammer 72 abgeben, die sich zu einem Beschickungsdurchlaß 73 im ersten Ventilmittel öffnet. Die Beschickungskammer 72 kann gleichzeitig zu mehreren Adsorbern 3 offen sein und kann einen begrenzten Eingang 74 aufweisen, um für eine allmähliche drosselnde Druckangleichung zu sorgen, wenn jeder Adsorber 3 zur Beschickungskammer 72 geöffnet wird. Die erste Beschickungsdruckbeaufschlagungskammer 72 wird durch Leitung 70 gespeist, die zweite Beschickungsdruckbeaufschlagungskammer 75 wird durch Leitung 76 gespeist und die Beschickungsproduktionszuführungskammer 77 von Leitung 78 gespeist.
Zu jedem Auslaßmittel (z. B. 46) wird die Auslaßströmung von einer Leitung 80 über eine optionale Ausgleichsabsorberkammer 81 von einer Auslaßkammer 82 abgegeben, die sich zu einem Durchlaß 83 im ersten Ventilmittel 7 öffnet. Die Auslaßkammer 82 kann gleichzeitig zu mehreren Adsorbern 3 offen sein und kann einen beschränkten Eingang 84 aufweisen, um für eine allmähliche drosselnde Druckangleichung zu sorgen, wenn jeder Adsorber zur Auslaßkammer 82 geöffnet wird. Die Auslaßkammern lassen sich dadurch kennzeichnen, daß eine erste Gegenstromabblas-Auslaßkammer 82 zu Leitung 80 abläßt, eine zweite Gegenstromabblas-Auslaßkammer 61 zu Leitung 63 abläßt und eine Spülauslaßkammer 65 zu Leitung 67 abläßt.
Das leichte Produkt wird über eine optionale Ausgleichsabsorberkammer 86 von der Austrittskammer 87 für leichtes Produkt, die sich zu einem Durchlaß 88 für leichtes Produkt im zweiten Ventilmittel 8 öffnet, zu einer Abgabeleitung 25 für leichtes Produkt abgegeben.
Die leichte Rücklaufströmung wird von einer Leitung 90 über eine optionale Ausgleichsabsorberkammer 91 von einer Austrittskammer 92 für leichten Rücklauf, die sich zu einem Austrittsdurchlaß 93 für leichten Rücklauf im zweiten Ventilmittel 8 öffnet, zu jedem Druckentspannungsmittel (z. B. 34) für leichten Rücklauf abgegeben. Die Austrittskammer 92 für leichten Rücklauf kann gleichzeitig zu mehreren Absorbern offen sein und kann einen begrenzten Eingang 94 aufweisen, um für eine allmähliche drosselnde Druckangleichung zu sorgen, wenn jeder Adsorber 3 zur Eintrittskammer 92 für leichten Rücklauf geöffnet wird.
Die leichte Rücklaufströmung wird von jedem Druckentspannungsmittel (z. B. 34) für leichten Rücklauf von einer Leitung 95 über eine optionale Ausgleichsabsorberkammer 96 an eine Eintrittskammer 97 für leichten Rücklauf gegeben, die sich zu einem Eintrittsdurchlaß 98 für leichten Rücklauf im zweiten Ventilmittel 8 öffnet. Die Austrittskammer 97 für leichten Rücklauf kann gleichzeitig zu mehreren Adsorbern 3 offen sein und kann einen beschränkten Eingang 99 aufweisen, um für eine allmähliche drosselnde Druckangleichung zu sorgen, wenn jeder Adsorber 3 zur Eintrittskammer 97 für leichten Rücklauf geöffnet wird.
Die Druckänderungsrate in jedem Druckbeaufschlagungs- oder -abblasschritt kann somit durch Drosselung in Kammern der ersten und zweiten Ventilmittel 7, 8 oder durch Drosselung in den Durchlässen an ersten und zweiten Enden 5, 6 der Adsorber 3 begrenzt werden, was zu der in 2 dargestellten typischen Druckwellenform führt. Übermäßig hohe Druck-änderungsgeschwindigkeiten würden den Adsorber 3 mechanischer Beanspruchung aussetzen, während auch Strömungsübergänge verursacht werden, die dazu neigen würden, axiale Dispersion der Konzentrationswellenfront im Adsorber 3 zu erhöhen. Strömungs- und Druckschwankungen werden dadurch minimiert, daß eine Vielzahl von Adsorbern 3 vorhanden ist, die gleichzeitig jeden Schritt des Zyklus durchlaufen, und/oder durch Vorsehen von Ausgleichsabsorbern in den Leitungen, die die ersten und zweiten Ventilmittel 7, 8 verbinden.
Es wird ersichtlich sein, daß der in 2 gezeigte Zyklus derart verallgemeinert werden könnte, daß er mehr oder weniger Zwischenstufen in jedem Hauptschritt von Beschickungsdruckbeaufschlagung, Gegenstromabblas oder leichtem Rücklauf aufweist. Insbesondere könnte die Adsorberdruckbeaufschlagung durch Beschickungsdruckbeaufschlagung (oder durch Druckbeaufschlagung mit einer Komponente der Beschickung) oder durch erneute Druckbeaufschlagung des leichten Rücklaufes vollständig erzielt werden. Außerdem kann die Länge der Schritte durch Änderung der Winkelbreite der Durchlässeleicht geändert werden. Somit kann es erwünscht sein, die Dauer der Produktions- und Spülschritte bei jeweils den oberen und unteren Drücken des Prozesses zu verlängern, um Druckabfall in den Adsorbern 3 während dieser Schritte zu reduzieren. Umgekehrt können relativ allmähliche Druckbeaufschlagungs- und Abblasschritte erwünscht sein, um kinetische Beschränkungen oder mechanische Beanspruchungsgrenzen zu überwinden.
Das erste Ende 5 und zweite Ende 6 der Adsorber 3 werden jeweils auf den Temperaturen T1 und T2 gehalten.
Figur 3
3 zeigt eine Schnittansicht eines Drehmoduls 100, das für Radialströmung konfiguriert ist. Ein Rotor 2 enthält die „N" Adsorber 3, wobei der Strömungsweg hier radial zwischen dem ersten Ende 5 und zweiten Ende 6 der Adsorber 3 orientiert ist. Die ersten Adsorberenden 5 öffnen sich durch Öffnungen 106 zu einer Abdichtungsfläche 107 mit dem ersten Ventilstator 108, der Durchlässe 109 zur Bildung des ersten Ventilmittels 7 aufweist. Der erste Ventilstator 108 weist eine Vielzahl von Funktionskammern in Fluidverbindung mit der Abdichtungsfläche 107 durch Durchlässe 109 auf, die eine erste Beschickungsdruckbeaufschlagungszuführkammer 72, eine zweite erste Beschickungsdruckbeaufschlagungszuführkammer 75, eine Beschickungsproduktionszuführkammer 77 bei im wesentlichen dem oberen Druck, eine erste Gegenstromabblaskammer 82, eine zweite Gegenstromabblasauslaßkammer 61 und eine Spülauslaßkammer 65 bei im wesentlichen dem unteren Druck einschliessen.
