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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen einer erwünschten
Gaskomponente aus einem Gasgemisch, das eine Mehrzahl von Gaskomponenten
enthält.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Ein
Austreten von gefährlichen
Gasen in die Umgebung, einschließlich radioaktiven Gasen wie
beispielsweise Tritium (T), hochtoxischen Gasen wie beispielsweise
Dioxin, flüchtigen
Gasen wie beispielsweise Wasserstoff (H), oder Gasen, welche die
globale Erwärmung
beschleunigen, wie beispielsweise Kohlendioxid, Methan oder PFC-(Perfluorverbindungs)-Gasen,
muss verhindert werden. Daher müssen
Gasgemische, welche diese Gase enthalten, verarbeitet werden, um
gefährliche
von gutartigen Gasen zu trennen.
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Nachfolgend
werden herkömmliche
Verfahren zur Gastrennung beschrieben.
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Verbund-Kryopumpen-Verfahren
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Es
werden zwei Platten hergestellt, die auf die Temperatur von flüssigem Helium
(– 269° C) gekühlt sind
und sich unter Ultrahochvakuum von 10–7 bis
10–8 Torr
befinden, und ein Adsorbens wird auf die Oberfläche einer der zwei Platten
aufgebracht. Wenn ein Gasgemisch, das Tritium-haltige Wasserstoffisotope
und Helium enthält,
in Kontakt mit der Platte gebracht wird, auf die kein Adsorbens
aufgebracht ist, werden zuerst die Wasserstoffisotope, die einen
höheren
Siedepunkt als Helium aufweisen, auf dieser Platte kondensiert.
Helium tritt durch diese Platte hindurch, um die andere Platte zu
erreichen, welche das Adsorbens trägt, und wird am Adsorbens adsorbiert.
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Da
dieses Verfahren unter Hochvakuum durchgeführt wird, ist das Volumen der
zu verarbeitenden Gase im Vergleich zu einem Fall, bei dem ein Gas
bei ca. 1 Atmosphäre
verarbeitet wird, äußerst groß. Dies macht
eine beträchtliche
Vergrößerung der
Oberfläche
einer Kühlplatte
erforderlich, auf der eines oder mehrere Gase adsorbiert werden,
wodurch die Größe der gesamten
Adsorptionsvorrichtung nachteilig vergrößert wird.
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Druckwechsel-(Pressure
Swing)-Adsorptionsverfahren (nachfolgend als "PSA" bezeichnet
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Das
PSA-Verfahren wird zum Trennen verschiedener Gasgemische verbreitet
verwendet. Gemäß diesem
Verfahren wird zur Reinigung von Wasserstoff beispielsweise als
Erstes eine Kolonne mit einem Molekularsieb gepackt, das als Adsorbens
fungiert. Ein Rohgas, das ein Gemisch aus Wasserstoff und Gasen
enthält, deren
Molekularstruktur größer ist
als die des Wasserstoffs, wie beispielsweise Kohlendioxid- und Methangas, wird
einer Adsorptionskolonne zugeführt,
wobei dabei das Rohgas auf einen Druck von ungefähr 10 bis 20 Atmosphären gebracht
wurde, so dass eine Adsorption des Wasserstoffs an der Kolonne erfolgt,
hingegen die übrigen
Gase aus der Kolonne abgegeben werden. Danach wird der Druck in
der Kolonne auf Umgebungsdruck oder einen geringeren Druck abgesenkt,
wodurch der Wasserstoff desorbiert wird und hochreiner Wasserstoff
erhalten wird. Dieses Verfahren nutzt die Änderung der Menge einer Komponente,
die gemäß dem Partialdruck
der Komponente am Adsorbens adsorbiert wird.
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Bei
diesem Verfahren sollte jedoch der Adsorbierprozess unter einem
hohen Druck durchgeführt
werden, um die Menge einer speziellen Gaskomponente, die adsorbiert
wird, zu maximieren. Aus diesem Grund muss ein beträchtlicher
Aufwand vorgenommen werden, um zu gewährleisten, dass kein Gas aus
der Kolonne austritt, und daher ist dieses Verfahren nicht zur Behandlung
eines Gases geeignet, das unter hohem Druck gefährlich ist.
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Verfahren, die eine Gastrennungsmembran
verwenden
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Wasserstoffisotope
und Helium haben eine extrem hohe Permeabilität gegenüber hochpolymeren Membranen
und dergleichen, und können
von Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenwasserstoffen oder dergleichen gemäß einem
zwischen diesen bestehenden Permeabilitätsunterschied getrennt werden.
