DE69103070T2

DE69103070T2 - Vorreinigung von Luft vor deren Auftrennung.

Info

Publication number: DE69103070T2
Application number: DE69103070T
Authority: DE
Inventors: Ravi Jain
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1991-04-15
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2011-04-16
Also published as: DE69103070D1; KR930012037B1; MY104643A; HK73896A; JP3163110B2; EP0453202B1; EP0453202A1; AU642993B2; AU7436091A; JPH04225813A; CA2040348A1; KR910018063A; CA2040348C; CN1055886A; TR25611A; CN1031978C; ZA912508B; ES2057764T3

Description

Diese Erfindung betrifft die Entfernung unerwünschter Gase aus Luft vor Einleitung in eine konventionelle Trenneinheit.
Konventionelle Lufttrenneinheiten (ASUs) zur Erzeugung von Stickstoff und Sauerstoff durch Kältetrennung von Luft umfassen grundsätzlich eine Destillierkolonne und oder Kolonnen, die bei cryogenen Temperaturen arbeiten. Wegen dieser tiefen Temperaturen ist es wesentlich, daß Wasserdampf und Kohlendioxid aus der komprimierten Luft entfernt wird, die einer ASU eingespeist wird. Falls dies nicht gemacht wird, werden die Tieftemperaturabschnitte der ASU einfrieren, was es notwendig macht, die Produktion anzuhalten und die verstopften Abschnitte zu wärmen, um die störende feste Masse gefrorener Gase wieder zu verdampfen und zu entfernen. Dies kann sehr teuer sein. Allgemein ist anerkannt, daß der Inhalt von Wasserdampf und Kohlendioxid in dem komprimierten Luftspeisestrom jeweils kleiner als 0,1 ppm bzw. 1.0 ppm sein muß, um das Einfrieren einer ASU zu vermeiden.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorreinigung von Luft muß die Fähigkeit aufweisen, die vorstehend erwähnten Reinheitshöhen kontinuierlich und wirksam zu erreichen und vorzugsweise zu übertreffen. Dies ist besonders wichtig, da die Kosten der Vorreinigung zu den gesamten Kosten der erzeugten Gase (nämlich ein oder mehrere Sauerstoffe, Argon und Stickstoff) der ASU beitragen.
Gegenwärtige, kommerzielle Verfahren zur Vorreinigung von Luft enthalten reversierende Wärmetauscher, Temperaturschwingungsadsorption und Druckschwingungsadsorption. Die ersten beiden dieser Verfahren sind von Wilson et al in IOMA BROADCASTER, Januar - Februar, 1984, Seiten 15 bis 20 beschrieben.
Umkehrwärmetauscher entfernen Wasserdampf und Kohlendioxid durch wechselweises Ausfrieren und Verdampfen derselben in ihren Durchgängen. Solche Systeme erfordern eine große Mengel das heißt 50 % oder mehr von Produktgas für die Reinigung, d. h. die Regeneration ihrer Durchgänge. Als Folge dieses wesentlichen Nachteils, kombiniert mit charakteristischen mechanischen Problemen und Lärmproblemen hat der Gebrauch von Umkehrwärmetauschern als Mittel zur Vorreinigung über die vergangenen Jahre ständig abgenommen.
Bei der Temperaturschwingungsadsorptions (TSA)-Vorreinigung werden die Verunreinigungen bei einer niedrigen Temperatur, typischerweise bei etwa 5ºC entfernt und die Regeneration wird bei verhältnismäßig erhöhten Temperaturen, beispielsweise von etwa 150ºC bis 250ºC durchgeführt. Die Menge von Produktgas, die zur Regeneration benötigt wird, beträgt typischerweise nur etwa 12 % bis 15 %, was eine beträchtliche Verbesserung gegenüber Umkehrwärmetauschern darstellt. TSA-Prozesse erfordern jedoch sowohl Kühleinheiten, um das Speisegas niederzuschlagen, als auch Heizeinheiten, um das regenerierte Gas zu erwärmen. Sie sind deshalb sowohl in Bezug auf den Kapitalaufwand als auch auf den Energieverbrauch nachteilig.
Druckschwingungsadsorptions (PSA)-Prozesse sind eine attraktive Alternative zur TSA, da sowohl die Adsorption als auch die Regeneration bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird. PSA-Prozesse erfordern im allgemeinen wesentlich mehr Regenerationsgas als TSA, was nachteilig ist, wenn eine hohe Wiedergewinnung des Regenerationsgases gewünscht ist. Dieser Nachteil kann jedoch in einer cryogenen Anlage, die einen beträchtlichen Abfallstrom, beispielsweise etwa 40% der Einspeisung, erzeugt, wesentlich reduziert werden. Derartige Ströme sind als Regenerationsgas ideal, da sie frei von Verunreinigungen, d. h. frei von Wasserdampf und Kohlendioxid sind und in jedem Fall abgelassen würden. Obgleich jedoch viele auf der PSA basierende Vorreinigungs-Verfahrenstechnologien in der Literatur vorgeschlagen wurden, wurden aufgrund der zugehörigen hohen Kapital- und Energiekosten nur wenige tatsächlich kommerziell eingesetzt.