Die Adsorberenden 6 öffnen sich durch Öffnungen 118 zu einer Abdichtungsfläche 119 mit dem zweiten Ventilstator 105, der Durchlässezur Bildung des zweiten Ventilmittels 8 aufweist. Der zweite Ventilstator 105 enthält, wobei jede Kammer in Fluidverbindung mit der Abdichtungskammer 119 durch Durchlässe 120 steht, eine Abgabekammer 87 für leichtes Produkt bei im wesentlichen dem oberen Druck, eine erste Austrittskammer für leichten Rücklauf, die hier einfach das stromabwärtige Ende der Kammer 87 ist, die Gas zur Leitung 25 liefert, eine zweite Austrittskammer 92 für leichten Rücklauf, die Gas an Leitung 33 abgibt, dritte und vierte Austrittskammern für leichten Rücklauf, die Gas an jeweilige Leitungen 37 und 41 abgeben, eine vierte Rückführkammer 97 für leichten Rücklauf, die Spülgas von Leitung 55 bei im wesentlichen dem unteren Druck erhält, eine dritte Rückführkammer für leichten Rücklauf, die Gas von Leitung 59 erhält, eine zweite Rückführkammer für leichten Rücklauf, die Gas von Leitung 61 erhält, und eine erste Rückführkammer für leichten Rücklauf, die Gas von Leitung 63 erhält. Der Winkelabstand von Durchlässen, die mit den Kammern in den ersten und zweiten Ventilstatoren 108, 105 in Verbindung stehen, definieren den Zeitablauf der PSA-Zyklussschritte ähnlich dem Zyklus von 2.
In diesem Beispiel werden Abdichtungsflächen 107 und 119 jeweils von den äußeren und inneren Radien des ringförmigen Rotors 2 gebildet. Fluidabdichtung zwischen den Funktionskammern in den Abdichtungsflächen 117 und 119 wird durch Spaltabdichtungen erzielt. Die Spaltabdichtungen sind als Gleitschuhe vorgesehen, die durch Zwischenwände an den ersten und zweiten Ventilstatoren 108, 109 angebracht sind. Die Trennwände 131 sorgen für statische Abdichtung zwischen benachbarten Kammern. Die Gleitschuhe 130 greifen die Abdichtungsflächen 107, 119 mit schmalen Fluidabdichtungsspalten ein, die auch für Drosselung von Gasströmungen zwischen den Adsorbern 3 und Funktionskammern in jedem Druckänderungsschritt sorgen, so daß jeder Adsorber eine sanfte Angleichung des Drucks an den Druck der nächsten Funktionskammer, die zum Adsorber 3 geöffnet werden soll, vornimmt. Zusätzlich zu den Funktionskammern sind Kammern zum Ausgleichen von statischem Druck (z. B. 132 und 133) hinter einigen Spaltabdichtungsgleitschuhen 130 vorgesehen. Die Kammern zum Ausgleichen von statischem Druck sind in Winkelsektoren der ersten und zweiten Ventilstatoren 108, 105 angeordnet, die nicht als Funktionskammern verwendet werden, um eine gesteuerte Druckverteilung hinter den Spaltgleitschuhen 130 zu erzeugen und deren abdichtenden Eingriff ohne übermäßigen Kontaktdruck und folgende Reibung aufrechtzuerhalten.
Figur 4 und 5
4 zeigt eine Schnittansicht eines Drehmoduls 200, das für Axialströmung konfiguriert ist, während 5 Schnittansichten von der ersten Ventilsitzfläche, den Adsorbern 3 und der zweiten Ventilsitzfläche des Drehmoduls von 4 zeigt. Der Strömungsweg in den Adsorbern 3 ist nun parallel zur Achse 201. Die Schritte der Prozeß- und Funktionskammern stehen in derselben Winkelbeziehung unabhängig von einer radialen oder axialen Strömungsrichtung in den Adsorbern 3. Schnitte 200A, 200B und 2000 sind Querschnitte von Modul 200 in den Ebenen, die jeweils von den Pfeilen 202 – 203, 204 – 205 und 206 – 207 definiert sind. 4 zeigt einen Axialschnitt des Moduls 200 durch Kammern 77 und 87 auf dem oberen Druck und Kammern 65 und 97 auf dem unteren Druck. Der Adsorberrotor 2 enthält die "N" Adsorber 3 in Adsorberrad 208 und dreht sich im Stator 103.
An den Enden des Rotors 2 begrenzen umlaufende Abdichtungen 215 und 216 die erste Abdichungsfläche 107 und begrenzen umlaufende Abdichtungen 217 und 218 die zweite Abdichtungsfläche 219. Die Abdichtungsflächen sind flache Scheiben. Die umlaufenden Abdichtungen definieren auch die Enden von Spaltgleitschuhen 130 in den Abdichtungsflächen zwischen den Funktionskammern. Der Rotor 2 wird durch Lager 220 im Gehäuse 225 gehalten, das einteilig mit den ersten und zweiten Ventilstatoren zusammengesetzt ist. Der Rotor 2 wird von Bortelantriebmotor 230 angetrieben, der in Reib-, Zahnrad- oder Riemeneingriff mit dem Außenrand des Rotors 2 stehen kann.
Schnitt 200A zeigt die erste Ventilsitzfläche von Ausführungsform 200 von 4, bei Schnitt 202 – 203, mit Fluidverbindungen zum Beschicken und Gegenstromabblasen. Pfeil 270 kennzeichnet die Richtung der Drehung durch den Adsorberrotor 2. Die offene Fläche der Ventilsitzfläche 107, die in die Beschickungs- und Auslaßkammern mündet, ist durch durchsichtige Winkelsegmente 77, 82, 61, 65, 72, 75 und 77, die diesen Funktionskammern entsprechen, zwischen umlaufenden Abdichtungen 215 und 216 gekennzeichnet. Die im wesentlichen geschlossene Fläche der Ventilsitzfläche 107 zwischen Funktionskanmmern ist durch schraffierte Sektoren 275 und 276 gekennzeichnet, die Spaltgleitschuhe 130 sind. Der typische geschlossene Sektor 275 liefert einen Übergang für einen Adsorber zwischen Geöffnetsein zwischen zwei benachbarten Kammern. Allmähliches Öffnen wird durch einen Kanal mit einer sich verjüngenden Weite zwischen dem Gleitschuh und der Abdichtungsfläche geliefert, um eine sanfte Druckangleichung eines Adsorbers zu erzielen, der zu einer neuen Kammer geöffnet wird. Es sind viel breitere geschlossene Sektoren (z.B. 276) vorgesehen, um Strömung zu oder von einem Ende der Adsorber 3 zu blockieren, wenn Druckbeaufschlagung oder Abblasen vom anderen Ende durchgeführt wird.
Schnitt 200C stellt die zweite Ventilsitzfläche von Ausführungsform 200 von 4 bei Schnitt 206 – 207 dar. Ähnliche Prinzipien und Alternativen gelten für Radialströmungs- und Axialströmungsgeometrien bezüglich Abdichtung an zylindrischen oder scheibenförmigen Flächen. Schnitt 200B zeigt eine Adsorberradkonfiguration für die Ausführungsform von 4 bei Schnitt 204 – 205. Die Adsorberkonfiguration ähnelt einer Radialströmungsgeometrie, die in der parallel anhängigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 08/995,906 gezeigt ist. Hier ist "N" = 72. Die Adsorber 3 sind zwischen Außenwand 280 und Innenwand 281 von Adsorberrad 208 montiert. Jeder Adsorber umfaßt einen rechteckigen flachen Stapel, der aus adsorbierenden Platten 282 laminiert ist, wobei sich Abstandhalter zwischen den Platten befinden, um Strömungskanäle hier in der axialen Richtung zu bilden. Separatoren 284 sind zwischen den Adsorbern zum Füllen von Hohlräumen und zur Verhinderung einer Leckage zwischen den Adsorbern vorgesehen.
Die Adsorptionsplatten 282 umfassen ein Verstärkungsmaterial, in bevorzugten Ausführungsformen Glasfaser, Metallfolie oder Drahtsieb, an dem das Adsorptionsmaterial mit einem geeigneten Bindemittel angebracht ist. Typische Adsorptionsmaterialien enthalten Zeolithe, von denen viele auch als Katalysatoren für die interessierenden Reaktionen aktiv sind. Die Zeolithkristalle sind mit Siliziumdioxid, Ton und anderen Bindemitteln oder selbstbindend in der Adsorptionsplattenmatrix gebunden.