Jedoch können
mit diesem Verfahren Gaskomponenten, die im Wesentlichen gleiche
Permeabilität
haben, beispielsweise Wasserstoffisotope und Helium, nicht getrennt
werden.
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Das
Dokument JP-A-09 239227 offenbart ein Verfahren zum Trennen von
Rohgas in eine Mehrzahl von Fraktionen unter Verwendung einer Adsorptionsleistungsgruppe,
die in einer Rohmaterialgasströmungsrichtung
in erste, zweite und dritte Teilstücke unterteilt ist. Eine zirkulare
Kolonne wird in einer Endlosschleife verwendet. Ein von einer Kolonne
kommendes Auslassgas wird immer einem Einlass einer nachfolgenden
vorbestimmten Kolonne zugeführt.
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INHALT DER
ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
werden mindestens drei Adsorptionskolonnen verwendet, die mit einem
Adsorbens gepackt sind. Ein Rohgas, das eine Gaskomponente A mit
niedriger Affinität
zu dem Adsorbens und eine Gaskomponente C mit hoher Affinität zu dem
Adsorbens enthält,
wird der Reihe nach den Adsorptionskolonnen nacheinander zugeführt, und
dabei wird ein Desorptionsgas, das eine Gaskomponente D enthält, die
von den Gaskomponenten A und C verschieden ist, jeder der Adsorptionskolonnen
zugeführt,
einschließlich
der einen, der das Rohgas zugeführt
wird.
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Wenn
das Rohgas einer der Adsorptionskolonnen zugeführt wird, tritt die Gaskomponente
A im Rohgas, die niedrigere Affinität zu dem Adsorbens aufweist,
früher aus
der Adsorptionskolonne aus als die Gaskomponente C im Rohgas, welche
eine höhere
Affinität
aufweist. Das abgegebene Gas wird zu einer ausgewählten Adsorptionskolonne
zurückgeführt, der
gerade das Rohgas zugeführt
wird. Auf diese Weise können die
Gaskomponenten A und C voneinander getrennt werden.
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Gemäß der Erfindung
wird, wenn ein Gas, das mit der Gaskomponente A angereichert ist,
aus dem Auslass einer jeden Adsorptionskolonne abgegeben wird, das
gesamte Gas aus dem System extrahiert. Wenn ein Gas, das mit der
Gaskomponente C angereichert ist, aus dem Auslass einer jeden Adsorptionskolonne
abgegeben wird, wird die gesamte Menge aus dem System extrahiert.
Wenn das Gasgemisch, das die Gaskomponenten A und C enthält, vom
Auslass einer jeden Adsorptionskolonne abgegeben wird, wird das
gesamte abgegebene Gasgemisch wieder zum Einlass der Adsorptionskolonne,
welcher gerade das Rohgas zugeführt wird,
zurückgeführt.
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Es
ist somit möglich,
in effizienter Weise und nacheinander die Gaskomponenten A und C
zu erhalten, und zwar mit einer einfachen Struktur und einer effizienten
Verarbeitung.
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Wie
zuvor beschrieben können,
während
das Rohgas der Adsorptionskolonne zugeführt wird, die Gaskomponenten
A und C separat von der Adsorptionskolonne gesammelt werden. Dies
liegt daran, dass die Komponente A, die eine niedrigere Affinität zum Adsorbens
aufweist, sich schnell durch die Adsorptionskolonne hindurchbewegt,
während
die Komponente C, die eine höhere
Affinität
zu dem Adsorbens aufweist, sich langsam durch die Adsorptionskolonne
bewegt, was einen Unterschied bei der Zeit bewirkt, zu der die Komponenten
A und C von der Adsorptionskolonne freigegeben werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann unter verschiedenen zusätzlichen
Bedingungen angewandt werden, die von den spezifischen zu trennenden
Gasen abhängen.
Wenn ein Gas abgetrennt wird, dessen Austreten aus dem System nicht
erfol gen darf, kann eine solche Bedingung hinzugefügt werden,
dass eine Trennung bei einem Druck im System durchgeführt wird,
der 1 Atmosphäre
oder weniger beträgt.
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In
diesem Fall kann die Gasabführung
für jede
Fraktion mittels einer Vakuumpumpe erzielt werden.
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Weiter
kann ein Operationsverfahren, das keine Pumpen in der Zirkulationsleitung
erfordert, dadurch verwendet werden, dass der Durchsatz und der
Druck des Gases gesteuert wird, wenn das von der einen Adsorptionskolonne
extrahierte Gasgemisch einer anderen Adsorptionskolonne zugeführt wird.