DE-A-30 45 451 (1981) zeigt einen PSA Vorreinigungsprozeß, der bei 5º bis 10ºC, 880 KPa (9 Kg/cm²) Adsorptionsdruck und 98 KPa (1 atm) Regenerationsdruck arbeitet. Speiseluft wird unter Druck durch eine Schicht von 13X Zeolitepartikel geschickt um das meiste des Wasserdampfes und des Kohlendioxides zu entfernen und wird dann durch eine Schicht von aktivierter Tonerdepartikel geschickt, um die restlichen niedrigen Konzentrationen von Kohlendioxid und Wasserdampf zu entfernen. Es ist angegeben, daß die Zweitschicht von aktivierter Tonerde etwa von 20% bis 80% des kombinierten Volumens des Bettes umfassen kann. Es wird beansprucht, daß die in dieser Weise angeordneten Adsorberschichten die Bildung von "kalten Punkten" in den Adsorberbetten reduziert. Ein ähnlicher Prozeß ist in KAGAKU KOGAKU RONBUNSHU, 13(5), (1987), Seiten 548-553 diskutiert. Dieser letztere Prozeß arbeitet bei 28º - 35ºC, 0,65 MPa Adsorptionsdruck und 0,11 MPa Regenerationsdruck, weist ein siebspezifisches Produkt von 7,1 Sm³/min/m³ und ein Abluftverlust von 6,3% der Speiseluft auf. Während ein solcher Verlust als klein erscheinen mag, stellt jedes einzelne Volumenprozent von als Abluft verlorengegangener Speiseluft im Mittel etwa einen jährlichen Betriebsverlust in der Größenordnung von zehntausend US-Dollar für eine Fabrik dar, die zweihundert Tonnen Stickstoff pro Tag produziert.
Die japanischen Kokai Patentveröffentlichung Sho 59-4414 (1984) beschreibt einen PSA Vorreinigungsprozeß in dem getrennte Betten und Adsorber zur Entfernung von Wasserdampf und Kohlendioxid benutzt werden. Ein Wasserdampfentfernungsturm, der aktivierte Tonerde oder Silikagel enthält, wird durch Niederdruckspülung regeneriert, während ein Kohlendioxidentfernungsturm, der 13X Zeolite enthält, lediglich durch Evakuation ohne eine Spülung regeneriert wird. Dieser Prozeß erfordert etwa 25% Regenerationsgas und würde folglich bei cryogenen Prozessen mit einer hohen Produktwiedergewinnung verwendet werden. Sogar dann, wenn die cryogene Anlage einen beträchtlichen Abfallstrom erzeugt, sind solche Prozesse aufgrund des Leistungsbedarfs der Vakuumpumpe teuer.
Die japanische Patentveröffentlichung Sho 57-99316 (1982) beschreibt einen Prozeß, in dem Speiseluft, Abluftgas und Spülgas durch einen Wärmetauscher geschickt werden um dabei zu bewirken, daß Adsorption und Desorption bei nahezu der gleichen Temperatur stattfinden. Es ist angegeben, daß der Vorteil dieses Prozesses in einer Verminderung der erforderlichen Menge von Regenerationsgas liegt.
In dem in der japanischen Patentanmeldung Sho 55-95079 (1980) beschriebenen Prozeß wird Luft durch PSA in zwei Stufen behandelt, um Wasserdampf und Kohlendioxid zu entfernen, wobei ein trockenes Luftprodukt von der PSA-Einheit verwendet wird, um die erste Stufe zu spülen und ein verunreinigter Stickstoffstrom von der ASU verwendet wird, um die zweite Stufe zu spülen. Es ist angegeben, daß dieser Prozeß in Hinblick auf die Gesamt-Stickstoffwiedergewinnung vorteilhaft ist.
EP-A 232 840 (1987) beschreibt einen Vorreinigung-PSA-Prozeß, der aktivierte Tonerde zur Entfernung von Wasserdampf und ein Zeolit zur Kohlendioxidentfernung verwendet. Es ist angegeben, daß der Gebrauch von aktivierter Tonerde zur Wasserentfernung die Adsorption bei einer niedrigeren Temperatur ermöglicht und deshalb die Kohlendioxidadsorption bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet. Sowohl Adsorption als auch Desorption finden nahe der Umgebungstemperatur statt.
In dem in der DE-A-37 02 190 (1988) beschriebenen PSA-Zyklus wird mindestens 80% der Adsorptionswärme in dem Bett zurückgehalten und ist für die Regeneration verfügbar. Das Prinzip der Zurückhaltung von Adsorptionswärme in PSA-Betten ist in der Technik gut bekannt.