Zufriedenstellende Adsorptionsplatten sind durch Beschichten einer Schlämme aus Zeolithkristallen mit Bindebestandteilen auf dem Verstärkungsmaterial hergestellt worden, wobei erfolgreiche Beispiele ungewebte Glasfaserstoffe, gewebte Metallstoffe und expandierte Aluminiumfolien umfassen. Abstandhalter werden durch Bedrucken oder Prägen der Adsorptionsplatte mit einem erhabenen Muster oder durch Plazieren eines hergestellten Abstandhalters zwischen benachbarten Paaren von Adsorptionsplatten bereitgestellt. Alternative zufriedenstellende Abstandhalter sind als gewebte Metallsiebe, ungewebte Glasfaserstoffe und Metallfolien mit geätzten Strömungskanälen in einem photolithographischen Muster bereitgestellt worden.
Typische experimentelle Plattendicken sind 150 Mikron, mit Abstandhalterhöhen im Bereich von 100 Mikron und Adsorberströmungskanallänge von näherungsweise 20 cm gewesen.
Figur 6
Eine Vorrichtung 300 zur Durchführung einer exothermen Reaktion, im Beispiel von Ammoniaksynthese, führt die Reaktion innerhalb einer Zone 301 benachbart zu den zweiten Enden 6 der Adsorber 3 im Drehmodul durch. Die Zone 301 weist einen Katalysator auf, der zur Stimulierung der Reaktion in einem erweiterten Abschnitt der Adsorber 3 aktiv ist, wobei der Katalysator vorzugsweise auf Platten in einer laminierten Struktur mit parallelen Durchgängen gehalten wird, wie sie oben für Adsorptionsplatten beschrieben ist. Die Strömungswege durch den Rotor schließen Strömungskanäle ein, die Adsorptionsmaterial und den Katalysator in der Zone 301 davon kontaktieren.
Der untere Teil von 6 zeigt das PSA-Zyklusdruckschema, das auf der horizontalen Zeitachse 305 mit der Winkelabfolge der Funktionskammern in den ersten und zweiten Ventilsitzflächen 7 und 8, wie im oberen Teil von 6 gezeigt, koordiniert ist. Die vertikale Druckachse 306 umfaßt den unteren Druck 307 des PSA-Zyklus, oberen Druck 308 und einen Zwischendruck 309.
Das erste Ende 5 der Adsorber 3 wird auf näherungsweise einer ersten Temperatur T1 vom Wärmetauschermittel 310 gehalten, das mit den Leitungen zusammenwirkt, die mit den zweiten Funktionskammern in Verbindung stehen. Das zweite Ende 6 der Adsorber 3 wird auf näherungsweise einer zweiten Temperatur T2 vom Wärmetauschermittel 311 gehalten, das mit den Leitungen zusammenwirkt, die mit den zweiten Funktionskammern in Verbindung stehen. In dieser Ausführungsform wird die Reaktion auf erhöhter Temperatur, näherungsweise Temperatur T2, durchgeführt. Ein Produkt der Reaktion wird in einem Produktseparator 320 auf einer unteren Temperatur kondensiert, die näherungsweise die Temperatur T1 sein kann.
Mit einer großen Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2 müssen die Adsorber 3 einen entsprechenden Temperaturgradienten entlang des Strömungsweges unterstützen und demzufolge wird ein zyklischer regenerativer Wärmeaustausch zwischen der sich zyklisch umkehrenden Gasströmung im Strömungsweg und der Wärmeleitung von festem Material im Strömungsweg stattfinden, das das Adsorptionsmaterial, irgendein Adsorptionsmaterialhaltematerial und eine Verstärkung desselben und irgendwelche Abstandhalter enthält, die mit Strömungskanälen verbunden sind. Es wird somit bevorzugt, eine ausreichende Wärmekapazität von festem Material im Strömungsweg und mit innigem Wärmekontakt zu den Strömungskanälen vorzusehen. In dieser Ausführungsform würde der Wärmeleitweg im festen Material entlang des Strömungsweges vorzugsweise in kurzen Intervallen unterbrochen, um eine große Wärmeleitung des festen Materials entlang des Strömungsweges zu vermeiden. Es ist auch wünschenswert, das Adsorptionsmaterial mit optimal ausgewählten Adsorptionsmitteln in verschiedenen Zonen (z.B. Adsorptionszonen 328 und 329, die durch Zonengrenze 330 unterteilt sind) mit unterschiedlicher Temperatur zu beschichten.
Die Vorrichtung 300 enthält einen mehrstufigen Kompressor 340 mit mehreren Einlaß- und Abgabedurchlässen zum Empfangen von Gas, das in der mehr adsorbierten Komponente angereichert ist, von Leitungen 80, 63 und 67 und Komprimieren des Gases zurück zu den Leitungen 80, 63 und 67. Der Prozeß enthält somit Entnehmen von Gas, das in der leichter adsorbierten Komponente angereichert ist, von der ersten Ventilsitzfläche, Komprimieren des Gases auf einen erhöhten Druck und Rückführen des Gases zur ersten Ventilsitzfläche und somit zu den Strömungswegen bei dem erhöhten Druck, um die Konzentration der leichter adsorbierten Komponente benachbart zur ersten Ventilsitzfläche zu erhöhen. Im Anschluß an eine Stufe 341 des Kompressors 340 wird ein Strom aus Gas, das in der leichter adsorbierten Komponente angereichert ist, durch den Kondensor 320 geleitet, aus dem ein flüssiges Reaktionsprodukt in Leitung 342 gegeben wird, wird ein Spülstrom optional von Leitung 343 abgegeben, um irgendwelche sich sammelnden inerten Komponenten zu beseitigen, und wird ein Kopfstrom von Leitung 344 zum Einlaß der nächsten Stufe des Kompressors 340 und somit zur ersten Ventilsitzfläche zurückgebracht oder andernfalls direkt zur ersten Ventilsitzfläche zurückgebracht.
Die Vorrichtung 300 enthält auch einen mehrstufigen Expander zum Empfangen von Gas, das in der weniger leicht adsorbierten Komponente relativ angereichert ist, von Leitungen 25, 33, 37 und 41, die mit der zweiten Ventilsitzfläche in Verbindung stehen, und Expandieren des Gases in parallelen Strömen zum Rückführen zur zweiten Ventilsitzfläche durch jeweilige Leitungen 61, 59, 55 und 63.
Die Vorrichtung 300 enthält eine Beschickungszuführleitung 359 und einen optionalen Beschickungskompressor 360 zum Liefern eines Beschickungsgases aus dem/den Reaktionspartner(n) zu einem oder mehreren Gasstrom/Gasströme, der/die in die erste Ventilsitzfläche eintritt/eintreten.
Der Kompressor 340 ist ein Kompressor für schweren Rücklauf und der Expander 350 ist ein Expander für leichten Rücklauf zur Durchführung des PSA-Zyklus. Der Kompressor 340 für schweren Rücklauf und der Beschickungskompressor 360 können auf einer einzigen Welle 361 mit dem Expander 350 für leichten Rücklauf und einer Antriebsmaschine 362 gekoppelt sein. Wenn die abgegebene Leistung des Expanders 350 den Energieverbrauch der Kompressoren 341 und 360 übersteigt, kann die Antriebsmaschine 362 durch einen Generator oder eine andere mechanische Last zum nützlichen Absorbieren von Energie ersetzt werden.