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Auch
kann als ein Merkmal der Erfindung ein Konzentrationsoperationsprozess
durchgeführt
werden. Gemäß dem Konzentrationsoperationsprozess
wird die Komponente A oder C nicht extrahiert, sondern für einige
Zeit im System angereichert. Nachdem man erreicht hat, dass die
Gaszusammensetzung im Inneren des Systems sich beträchtlich
von derjenigen des Rohgases unterscheidet, wird das Gas aus dem
System extrahiert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Ziele der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen erläutert; in
diesen sind:
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1 ein
Diagramm, das eine Gesamtstruktur einer Vorrichtung gemäß einem
Beispiel der Erfindung zeigt;
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2 ein
Ablaufdiagramm, das den Operationszeitablauf des in 1 dargestellten
Beispiels erläutert;
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3, 4, 5 und 6 Diagramme,
welche Operationsbedingungen in den jeweiligen Prozessschritten
1-1 bis 1-4 des in 1 dargestellten Beispiels zeigen;
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7 ein
Diagramm, das eine herkömmliche
Struktur darstellt;
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8 ein
Diagramm, das die Gesamtstruktur einer Vorrichtung gemäß einem
weiteren Beispiel der Erfindung zeigt;
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9 ein
Ablaufdiagramm zur Erläuterung
eines Operationszeitablaufs des in 8 dargestellten Beispiels;
und
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10, 11 und 12 Diagramme,
welche die Operationsbedingungen in den jeweiligen Prozessschritten
1-1 bis 1-3 des in 1 dargestellten Beispiels zeigen.
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BEISPIELE
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Die
Erfindung wird nachfolgend detaillierter gemäß den folgenden Beispielen
beschrieben. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die
folgenden Beispiele und Modifikationen eingeschränkt ist, und Variationen können vorgenommen
werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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1 stellt
schematisch eine Beispielstruktur einer simulierten Fließbett-Trennungsvorrichtung
zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bezug
nehmend auf 1 sind die Adsorptionskolonnen 1 bis 4 mit
demselben Adsorbens gepackt und beinhalten jeweils Auslässe, die
mit einem Rohr 13B mittels jeweiliger Extraktionsventile 1b bis 4b für ein Gasgemisch
verbunden sind. Das Rohr 13B ist auch mit einem Rohgasrohr 13f verbunden.
Zwar ist das Rohr 13b mit einer Vakuumpumpe 14B versehen,
jedoch kann diese Vakuumpumpe 14B durch geeignete Anpassung
der Operationsbedingungen entfallen. Das Rohgasrohr 13f ist
mit den Einlässen
der Adsorptionskolonnen 1 bis 4 über jeweilige
Rohgas-Einlassventile 1f bis 4f verbunden.
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Ein
Desorptionsgas-(Trägergas)-Rohr 13D ist
ebenfalls mit den jeweiligen Adsorptionskolonnen 1 bis 4 über jeweilige
Zuführventile 1D bis 4D verbunden.
Die Adsorptionskolonnen 1 bis 4 sind an ihren
Auslassseiten mit einem Extraktionsrohr 13A für die Gaskomponente
A über
jeweilige Extraktionsventile 1a bis 4a für die Fraktion
A und auch mit einem Extraktionsrohr 13C für die Gaskomponente
C mittels jeweiliger Extraktionsventile 1c bis 4c für die Fraktion
C verbunden. Die Extraktionsrohre 13A und 13C sind
mit Vakuumpumpen 14A bzw. 14C für eine Gasextraktion
versehen.
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Sensoren 20A, 20B, 20C und 20D sind
an den entsprechenden Auslässen
der jeweiligen Adsorptionskolonnen 1 bis 4 zur
Erfassung der Konzentration der Komponenten A und C im abgegebenen
Gas angeordnet. Geeignete Sensoren werden für diese Sensoren 20A bis 20D gemäß den zu
erfassenden Gasen ausgewählt.
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Weiter
sind Durchflussmesseinrichtungen 22A, 22B, 22C am
Rohr 13A, 13B, 13C vor den Vakuumpumpen 14A, 14B bzw. 14C angeordnet.