In dem Beispiel der Ammoniaksynthese sind die Reaktionspartner Wasserstoff und Stickstoff, die zur Erzeugung von Ammoniak reagieren, typischerweise über einen durch Eisen unterstützten Katalysator auf einer Temperatur T2 im näherungsweisen Bereich von 400° C bis 500° C. Eine Laborvorrichtung, die einen Druckkolben verwendet, um für die Funktion des Kompressors für schweren Rücklauf zu sorgen, und einen Expansionskolben verwendet, um für die Funktion des Kompressors für leichten Rücklauf zu sorgen, wurde mit einem einzigen granulaxen Adsorber in der mechanischen Ausführungsform des U.S.-Patents Nr. 4,702,903 betrieben. Der Adsorber wurde mit Katalysator 301 mit reduziertem Eisen, 13-X-Zeolith als Absorptionsmaterial in der Zone 309 und Kieselsäuregel als das Adsorptionsmaterial in der Zone 308 gemäß den Bezugszeichen der vorliegenden Erfindung gefüllt. Der obere Druck des PSA-Zyklus betrug näherungsweise 800 kPa und der untere Druck betrug näherungsweise 400 kPa. Die Beschickung war ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff. Die Gaszusammensetzung benachbart zum zweiten Ende 6 betrug näherungsweise 70 % Wasserstoff, 28 % Stickstoff und 2 % Ammoniak. Die Zusammensetzung des Produkts (als Dampf abgegeben) aus dem Nachbarbereich des zweiten Endes betrug näherungsweise 0 % Wasserstoff, 40 % Stickstoff und 60 % Ammoniak. Somit konnte die Vorrichtung aus dem unmittelbar integrierten Reaktor und PSA Ammoniakprodukt erzeugen und konzentrieren, wodurch eine 100 %-ige Umwandlung von Beschickungswasserstoff erzielt wurde, während das Reaktionsgleichgewicht so verschoben wurde, daß eine geringe Konzentration der Produktkomponente über dem Katalysator geboten wurde, um die Reaktionsgeschwindigkeit dieser exothermen Reaktion bei außergewöhnlich niedrigem Druck zu erhöhen.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine machbare Maßstabsvergrößerung und wirtschaftliche Realisierung eines Prozesses, der demjenigen des U.S.-Patents Nr. 4,702,903 ähnelt, unter Verwendung von Dreh- statt Hubmaschinen.
Figur 7
Die Ausführungsform 400 stellt eine weitere Vorrichtung zur Durchführung einer exothermen Reaktion dar, die der Ausführungsform 300 ähnelt, wobei aber die chemische Reaktion in Reaktoren außerhalb des Drehmoduls durchgeführt wird. Diese Vorrichtung kann auch für Ammoniaksynthese eingesetzt werden.
Reaktoren 401, 402, 403 und 404 enthalten einen geeigneten Katalysator und sind jeweils in Leitungen 25, 33, 37 und 41 eingeschoben, um Gas zu empfangen, das in den weniger leicht adsorbierten Reaktionskomponenten angereichert ist. Es wird erwähnt, daß die Reaktoren bei verschiedenen Drücken arbeiten, die für jeden Reaktor stationär sind. Optional könnten die Reaktoren 402, 403 und 404 entfernt werden, so daß die gesamte Reaktion in dem Reaktor 401 bei dem höheren Druck durchgeführt wird.
Die exotherme Reaktionswärme wird als Expansionswärme im Expander 350 für leichten Rücklauf abgenommen, um die gewünschte Reaktionstemperatur T2 zu behalten, während auch die Wärme als mechanische Expansionsarbeit wiedergewonnen wird.
Der untere Teil von 7 zeigt wiederum das Druckschema des PSA-Zyklus wie in 6.
Figur 8
Die Ausführungsform 500 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer endothermen Reaktion, wobei die chemische Reaktion in Reaktoren außerhalb des Drehmoduls durchgeführt wird. Das PSA-Zyklus-Schema ist im unteren Teil von 8 gezeigt. Eine beispielhafte Anwendung stellt Ammoniakdissoziation zur Erzeugung von Reduktionsgas wie Wasserstoff dar.
Reaktoren 501, 502 und 503 sind in Leitungen 78, 76 und 70 eingeschoben, die Gas zur ersten Ventilsitzfläche 7 liefern. Falls gewünscht, könnte nur ein Reaktor (z. B. 501) vorgesehen sein. Ein Beschickungsgas, das einen relativ leichter adsorbierten Reaktionspartner enthält, wird zu einer Stufe des Kompressors 340 für schweren Rücklauf durch Einspeiseleitung 504 geliefert, die, falls nötig, einen Verdampfer 505 enthalten kann, um sicherzustellen, daß sich der/die Reaktionspartner in der Dampfphase befindet/befinden. Gas, das in einer leichter adsorbierten Reaktionskomponente angereichert ist, wird als schweres Rücklaufgas von Leitungen 80, 63 und 67 von Gegenstromabblas- und Auslaßkammern in der ersten Ventilsitzfläche entnommen und danach an Einlaßdurchlässe von Kompressorstufen für schweren Rücklauf gegeben. Das schwere Rücklaufgas wird komprimiert und somit durch die Komprimierungswärme erwärmt. Optional kann das komprimierte schwere Rücklaufgas von einer externen Quelle von Wärme mit höherer Temperatur im Wärmetauscher 510 vor Zugang zu den Reaktoren 501, 502 und 503 weiter erwärmt werden. In dieser Ausführungsform ist T2 typischerweise größer als T1, während die Temperatur des Stromes aus komprimiertem schwerem Rücklaufgas, der in die Reaktoren tritt (nach Komprimierung und Erwärmung des schweren Rücklaufes und irgendeinem weiteren Erwärmen durch einen Wärmetauscher 510) viel größer als T2 (die Austrittstemperatur der exothermen Reaktoren) sein wird, so daß die endotherme Reaktionswärme in die Reaktoren als spürbare Wärme der Reaktorbeschickung transportiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich können die endothermen Reaktoren extern durch einen Ofen oder andere auf dem Gebiet bekannte Mittel erwärmt werden.
Ein gereinigter Strom mit Gas, das in den weniger leicht adsorbierten Produktkomponenten angereichert ist, wird bei näherungsweise dem oberen Druck von der Produktabgabeleitung 520 abgegeben. Dieser Strom würde zum Beispiel bei der Ammoniakdissoziation Wasserstoff und Stickstoff, vollständig gereinigt von Ammoniak, sein. In dem Beispiel sorgt die vorliegende Erfindung für die wichtigen Verbesserungen in Form einer 100 %-igen Umwandlung der Beschickung, Abgabe eines gereinigten Produkts und machbaren Betriebs des katalytischen Reaktors auf einer stark reduzierten Temperatur im Vergleich zum Stand der Technik, da der Reaktionspartner über dem Katalysator konzentriert wird.
Figur 9, 10 und 11
Ausführungsform 600 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer endothermen Reaktion, wobei die chemische Reaktion im Drehmodul durchgeführt wird, das selbst ein Wärmetauschreaktor ist. Eine beispielhafte Anwendung stellt Dampf-Methanreformierung zur Erzeugung von Stickstoff aus Naturgas dar. Ein Dampfreformierungskatalysator (z.B. Nickel oder ein Metall aus der Platingruppe, das auf Aluminiumoxid getragen wird) und ein Hochtemperaturkohlendioxidsorbens werden in den Adsorbern 3 gehalten.
Das Kohlendioxidsorbens kann auf durch Kaliumcarbonat unterstütztes Hydrotalcit, wie es von J. R. Hufton, S.G. Mayorga und S. Sircar (Sorption Enhanced Reaction Process for Hydrogen Production", AIChEJ 45, 248 (1999)) entwickelt wurde, oder ein anderes Hochtemperaturkohlendioxidsorbens, das in ähnlicher Weise bei Vorhandensein von hohem Dampfpartialdruck effektiv ist, aufgebaut sein. Dieses Sorbens weist gute Leistungsfähigkeit für Kohlendioxid im Temperaturbereich von 400 ° C bis 500 ° C auf.
Bei der Anwendung der Ausführungsform 600 bei der Dampf-Methanreformierung kann sich die Arbeitstemperatur der Adsorber wünschenswerterweise in der Nähe des oberen Endes des Temperaturbereiches von 400 ° C bis 500 ° C befinden und können T1 und T2 im wesentlichen dieselbe Temperatur oder in mäßiger Weise unterschiedlich sein, wobei T2 > T1 ist. Das Beschickungsgemisch aus entschwefeltem Naturgas und Dampf wird bei Einlaß 601 des mehrstufigen Beschickungskompressors 603 eingeleitet. Vorzugsweise wird das komprimierte Beschickungsgemisch bei aufeinanderfolgend steigenden Drücken von Leitungen 70, 76 und 78 zur ersten Ventilsitzfläche 7 bei T1 nach Erwärmen durch Heizgerät 605 und Rekuperator 606 abgegeben.
Beim Eintritt in die Adsorber 3 kontaktiert das Beschickungsgasgemisch den Katalysator, der die Reaktion zu Wasserstoff und Kohlendioxid stimuliert. Das reagierende Gasgemisch kontaktiert simultan das Sorbens, das Kohlendioxid entnimmt, wodurch somit die weitere Reaktion von Methan mit Dampf zum Erzeugen von Wasserstoff und die simultane Reaktion von Kohlenmonoxid mit Dampf zum Erzeugen von mehr Wasserstoff und Kohlendioxid angetrieben wird, das vom Sorbens abgezogen wird. Wärme wird durch Wärmeaustausch innerhalb des Adsorbers und teilweise von der exothermen Wärme der Adsorption am Sorbens für die stark endotherme Reaktion bereitgestellt. Somit wird das Produktgas, das durch zweite Ventilsitzfläche 8 an die Leitung 25 abgegeben wird, Wasserstoff enthaltender Dampf, eine kleinere Konzentration von nicht umgewandeltem Methan und nur Spuren von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sein. Der Hauptteil mit Ausnahme eines Bruchteils für leichten Rücklauf) des Produkts in Leitung 25 wird durch den Dampfkondensor 610 entnommen, und danach, falls gefordert, von Leitung 611 als Produkt zur nachfolgenden weiteren Reinigung z. B. durch Druckwechseladsorption auf im wesentlichen Umgebungstemperatur abgegeben.
Wasserstoffreiches Gas von den Leitungen 25, 33, 37 und 41 wird als leichtes Rücklaufgas durch den mehrstufigen Expander 350 expandiert, der mit dem Wärmetauscher 311 zusammenwirkt. Niederdruckdampf kann zu diesem Gas insbesondere bei dem unteren Druck durch Spülstromeinspeiseleitung 615 zur Unterstützung des Spülschrittes zugegeben werden.
Kohlendioxidreiches Auslaßgas wird von Ventilsitzfläche 7 bei aufeinanderfolgend geringeren Drücken während Gegenabblas – und Reinigungsschritten durch Leitungen 80, 63 und 67 entnommen. Diese Ströme werden in dem Rekuperator 606 gekühlt, um beim Vorheizen der Beschickung zu helfen, und danach vom Wärmetauscher 620 weiter gekühlt. Die Kohlendioxidauslaßströme werden danach, falls gewünscht, zur Abgabe (nach katalytischer Verbrennung zur Wiedergewinnung von Restenergie von irgendeinem Leck von Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff) als ein zweiter Produktstrom aus reinem Kohlendioxid oder zur Abgabe zur Atmosphäre expandiert oder komprimiert. In der dargestellten Ausführungsform wird das Auslaßgas von den Leitungen 80, 63 und 67 vom mehrstufigen Kompressor 622 komprimiert und als das zweite Produkt von Leitung 623 abgegeben. Diese Ausführungsform ermöglicht, daß der untere Druck des Prozesses subatmosphärisch ist, wenn die erste Stufe 624 des Kompressors 622 als eine Vakuumpumpe arbeitet.
Wärme muß zu den reaktionsfähigen Adsorbern 3 geliefert werden, um für die endotherme Reaktionswärme zu sorgen. Diese Reaktionswärme ist geringer als der endotherme Bedarf für herkömmliche Dampf-Reformierungsprozesse, da der mehr endotherme Reaktionszweig, der Kohlenmonoxid erzeugt, durch Kohlendioxidsorption in dem vorliegenden Prozeß unterdrückt wird. Außerdem wird ein wesentlicher Teil (schätzungsweise ungefähr 25 %) des endothermen Bedarfs des Produktionsschrittes mit höherem Druck von der exothermen Wärme der Kohlendioxidsorption bereitgestellt, während diese Sorptionswärme natürlich während der Kohlendioxiddesorption bei niedrigeren Drücken für die Adsorber 3 bereitgestellt werden muß.
Ein Teil oder der gesamte endotherme Wärmebedarf kann als spürbare Wärme, die für das eintreffende Beschickungsgas bereitgestellt wird, von Wärmetauschern 605 und 606 und für die eintreffenden leichten Rücklauf- und Spülgase von Wärmetauscher 311 bereitgestellt werden. Anders als in dem Fall der Ausführungsform 300 von 6, in dem die axiale thermische Leitfähigkeit in den Adsorbern erwünschtermaßen niedrig war, um Wärmeverluste zu reduzieren, wird in dieser Ausführungsform eine hohe thermische Leitfähigkeit der Adsorber besonders gewünscht, um Wärmeübertragung zwischen der Reaktionszone in den Adsorbern und externen Wärmetauschern 605, 606 und 311 zu verbessern. Außerdem ist eine hohe Wärmekapazität der festen Phase in den reaktionsfähigen Adsorbern 3 wünschenswert, um für eine gewisse Wärmespeicherung zu sorgen und Reaktionstemperaturschwankungen zu reduzieren, da die endotherme Reaktionsgeschwindigkeit während des Produktionsschrittes mit höherem Druck des Zyklus am höchsten sein wird. Die Verwendung einer metallischen Folie oder Siebträgers für den Katalysator und das Sorbens in den Adsorbern 3 wird die gewünschten Verbesserungen der axialen thermischen Leitfähigkeit und Wärmekapazität der soliden Phase liefern.
Der Wärmebedarf der Wärmetauscher 605 und 311 kann durch Verbrennung von Rückstandstreibstoffkomponenten in dem zweiten Produkt gebildet werden, das von der Leitung 623 geliefert wird. Dieser Treibstoff kann durch Methan, entweder von der Beschickung oder auf andere Weise als Niederdruckabgas aus stromabwärtiger endgültiger Reinigung des von der Leitung 611 gelieferten Produktwasserstoffes wiedergewonnen, ergänzt werden.
Ein Teil oder der gesamte endotherme Wärmebedarf kann alternativ innerhalb der Adsorber 3 durch Zugabe eines Anteils von Sauerstoff oder Luft zur Spülstromeinspeiseleitung 615 bereitgestellt werden, so daß eine unvollständige katalytische Verbrennung von Treibstoffkomponenten (genauer gesagt nicht reagiertem Methan) während des Spülschrittes stattfinden. Dies ist eine „autothermische Reformierungs"-Prozeßoption. Die direkte Abgabe von Verbrennungswärme während des Spülschrittes bei dem unteren Druck wird selbstverständlich eine Kohlendioxiddesorption während Speicherung der restlichen Wärme in der festen Matrix aus den Adsorbern zum Liefern von endothermer Reaktionswärme während des nächsten Produktionsschrittes bei dem höheren Druck unterstützen.