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Ein
Signal, das die durch den Sensor 20A, 20B, 20C oder 20D erfasste
Konzentration angibt, wird an eine Steuereinrichtung 24 übertragen,
welche das Öffnen
und Schließen
der Ventile 1f–4f, 1D–4D, 1a–1c, 2a–2c, 3a–3c und 4a–4c steuert,
so dass der Fließweg
des Gases gesteuert wird, und steuert auch die Vakuumpumpen 14A–14C,
so dass der Durchsatz gesteuert wird. Wenn die Menge der im Rohgas
enthaltenen Komponente A oder C sich nicht signifikant ändert, können die
Sensoren 20A, 20B, 20C, 20D entfallen,
und das Umschalten der Operation kann für jeden vorbestimmten Zeitraum
erfolgen, der durch einen Zeitgeber festgelegt wird.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtung wird nachfolgend auf Basis des in 2 dargestellten
Zeitplans beschrieben. In diesem Beispiel sind alle Ventile 1D bis 4D geöffnet, so
dass das Desorptionsgas allen Adsorptionskolonnen 1 bis 4 kontinuierlich
zugeführt
wird. Während
der Schritte 1-1 bis 1-4 ist das Ventil 1f geöffnet, derart,
dass das Rohgas der Adsorptionskolonne 1 zugeführt wird,
während
der Schritte 2-1 bis 2-4 ist das Ventil 2f geöffnet, derart,
dass das Rohgas der Adsorptionskolonne 2 zugeführt wird,
während
der Schritte 3-1 bis 3-4 ist das Ventil 3f geöffnet, derart,
dass das Rohgas der Adsorptionskolonne 3 zugeführt wird,
und während der
Schritte 4-1 bis 4-4 ist das Ventil 4f geöffnet, derart,
dass das Rohgas der Adsorptionskolonne 4 zugeführt wird.
Nachdem die Schritte 1-1 bis 1-4 abge schlossen sind, werden im Wesentlichen
die gleichen Schritte anschließend
wiederholt, und dabei wird die Zuführanschlussöffnung auf die nächste Kolonne
umgeschaltet. Daher werden hier nur die Schritte 1-1 bis 1-4 beschrieben.
Bezug nehmend auf die 3 bis 6 sind die
Leitungen, durch die gerade ein Gas strömt, die Ventile, die geöffnet sind,
und die Vakuumpumpen, die gerade in Betrieb sind, durch fette Linien
angegeben. Das Desorptionsgas, das dauernd strömt, wird hier nicht beschrieben.
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(Schritt 1-1: 30 Sekunden)
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Wie
in 3 dargestellt, sind alle Vakuumpumpen 14A, 14B, 14C in
Betrieb. Das Ventil 1f ist geöffnet, so dass das Rohgas der
Adsorptionskolonne 1 zugeführt wird. Die Ventile 1c und 2c sind
geöffnet,
so dass die Gaskomponente C aus den Adsorptionskolonnen 1 und 2 extrahiert
wird. Weiter ist das Ventil 4a geöffnet, so dass die Gaskomponente
A aus der Adsorptionskolonne 4 extrahiert wird. Weiter
ist das Ventil, 3b geöffnet,
so dass das aus der Adsorptionskolonne 3 abgegebene Gasgemisch
wieder zur Adsorptionskolonne 1 zurückgeführt wird.
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(Schritt 1-2: 30 Sekunden)
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Wie
in 4 dargestellt, sind die Vakuumpumpen 14B und 14C in
Betrieb. Das Ventil 1f ist geöffnet und das Rohgas wird der
Adsorptionskolonne 1 zugeführt. Die Ventile 1c und 2c sind
geöffnet,
so dass die Gaskomponente C aus den Adsorptionskolonnen 1 und 2 extrahiert
wird. Da das Ventil 4a geschlossen ist, ist die Extraktion
der Gaskomponente A unterbrochen. Die Ventile 3b und 4b sind
geöffnet,
so dass das aus den Adsorptionskolonnen 3 und 4 abgegebene
Gasgemisch zur Adsorptionskolonne 1 zurückgeführt wird.
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(Schritt 1-3: 30 Sekunden)
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Wie
in 5 dargestellt, sind die Vakuumpumpen 14B und 14C in
Betrieb. Das Ventil 1f ist geöffnet und das Rohgas wird der
Adsorptionskolonne 1 zugeführt.
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Die
Ventile 1c, 2c und 3c sind geöffnet, so
dass die Gaskomponente C aus den Adsorptionskolonnen 1, 2 und 3 extrahiert
wird. Da das Ventil 4b geöffnet ist, wird das aus der
Adsorptionskolonne 4 abgegebene Gasgemisch zur Adsorptionskolonne 1 zurückgeführt.
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(Schritt 1-4: 90 Sekunden)
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Wie
in 6 dargestellt, sind alle Vakuumpumpen 14A, 14B, 14C in
Betrieb. Das Ventil 1f ist geöffnet, so dass das Rohgas der
Adsorptionskolonne 1 zugeführt wird. Die Ventile 2c und 3c sind
geöffnet,
so dass die Gaskomponente C aus den Adsorptionskolonnen 2 und 3 extrahiert
wird. Weiter ist das Ventil 1a geöffnet, so dass die Gaskomponente
A aus der Adsorptionskolonne 1 extrahiert wird. Da das
Ventil 4b geöffnet
ist, wird das aus der Adsorptionskolonne 4 abgegebene Gasgemisch
wieder zur Adsorptionskolonne 1 zurückgeführt.
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Wenn
speziell die Adsorptionskolonne 1 betrachtet wird, wird
andererseits, während
das Rohgas über den
Einlass in Schritt 1-1 eingebracht wird, die Gaskomponente C, die
bedingt durch das zuvor zugeführte Rohgas
in der Adsorptionskolonne 1 adsorbiert ist, sowie auch
das Desorptionsgas D aus dem Auslass abgegeben. Dieser Zustand dauert über die
Schritte 1-1 bis 1-3 an. Die auf diese Weise abgegebene Gaskomponente
C wird als Fraktion C mittels der Vakuumpumpe 14C gesammelt.
Die Menge der Gaskomponente C im Inneren der Adsorptionskolonne 1 nimmt
mit der Zeit ab, und am Ende des Schrittes 1-1 wird lediglich das
Desorptionsgas D abgegeben. Bei Schritt 1-4 erreicht die Gaskomponente
A den Auslass und wird dann gemeinsam mit dem Desorptionsgas D bis
zum Schritt 2-1 aus dem Auslass abgegeben. Die abgegebene Gaskomponente
A wird als Fraktion A mittels der Vakuumpumpe 14A gesammelt.
Das Rohgas wird bei Schritt 2-1 nicht mehr der Adsorptionskolonne 1 zugeführt, und
danach wird, während
lediglich das Desorptionsgas D vom Einlass der Adsorptionskolonne 1 zugeführt wird,
die in der Adsorptionskolonne 1 adsorbierte Gaskomponente und
das Desorptionsgas D bis zum Schritt 4-4 aus dem Auslass abgegeben.
Dann erreicht auch die Gaskomponente C den Auslass, und daher wird
das die Gaskomponenten A und C enthaltende Gasge misch und das Desorptionsgas
D während
der Schritte 2-2 bis 3-2 abgegeben. Das auf diese Weise abgegebene
Gasgemisch wird derjenigen Adsorptionskolonne zugeführt, welcher
gerade das Rohmaterial zugeführt
wird. Wenn die Gaskomponente A vollständig abgegeben ist, wird die
Gaskomponente C und das Desorptionsgas D während der Schritte 3-3 bis
1-3 abgegeben.
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Auf
diese Weise wird die Gaskomponente A, die eine niedrige Affinität zum Adsorbens
aufweist, zuerst abgegeben, dann wird das sowohl die Gaskomponente
A als auch C enthaltende Gasgemisch abgegeben, und danach wird die
eine hohe Affinität
aufweisende Gaskomponente C abgegeben.
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In
diesem Beispiel wird eine Extraktion des Gases aus der Adsorptionskolonne,
der das Rohgas gerade zugeführt
wird, immer mittels der Vakuumpumpe 14C oder 14A durchgeführt. Daher
kann, dadurch dass die Vakuumpumpe 14C oder 14A so
gesteuert wird, dass das Verhältnis
zwischen dem Rohgas und dem für die
Zirkulation verwendeten Gasgemisch angepasst wird und außerdem die
Extraktionsrate für
diese Pumpe 14C oder 14A in geeigneter Weise angepasst
wird, die Vakuumpumpe 14B entfallen. In diesem Fall ist
es zu bevorzugen, für
die Anpassung des Durchsatzes des Rohgases und/oder des Zirkulationsgases
ein Durchsatzeinstellventil vorzusehen.
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Wie
zuvor beschrieben, wird gemeinsam mit der Operation für jede der
vier Adsorptionskolonnen auch eine Bewegungsoperation durchgeführt, um
die Zuführanschlussöffnungen
für das
Rohgas und das Desorptionsgas, sowie die Extraktionsanschlussöffnungen
für die
A- und die C-Komponente nacheinander auf die folgenden Adsorptionskolonnen
zu bewegen, und zwar jeweils eine nach der anderen und gemäß der Bewegung der
Anreicherungszonen für
die A- und die C-Komponente.