Alternativ kann Wärme durch querverlaufenden Wärmeübergang über verlängerte Wärmeaustauschflächen geliefert werden, die die Wände der Adsorber 3 bilden. Drehmodul 2 ist in 10 in einer dem Schnitt 204 – 205 von 4 entsprechenden Ansicht und in einer vereinfachten Konfiguration gezeigt, die für Wärmeaustausch mit den Adsorbern im Rotor 2 geeinigt ist. Wie in der Ansicht 200B von 5 sind die Adsorber 3 als rechteckige flache Stapel aus laminierten flachen Platten dargestellt. Zur Bereitstellung von Wärmeaustauschflächen ist jeder Adsorber in einer Hülle 630 enthalten, deren Außenflächen Wärmeaustauschkanäle 631 kontaktieren, die wiederum durch Wände 632 und 633 begrenzt sind. Wärmeaustausch in den Kanälen 631 kann allgemein durch irgendein Mittel, einschließlich Strahlungsheizung, spürbaren Wärmeübergang von heißem Verbrennungsgas, latenten Wärmeübergang von Kondensationsdämpfen, spürbaren Wärmeübergang von flüssigen Metallen, etc. erzielt werden. Für Wärmeübergang von einem Fluid kann die Richtung der Fluidströmung entweder im wesentlichen parallel oder quer zur Prozeßflußrichtung in den Adsorbern 3 oder eine Kombination derselben sein. Ablenkbleche können zur Umkehrung der Richtung der Wärmeaustauschfluidströmung entlang der Länge oder Breite der Adsorber verwendet werden.
Während 10 einen einzigen Kreisring aus Adsorbern im Rotor 2 zeigt, sind kompliziertere Anordnungen (z. B. zwei oder mehr Kreisringe aus Adsorbern enthaltend) innerhalb der Erfindung vorgesehen.
11 zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht eines einzigen Adsorberns 3 in seiner Hülle 630. Der Adsorber 3 ist ein paraller Stapel aus flachen Platten 640, die hier sowohl den Katalysator als auch das Adsorptionsmaterial in Kontakt mit den Strömungskanälen 641, die von Abstandhaltern 642 zwischen jedem benachbarten Paar von Platten 640 gebildet sind, trägt. Die Hülle 630 enthält zwei Seitenwände 651 und 652 parallel zu den Platten 640 und Grenzwände 653 und 654, die die Kanten der Platten 640 abschließen. Für guten Wärmeübergang mit minimalen querverlaufenden Wärmegradienten über den Adsorberstapel ist erwünscht, daß ein inniger Wärmekontakt und ausreichende Wärmeleitung zwischen den Platten 640 und den Grenzwänden 653, 654 und zwischen den Seitenwänden 651, 652, Abstandhaltern und Platten besteht.
Die Platten 640 können im Prinzip aus irgendeinem Verstärkungsmaterial bestehen, das mit Reaktionsgasarten und mit den Betriebstemperaturen kompatibel ist, z. B. Metallfolie, Metallsieb, gewebte und ungewebte Stoffe aus Glas oder Mineralfasern oder Mineral- oder Glasfaserpapiere. Für gewünschte thermische Eigenschaften mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmekapazität werden Metallfolien oder Drahtgewebe höchst bevorzugt. Ein Gemisch aus Katalysator (z. B. Nickel auf Aluminiumoxidträger) und dem Kohlendioxidsorbens kann leicht auf einen metallischen Träger zur Bildung der Platte 640 entweder mit anorganischen Bindemitteln oder selbstbindend durch das Sorbens aufgetragen werden. Abstandhalter 642 können als schmale Metallstreifen parallel zur Strömungsrichtung vorgesehen sein, um Kanäle 641 zu bilden, oder alternativ durch Ätzen der Kanäle durch Metallfolie durch photolithographische Techniken gebildet sein. Die Hülle 630 kann danach durch Diffusionsbonden eines Stapels aus Metallfolien hergestellt werden, die alternativ diejenigen, die mit Sorbens mit Katalysator beschichtet sind, und diejenigen sind, die zur Bildung der Längsströmungskanäle 641 geätzt sind. Die Kanten der Metallfolien von sowohl den Sorbens/Katalysator-beschichteten Platten und den Abstandhaltern sind durch die Grenzwände verlängert, die durch Bonden der Folien gemeinsam mit Platten, die die Seitenwände bilden, in Fluidabdichtungskontakt gebildet werden.
Man wird erkennen, daß die Wärmeaustauschreaktorkonfiguration der 10 und 11 sowohl auf exotherme als auch endotherme Reaktionen angewendet werden könnte.
Während nur bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung hierin detailliert beschrieben worden sind, ist die Erfindung nicht dadurch begrenzt und können Modifikationen innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion, die mindestens eine Gasphasen-Reaktionskomponente und mindestens eine Gasphasen-Produktkomponente aufweist, während der Durchführung von Abtrennungen der Produktkomponente von der Reaktionskomponente über einem Adsorptionsmaterial durch Druckwechseladsorption, bei der eine der Reaktions- und der Produktkomponenten eine leichter adsorbierte Komponente und die andere eine weniger leicht adsorbierte Komponente bei Druckerhöhung ist, umfassend: (a) Einleiten eines die Reaktionskomponente enthaltenden Beschickungsgases in einen Reaktionsraum, der einen Katalysator zum Katalysieren der chemischen Reaktion (301, 401, 501, 3) enthält, (b) Durchführen der Reaktion im Reaktionsraum derart, dass ein Gasgemisch erhalten wird, das die Reaktions- und die Produktkomponenten enthält, (c) Zuführen von Gas zu einer Vielzahl von Strömungswegen (4), die sich zwischen ersten und zweiten Ventilsitzflächen (7, 8) in einem Rotor (2) erstrecken, bei schrittweise ansteigenden Drücken von einem unteren Druck zu einem oberen Druck des Prozesses, (d) Entnehmen von Gas aus jedem Strömungsweg bei schrittweise abnehmenden Drücken vom höheren Druck zum unteren Druck des Prozesses, (e) Kontaktieren des Adsorptionsmaterials (3) mit dem die Reaktions- und die Produktkomponenten enthaltenden Gasgemisch in den Strömungswegen zum Abtrennen der Reaktionskomponente von der Produktkomponente, und (f) Drehen des Rotors derart, dass ein zyklischer Fluidverbinder für jeden Strömungsweg durch die ersten und zweiten Ventilsitzflächen in einer zyklischen Abfolge erzeugt wird, um eine Strömung in jedem Strömungsweg, die von der ersten Ventilsitzfläche zur zweiten Ventilsitzfläche gerichtet ist, bei im wesentlichen dem oberen Druck zu erzeugen, und eine Strömung in jedem Strömungsweg, die von der zweiten Ventilsitzfläche zur ersten Ventilsitzfläche gerichtet ist, bei im wesentlichen dem unteren Druck zu erzeugen, wobei mindestens eins vom Katalysator und vom Adsorptionsmaterial auf einer Vielzahl von Trägerplatten gehalten wird, die durch Abstandhalter getrennt sind, die Strömungswege zwischen benachbarten Blechen definieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator auf den Trägerplatten gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten in einer geschichteten Paralleldurchgangsstruktur vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Reaktionskomponente die weniger leicht adsorbierte Komponente ist und der Entnahmeschritt ferner Entnehmen eines in der leichter adsorbierten Komponente angereicherten Gases aus der Nähe der ersten Ventilsitzfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, in dem der Entnahmeschritt ferner Entnehmen von in der leichter adsorbierten Komponente angereichertem Gas von der ersten Ventilsitzfläche, Komprimieren des Gases auf einen erhöhten Druck und Rückführen des Gases zur ersten Ventilsitzfläche und vor dort zu den Strömungswegen beim erhöhten Druck, um die Konzentration der leichter adsorbierten Komponente benachbart zur ersten Ventilsitzfläche zu erhöhen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, in dem die Reaktion exotherm ist.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem eine erste Reaktionskomponente Wasserstoff ist, eine zweite Reaktionskomponente Stickstoff ist und die Produktkomponente Ammoniak ist.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem eine erste Reaktionskomponente Wasserstoff ist, eine zweite Reaktionskomponente Kohlenmonoxid ist und die Produktkomponente Methanol ist.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem eine erste Reaktionskomponente Wasserstoff ist, eine zweite Reaktionskomponente Kohlenmonoxid ist und die Produktkomponente Kohlenwasserstoff ist, das bei Umgebungstemperatur eine Flüssigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 6, in dem eine erste Reaktionskomponente Methan ist, eine zweite Reaktionskomponente Sauerstoff ist und die Produktkomponente ein höherwertiger Kohlenwasserstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 10, in dem eine erste Reaktionskomponente Methan ist, eine zweite Reaktionskomponente Sauerstoff ist und die Produktkomponente Ethylen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Reaktionskomponente die leichter adsorbierte Komponente ist und der Entnahmeschritt ferner Entnehmen eines in der weniger leicht adsorbierten Komponente angereicherten Produkts aus der Nähe der zweiten Ventilsitzfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, in dem der Entnahmeschritt ferner Entnehmen von in der weniger leicht adsorbierten Komponente angereichertem Gas von der zweiten Ventilsitzfläche, Expandieren des Gases auf einen verminderten Druck, der nicht geringer als der untere Druck ist, und Rückführen des Gases zur zweiten Ventilsitzfläche und von dort zu den Strömungswegen beim vermindertem Druck umfasst, um die Konzentration der weniger leicht adsorbierten Komponente benachbart zur zweiten Ventilsitzfläche zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 4, in dem die Reaktion endotherm ist.