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Das
Desorptionsgas kann wie erforderlich zugeführt werden, beispielsweise
wenn eine Verdünnung erforderlich
ist, und braucht nicht zugeführt
werden, wenn dies nicht erforderlich ist. Weiter kann die Rückführung des
aus jeder der Adsorptions kolonnen extrahierten Gasgemisches durchgeführt werden,
während
die Zuführung
des Rohgases gerade unterbrochen ist.
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In
diesem Beispiel wird insbesondere die gesamte Menge, die von einer
einzigen Adsorptionskolonne abgegeben wird, als Gaskomponente A
oder C extrahiert, oder sie wird als Gasgemisch zirkuliert. Es ist
somit möglich,
mittels eines vereinfachten Systems eine effiziente Operation durchzuführen.
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7 stellt,
zu Vergleichszwecken mit der vorliegenden Erfindung, eine Beispielstruktur
einer simulierten Fließbett-Trennungsvorrichtung
zur Realisierung der in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
Nr. Hei 9-239227 offenbarten Erfindung dar.
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Bezug
nehmend auf 7 sind die Adsorptionskolonnen 1 bis 4,
die mit dem gleichen Adsorbens gepackt sind, miteinander über jeweilige
Rohre 9 bis 11 verbunden, welche jeweilige Absperrventile 5 bis 7 aufweisen,
so dass ein Strömen
des Fluids ermöglicht
oder dieses abgesperrt werden kann. Das rückwärtige Ende der Adsorptionskolonne 4,
die an der letzten Stufe angeordnet ist, ist über ein ein Absperrventil 8 aufweisendes
Rohr 12 mit dem vorderen Ende der an der ersten Stufe angeordneten
Adsorptionskolonne 1 verbunden. Die Absperrventile 5 bis 8,
die an den Verbindungsrohren zwischen benachbarten Adsorptionskolonnen vorgesehen
sind, werden durch eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung gesteuert,
um geöffnet
oder geschlossen zu werden.
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Mit
den Rohren 12 und 9 bis 11, die mit der
Einlassseite der jeweiligen Adsorptionskolonnen 1 bis 4 verbunden
sind, ist ein Zuführrohr 13f für ein Rohgas,
das eine Gaskomponente A mit niedriger Affinität zum Adsorbens und eine Gaskomponente
C mit hoher Affinität
zum Adsorbens enthält, über entsprechende
Zuführventile 1f bis 4f verbunden,
und ein Zuführrohr 13D für ein Desorptionsgas
ist über
entsprechende Zuführventile 1D bis 4D verbunden.
Mit den Rohren 9 bis 12, die mit der Auslassseite
der Adsorptionskolonnen 1 bis 4 verbunden sind,
ist ein für
die A-Komponente
dienendes Extraktionsrohr 13A über zugehörige Extraktionsventile 1a bis 4a für eine A-Fraktion
verbunden, ein für
die C-Komponente dienendes Extraktionsrohr 13c ist über zugehörige Extraktionsventile 1c bis 4c für eine C-Fraktion
verbunden, und ein Zirkulationsrohr 13B für ein Gasgemisch,
das die A-Komponente
und die C-Komponente enthält,
ist über
zugehörige
Extraktionsventile 1b bis 4b verbunden. Die Rohre 13A bis 13C sind
jeweils mit Vakuumpumpen 14A bis 14C für eine Gasextraktion versehen.
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Wie
aus dem Vergleich mit der Vorrichtung von 7 klar hervorgeht,
hat die in 1 dargestellte Vorrichtung eine
stark vereinfachte Struktur, welche die Notwendigkeit eliminiert,
dass die Rohre 9 bis 12 zur Verbindung der Adsorptionskolonnen
sowie die mit den Rohren vorgesehenen Absperrventile 5 bis 8 vorhanden
sind.
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Insbesondere
ist das in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 9-239227
offenbarte System im Wesentlichen eine Verbindung einer Mehrzahl
von Adsorptionskolonnen in der Art einer Endlosverbindung, so dass
H2-Gas durch Divergieren eines Teils des
abgegebenen Gases extrahiert wird. In einem derartigen System werden
die Absperrventile zum Extrahieren einer gesamten Menge des He-Gases
benötigt.
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Somit
unterscheidet sich das in der zuvor erwähnten Publikation offenbarte
System, das der Vorrichtung der Erfindung physisch ähnlich sein
kann, von der Vorrichtung der Erfindung in Bezug auf das Operations- und
Steuerverfahren.