Verfahren nach Anspruch 14, in dem die Reaktionskomponente Ammoniak ist, eine erste Produktkomponente Wasserstoff ist und eine zweite Produktkomponente Stickstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 14, in dem eine erste Reaktionskomponente Methanol ist, eine erste Produktkomponente Wasserstoff ist und eine zweite Produktkomponente Kohlenmonoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 14, in dem eine erste Reaktionskomponente Methanol ist, eine zweite Reaktionskomponente Wasserdampf ist, eine erste Produktkomponente Wasserstoff ist und eine zweite Produktkomponente Kohlendioxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Halten der Temperatur des Strömungsweges benachbart zur ersten Ventilsitzfläche näherungsweise auf einer ersten Temperatur und Halten der Temperatur des Strömungsweges benachbart zur zweiten Ventilsitzfläche näherungsweise auf einer zweiten Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend Halten der ersten Temperatur höher als die zweite Temperatur und Austauschen von Wärme zwischen dem Gasgemisch in den Strömungswegen und festem Material mit Wärmekapazität, das entlang der Strömungswege angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend Halten der zweiten Temperatur höher als die erste Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend zwei oder mehr Reaktionsräume, die den Katalysator enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Leitens von Wärme zwischen langgestreckten Wärmeübertragungsflächen im Rotor und den Strömungswegen unmittelbar zwischen den ersten und zweiten Ventilsitzflächen.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Leitens von Wärme zu den Strömungswegen von einem Wärmeübertragungsfluid, das extern Wärmeübertragungsflächen im Rotor kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Zugebens von Luft oder Sauerstoff und Bereitstellens von Wärme in den Strömungswegen durch katalytische Verbrennung einer Reaktionskomponente in den Strömungswegen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskomponente eine erste Komponente, die Kohlenwasserstoff, wie zum Beispiel Methan, ist, und eine zweite Komponente, umfassend Dampf, umfasst und dass die Produktkomponente eine stark adsorbierte Komponente, die Kohlendioxid ist, und eine Komponente, die Wasserstoff ist, umfasst und dass das Adsorptionsmaterial für Kohlendioxid bei Vorhandensein von Dampf bei erhöhter Temperatur selektiv ist.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend den Schritt des Vorsehens eines Nickelkatalysators in den Strömungswegen.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend den Schritt des Vorsehens eines Katalysators der Platingruppe in den Strömungswegen.
Verfahren nach Anspruch 25, in dem die ersten und zweiten Reaktionskomponenten in die erste Ventilsitzfläche bei im wesentlichen dem oberen Druck eingeleitet werden, während Wasserstoff von der zweiten Ventilsitzfläche abgegeben wird, und Kohlendioxid von der ersten Ventilsitzfläche bei im wesentlichen dem unteren Druck abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 26, in dem Dampf zur zweiten Ventilsitzfläche bei einem niedrigeren Druck zugegeben wird, um Spülen zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 25, in dem Luft oder Sauerstoff zur zweiten Ventilsitzfläche beim unteren Druck zugegeben wird, um Spülen zu unterstützen, während Wärme zu den Strömungswegen für die endotherme Reaktion geliefert wird.
Drehmodul zur Durchführung einer chemischen Reaktion mit einem Gasgemisch, das eine Gasphasen-Reaktionskomponente und eine Gasphasen-Produktkomponente aufweist, und zur Abtrennung der Produktkomponente von der Reaktionskomponente durch Druckwechseladsorption, wobei eine der Reaktions- und der Produktkomponenten eine leichter adsorbierte Komponente und die andere eine weniger leicht adsorbierte Komponente bei Druckanstieg über einem Adsorptionsmaterial ist, wobei das Drehmodul einen Stator und einen Rotor, der eine Drehachse definiert, umfasst, der Stator eine Vielzahl von ersten Funktionskammern (61, 65, 72, 75, 77, 82), die mit Winkelsektoren einer ersten Drehventilfläche (7) in Fluidverbindung bringbar sind, und eine Vielzahl von zweiten Funktionskammern (87, 92, 97) aufweist, die mit Winkelsektoren einer zweiten Drehventilfläche (8) in Fluidverbindung bringbar sind, wobei die ersten und zweiten Drehventilflächen auf der Drehachse zentriert sind; der Rotor eine Vielzahl von Adsorberelementen (3) mit Adsorptionsmaterial, die Adsorberelemente winkelig beabstandete Strömungswege zwischen der ersten Drehventilfläche und der zweiten Drehventilfläche definieren; und einen Reaktionsraum (301, 401, 501, 3) mit einem Katalysator zum Katalysieren der chemischen Reaktion aufweist, wobei der Reaktionsraum mit den Strömungswegen in Verbindung steht; der Rotor um die Drehachse drehbar ist, um eine Fluidverbindung zwischen jeder ersten Funktionskammer und jedem Adsorberelement durch die erste Drehventilfläche zu erzeugen, und eine Fluidverbindung zwischen jeder zweiten Funktionskammer und jedem Adsorberelement durch die zweite Drehventilfläche zu erzeugen, so dass der Druck in jedem Adsorberelement zwischen einem oberen Druck und einem unteren Druck im Kreis geführt wird, und dass mindestens eins vom Katalysator und dem Adsorptionsmaterial auf einer Vielzahl von Trägerplatten gehalten wird, die durch Abstandhalter getrennt sind, die Durchgänge zwischen benachbarten Platten definieren.
Drehmodul nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionskammern auch eine Vielzahl von Druckbeaufschlagungskammern enthalten, um die Strömungswege einer Vielzahl von stufenweisen Druckanstiegen zwischen den oberen und unteren Drücken zu unterziehen.
Drehmodul nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagungskammern Beschickungsdruckbeaufschlagungskammern (72, 75, 77) enthalten, die sich zur Abgabe des Gasgemisches an die Strömungswege mit schrittweise unterschiedlichen Drücken zwischen den oberen und unteren Drücken in die erste Drehventilfläche öffnen.
Drehmodul nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagungskammern Rückführkammern (92) für Rücklauf von leichtem Gas enthalten, die sich in die zweite Drehventilfläche (93) zum Abgeben von Gas, das in einer weniger leicht adsorbierten Komponente angereichert ist, an die Strömungswege bei einer Vielzahl von schrittweise unterschiedlichen Drücken öffnet.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionskammern auch eine Vielzahl von Druckabblaskammern (82, 61, 65) enthalten, um die Strömungswege einer Vielzahl von schrittweisen Druckabnahmen zwischen den oberen und unteren Drücken zu unterziehen.