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1 stellt
eine Beispielstruktur einer Trennungsvorrichtung dar, die zur Realisierung
der Erfindung bereitgestellt wird, und daher ist es, wie dargestellt
in 8, möglich,
die Anzahl der Adsorptionskolonnen und der Zuführ- und Extraktionsventile
demgemäß zu ändern, und
zwar in Abhängigkeit
von der Reinheit oder dem Wiedergewinnungsverhältnis für die beabsichtigte Trennung.
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Die
Funktionsweise der in 8 dargestellten Vorrichtung
der Erfindung wird nachfolgend beschrieben, wenn beispielsweise
die Schritte 1-1 bis 1-3 des in 9 dargestellten
Zeitplans durchgeführt
werden.
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(Schritt 1-1: 30 Sekunden)
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Wie
in 10 dargestellt, sind alle Vakuumpumpen 14A, 14B, 14C in
Betrieb. Das Ventil 1f ist geöffnet, so dass das Rohgas der
Adsorptionskolonne 1 zugeführt wird. Das Ventil 1c ist
geöffnet,
so dass die Gaskomponente C aus der Adsorptionskolonne 1 extrahiert
wird. Weiter ist das Ventil 3a geöffnet, so dass die Gaskomponente
A aus der Adsorptionskolonne 3 extrahiert wird. Weiter
ist das Ventil 2b geöffnet,
so dass das aus der Adsorptionskolonne 2 abgegebene Gasgemisch
wieder zur Adsorptionskolonne 1 zurückgeführt wird.
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(Schritt 1-2: 30 Sekunden)
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Wie
in 11 dargestellt, sind die Vakuumpumpen 14B und 14C in
Betrieb. Das Ventil 1f ist geöffnet und das Rohgas wird der
Adsorptionskolonne 1 zugeführt. Das Ventil 1c ist
geöffnet,
so dass die Gaskomponente C aus der Adsorptionskolonne 1 extrahiert
wird. Da das Ventil 3a geschlossen ist, ist die Extraktion
der Gaskomponente A unterbrochen. Die Ventile 2b und 3b sind
geöffnet,
so dass das aus den Adsorptionskolonnen 2 und 3 abgegebene
Gasgemisch zur Adsorptionskolonne 1 zurückgeführt wird.
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(Schritt 1-3: 120 Sekunden)
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Wie
in 12 dargestellt, sind die Vakuumpumpen 14B und 14C in
Betrieb. Das Ventil 1f ist geöffnet und das Rohgas wird der
Adsorptionskolonne 1 zugeführt. Die Ventile 1c und 2c sind
geöffnet,
so dass die Gaskomponente C aus den Adsorptionskolonnen 1 und 2 extrahiert
wird. Da das Ventil 3b geöffnet ist, wird das aus der
Adsorptionskolonne 3 abgegebene Gasgemisch zur Adsorptionskolonne 1 zurückgeführt.
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Bei
Schritt 1-3 verbleibt fast keine Gaskomponente C in der Adsorptionskolonne 1,
und die vom Rohgas getrennte Gaskomponente A wird während des
anschließenden
Schrittes 2-1 von der Adsorptionskolonne 1 abgegeben. Demgemäß werden,
wenn der Prozess mit Schritt 2-1 fortfährt, der Zuführanschluss
und der Extraktionsanschluss um einen einzigen verschoben oder umgeschaltet,
derart, dass ein Umschalten der Operation gemäß dem Status der Adsorptionszonen
bewerkstelligt werden kann.
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In
diesem Beispiel erfolgt die Extraktion des Gases aus der Adsorptionskolonne,
der gerade das Rohgas zugeführt
wird, immer mittels der Vakuumpumpe 14C. Daher kann, dadurch
dass die Vakuumpumpe 14C so gesteuert wird, dass das Verhältnis zwischen
dem Rohgas und dem für
die Zirkulation verwendeten Gasgemisch angepasst wird und außerdem die
Extraktionsrate für
diese Pumpe in geeigneter Weise angepasst wird, die Vakuumpumpe 14B entfallen.
In diesem Fall ist es zu bevorzugen, für die Anpassung des Durchsatzes
des Rohgases und/oder des Zirkulationsgases ein Durchsatzeinstellventil
vorzusehen.
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Auf
diese Weise wird, wie zuvor beschrieben, gemeinsam mit der Operation
für jede
der drei Adsorptionskolonnen auch eine Bewegungsoperation durchgeführt, um
die Zuführanschlussöffnung für das Rohgas und
die Extraktionsanschlussöffnung
für die
A- und die C-Komponente nacheinander auf die folgenden Adsorptionskolonnen
zu bewegen, und zwar jeweils eine nach der anderen und gemäß der Bewegung
der Anreicherungszonen für
die A- und die C-Komponente.