Drehmodul nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckabblaskammern Austrittskammern (92) für Rücklauf von leichtem Gas enthalten, die sich in die zweite Statorventilfläche zum Entfernen von Gas, das sich in einer weniger leicht adsorbierten Komponente angereichert hat, als paralleles Druckabblasen aus den Strömungswegen bei einer Vielzahl von schrittweise unterschiedlichen Drücken öffnet.
Drehmodul nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckabblaskammern Gegenabblaskammern enthalten, die sich in die erste Statorventilfläche zum Entfernen von Gas, das sich in einer leichter adsorbierten Komponente angereichert hat, aus den Strömungswegen bei einer Vielzahl von schrittweise unterschiedlichen Drücken öffnet.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass jede Funktionskammer derart gestaltet ist, dass sie eine gleichförmige Gasströmung durch die erste oder zweite Drehventilsitzfläche liefert.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Funktionskammern simultan mit mindestens zwei winkelig beabstandeten Adsorberelementen kommuniziert, um eine gleichförmige Gasströmung bei einem stetigen Druck durch jede der Funktionskammern zu liefern.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmaterial auf der Vielzahl von Trägerplatten gehalten wird und die zwischen benachbarten Platten definierten Durchgänge die Strömungswege definieren.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmaterial auf der Vielzahl von Platten gehalten wird, wobei die Platten mit den dazwischen befindlichen Abstandhaltern geschichtet sind, und die Strömungswege von den Abstandhaltern zwischen benachbarten Paaren der Platten erzeugt sind.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 41, ferner umfassend Fluidabdichtungsmittel (130, 131), die mit dem Stator zusammenwirken, um eine Fluidleckage zwischen Funktionskammern in jeder der ersten und zweiten Drehventilabdichtungsflächen zu begrenzen und eine Fluidleckage aus oder in jede der ersten und zweiten Drehventilsitzflächen zu verhindern.
Drehmodul nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine erste Rotorfläche zum Eingreifen des Fluidabdichtungsmittels in der ersten Drehventilfläche und eine zweite Rotorfläche zum Eingreifen des Fluidabdichtungsmittels in der zweiten Drehventilfläche aufweist.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Platten eine Vielzahl von Adsorberplatten (282) umfasst, wobei jede Platte ein Verstärkungsmaterial, ein darauf angeordnetes Adsorptionsmaterial, ein Bindemittel zur Sicherung des Adsorptionsmaterials und einen Abstandhalter (284) umfasst, der zwischen jedem benachbartem Paar von Adsorptionsplatten vorgesehen ist, um für einen Strömungsweg dazwischen zu sorgen.
Drehmodul nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial aus einer Mineral- oder Glasfasermatrix, wie zum Beispiel ein gewebter oder ungewebter Glasfaserstoff, einer Metalldrahtmatrix, wie zum Beispiel ein Drahtsieb, oder einer Metallfolie, wie zum Beispiel einer eloxierte Aluminiumfolie, ausgewählt ist.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmaterial ein Zeolith umfasst.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 44 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum eine Zone jedes Adsorberelements mit einem die darin befindlichen Strömungswege kontaktierenden heterogenen Katalysator ist.
Drehmodul nach einem Ansprüche 31 bis 47, in dem die Zusammensetzung des Adsorptionsmaterials derart ausgewählt ist, dass sie sich in jeder der mehrfachen Zonen entlang der Strömungswege zwischen den ersten und zweiten Enden unterscheidet.
Drehmodul nach Anspruch 48, in dem das Adsorptionsmaterial in mindestens einer der Zonen als ein heterogener Katalysator aktiv ist.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 49, wobei der Rotor ein die Adsorberelemente enthaltendes Ringvolumen aufweist, wobei die Strömungsrichtung axial in Bezug auf die Drehachse verläuft und die erste Rotorfläche eine kreisförmige Stirnfläche des Rotors ist und die zweite Rotorfläche eine kreisförmige Stirnfläche des Rotors ist, wobei die ersten und zweiten Rotorflächen im wesentlichen normal zur Drehachse verlaufen.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 49, wobei der Rotor ein die Adsorberelemente enthaltendes Ringvolumen aufweist, wobei die Strömungsrichtung im wesentlichen radial in Bezug auf die Drehachse verläuft und die erste Rotorfläche eine externe Zylinderfläche des Rotors ist und die zweite Rotorfläche eine interne Zylinderfläche des Rotors ist.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator auf mindestens einer der Platten gehalten wird.
Drehmodul nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator auf mehreren Platten gehalten wird.
Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 53, in dem das Adsorberelement in einer Hülle mit Wärmeübertragungsflächen enthalten ist, um ein externes Wärmeübertragungsfluid zu kontaktieren.
Drehmodul nach Anspruch 54, in dem das Verstärkungsmaterial metallisch ist und in Wärmeleitkontakt mit der Hülle steht.
Drehmodul nach Anspruch 44, in dem das Verstärkungsmaterial eine Metallfolie ist und der Abstandhalter zwischen jedem benachbartem Paar von Adsorptionsplatten eine Metallfolie mit darin gemäß einem fotolithographischen Muster geätzten Strömungswegen ist und die Hülle teilweise durch Diffusionskleben der angrenzenden Kanten der Adsorptionsplattenfolien und der dazwischen angeordneten Abstandhalterfolien gebildet ist, um eine Fluidabdichtungseignung zu erzielen.
Vorrichtung mit einem Drehmodul nach einem der Ansprüche 31 bis 56, ferner umfassend ein Komprimier- und Expandiermittel, das mit einer Beschickungsfunktionskammer zusammenwirkt, um Gasströmung in jedem Strömungsweg, die vom ersten Ende zum zweiten Ende des Strömungsweges gerichtet ist, beim oberen Druck zu erzeugen und mit einer Auslassfunktionskammer zusammenwirkt, um eine Gasströmung in jedem Strömungsweg, die vom zweiten Ende zum ersten Ende des Strömungsweges gerichtet ist, beim unteren Druck zu erzeugen, wobei der Reaktionsraum mit den Strömungswegen kommuniziert.
Vorrichtung nach Anspruch 57, ferner umfassend ein Mittel zum Liefern der Reaktionskomponente an die Vorrichtung (20, 70, 71, 22, 76) und zum Abführen der Produktkomponente aus der Vorrichtung (88, 87, 86, 25).
Vorrichtung nach Anspruch 57 oder 58, in der der Reaktionsraum (301) sich innerhalb eines Strömungsweges des Drehmoduls befindet und jeder Strömungsweg darin einen ähnlichen Reaktionsraum aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 57 bis 59, umfassend zwei oder mehr Reaktionsräume, die den Katalysator enthalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 57 bis 60, mit einem Komprimiermittel zum Entnehmen von Gas, das sich in der leichter adsorbierten Komponente angereichert hat, aus der ersten Ventilsitzfläche, Komprimieren des Gases auf einen erhöhten Druck und Rückführen des Gases zur ersten Ventilsitzfläche und von dort zu den Strömungswegen beim erhöhten Druck, um die Konzentration der leichter adsorbierten Komponente benachbart zur ersten Ventilsitzfläche zu erhöhen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 57 – 60, mit einem Druckablassmittel (30, 34, 38, 42) zum Entnehmen von Gas, das sich in der weniger leicht adsorbierten Komponente angereichert hat, aus der zweiten Ventilsitzfläche, Expandieren des Gases auf einen verminderten Druck, der nicht geringer als der untere Druck ist, und Rückführen des Gases zur zweiten Ventilsitzfläche und von dort zu den Strömungswegen beim verminderten Druck, um die Konzentration der leichter adsorbierten Komponente benachbart zur zweiten Ventilsitzfläche zu erhöhen.
Drehmodul nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator auf der Vielzahl von Platten gehalten wird, wobei die Platten im Reaktionsraum enthalten sind.