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(Erstes Beispiel)
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Ein
Trennen des in Tabelle 1 angegebenen Rohgases wurde unter Verwendung
der in 1 dargestellten Vorrichtung mittels einer Wiederholung
der im Zeitplan von 2 definierten Schritte durchgeführt, und die
in Tabelle 2 angegebenen getrennten Gase wurden erzielt.
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In
der in 1 dargestellten Vorrichtung wurde ein Molekularsieb 5A als
Adsorbens verwendet und Argon (Ar) wurde als Desorptionsgas verwendet.
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In
diesem Beispiel war Helium (He) die A-Komponente, welche die niedrigere
Affinität
zum Adsorbens aufweist, und Wasserstoff (H2)
war die C-Komponente, welche die größere Affinität zum Adsorbens
aufweist.
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Jede
der vier Adsorptionskolonnen hatte einen Innendurchmesser von 20
mm und eine gepackte Bettlänge
von 3.000 mm, und die Adsorptionskolonnen waren mit einer Gesamtmenge
von 3.768 ml an Adsorbens gepackt, in welchem wiederholt ein Trennungsprozess
durchgeführt
wurde.
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Als
Ergebnis wurde mit dem Verfahren der Erfindung eine Trennung von
Wasserstoff und Helium in extrem einfacher Weise und mit im Vergleich
zum herkömmlichen
Verfahren größerer Leistung
erzielt. [Tabelle
1]
[Tabelle
2]
- (Anmerkung) Das Desorptionsgas ist nicht
in der Zusammensetzung (Volumen-%) enthalten
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(Zweites Beispiel)
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Ein
Trennen des in Tabelle 3 angegebenen Rohgases wurde unter Verwendung
der in 8 dargestellten Vorrichtung mittels einer Wiederholung
der im Zeitplan von 9 definierten Schritte durchgeführt, und die
in Tabelle 4 angegebenen getrennten Gase wurden erzielt.
-
In
der in 8 dargestellten Vorrichtung wurde ein Molekularsieb 5A als
Adsorbens verwendet und Argon (Ar) wurde als Desorptionsgas verwendet.
-
In
diesem Beispiel war Helium (He) die A-Komponente, welche die niedrigere
Affinität
zum Adsorbens aufweist, und Deuterium (D2)
war die C-Komponente, welche die größere Affinität zum Adsorbens
aufweist.
-
Jede
der drei Adsorptionskolonnen hatte einen Innendurchmesser von 20
mm und eine gepackte Bettlänge
von 3.000 mm, und die Adsorptionskolonnen waren mit einer Gesamtmenge
von 2826 ml an Adsorbens gepackt, in welchem wiederholt ein Trennungsprozess
durchgeführt
wurde.
-
Als
Ergebnis wurde mit dem Verfahren der Erfindung eine Trennung von
Deuterium und Helium in extrem einfacher Weise und mit im Vergleich
zum herkömmlichen
Verfahren größerer Leistung
erzielt. [Tabelle
3]
[Tabelle
4]
- (Anmerkung) Das Desorptionsgas ist nicht
in der Zusammensetzung (Volumen-%) enthalten
-
Gemäß der Erfindung
kann, da eine Trennung von Gasen durch eine simulierte Fließbett-Trennungsvorrichtung,
die eine hohe Effizienz der Adsorbensausnutzung aufweist, in kontinuierlicher
Weise ausgeführt werden
kann, eine Trennungsvorrichtung geringer Größe verwendet werden, so dass
die Installationskosten für
die Vorrichtung verringert werden können, sogar wenn die Vorrichtung
für eine
in großer
Menge erfolgende Verarbeitung verwendet wird. Die Erfindung erlaubt
eine extrem hohe Trennung und kann somit für ein vollständige Trennung
verwendet werden, ohne dass während
des Adsorptionsprozesses der Druck erhöht wird. Demgemäß kann,
sogar wenn eines oder mehrere extrem gefährliche Gase behandelt werden,
die Erfindung ein über
hohe Sicherheit verfügendes
Trennungsverfahren bereitstellen, da die Trennung erfolgen kann,
während
der Druck im System unterhalb des Umgebungsdruck gehalten wird.
Die Erfindung ist weiter darin vorteilhaft, dass bedingt durch das
Merkmal der simulierten Fließbett-Vorrichtung
die Menge an Desorptionsgas vermindert werden kann. Dies kann den
Grad an Verdünnung
der zu trennenden Komponente durch das Desorptionsgas beträchtlich
vermindern.