Der vorstehend diskutierte PSA-Luftreinigungsprozeß verwendet - mit der Ausnahme der DE-A-30 45 451 ein Anfangsbett oder -schicht, die aktivierte Tonerde oder Silikagel zur Entfernung von Wasserdampf enthält, und dann ein Zeolitbett oder -schicht zur Entfernung von Kohlendioxid. DE-A-30 45 451 offenbart einen Prozeß, in dem Zeolitpartikel den Großteil des vorhandenen Wasserdampfes und Kohlendioxid adsorbieren und nachfolgend eine Schicht aktivierter Tonerde die niedrigen Restkonzentrationen der beiden Verunreinigungen entfernt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde eine Einrichtung zum effektiven Entfernen von Wasserdampf und Kohlendioxid gefunden, die hinsichtlich dem Leistungsverbrauch und der Abluftgasverluste vorteilhaft ist.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Druckschwingungsadsorptionsprozeß zu dem Entfernen von Wasserdampf- und Kohlendioxidverunreinigungen aus Luft vorgesehen, der in zyklischer Abfolge umfaßt:
(a) die Zugabe von Luft unter Druck in ein erstes adsorbierendes Bett um dabei die Verunreinigungen daraus zu entfernen;
(b) bei der Beendigung des Entfernschrittes die Zugabe von Luft zu beenden und das Bett zu entlüften;
(c) in das Bett ein Spülgas zuzugeben, das frei von den Verunreinigungen ist, um adsorbierte Verunreinigungen daraus zu entfernen; und
(d) das Bett wieder unter Druck zu setzen, wobei das Bett außer Takt mit einem zweiten Bett arbeitet, so daß eines von ihnen Produktgas im Schritt (a) erzeugt, während das andere in den Schritten (b) und (c) regeneriert wird, und wobei diese Betten eine Anfangsschicht von aktvierter Tonerde enthalten, die etwa von 70% bis 100% des Gesamtbettvolumens umfaßt, wobei alles übrige eine Schicht von geeignetem Zeolit umfaßt, um jeglichen restlichen Wasserdampf und/oder jegliches restliche Kohlendioxid zu adsorbieren.
Der Begriff "Anfangsschicht" wie er hier verwendet wird, meint die erste Schicht, die von dem in das Bett eintretenden Speisegas kontaktiert wird. Vorzugsweise sind die Partikel des Adsorbers in dem Bett nicht größer als etwa 2 mm in ihrer Größe. Der Gegenstand des Prozesses nach der Erfindung verwendet vorzugsweise einen PSA-Zyklus, der den Gebrauch feiner Adsorberteilchen erleichtert.
Obgleich aktivierte Tonerde herkömmlicherweise verwendet wird, um Wasserdampf in Vorreinigungseinheiten aus Luft zu entfernen, war ihr Gebrauch bisher hauptsächlich als eine Anfangsschicht oder -bett vorgesehen, um Wasserdampf zu entfernen, gefolgt von einer zweiten Schicht oder Bett eines Adsorbers, wie beispielsweise Zeolit, um Kohlendioxid zu entfernen. DE-A-30 45 451, die oben diskutiert ist, offenbart den Gebrauch der Adsorber in umgekehrter Reihenfolge und gibt an, daß die aktivierte Tonerde lediglich als eine zweite Schicht verwendet wird, um niedrige Konzentrationen von Verunreinigungen zu entfernen, die die Anfangsschicht aus Zeolit durchlaufen haben. Es ist ebenfalls angegeben, daß die aktivierte Tonerde von 20% bis 80% des gesamten Bettes umfassen kann. Alle gegebenen Beispiele verwenden jedoch gleiche Mengen jedes Adsorbers.
Im Gegensatz zu solchen Lehren verwendet der Prozeß nach der Erfindung ein Adsorberbett, das von einer Anfangsschicht aus aktivierter Tonerde gebildet ist, die wenigstens etwa 70%, vorzugsweise von etwa 80% bis 100% des Volumens des gesamten Adsorbers umfaßt. Infolgedessen kann die aktivierte Tonerde der einzig vorhandene Adsorber sein. Ein Zeolit, wie beispielsweise 13X Zeolit kann als eine zweite Schicht zum Entfernen von restlichem Wasserdampf und Kohlendioxid verwendet werden. Die Verwendung von aktivierter Tonerde als anfänglicher und vorherrschender Adsorber zum Entfernen sowohl von Wasserdampf als auch Kohlendioxid aus dem hereinkommenden Gasstrom wird nicht von den oben diskutierten Veröffentlichungen vorgeschlagen. Die Verwendung von aktivierter Tonerde als einzige Adsorberschicht zum Entfernen beider Verunreinigungen bis herunter auf die vor stehend angegebenen Höhen steht im Widerspruch zu allen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Vorreinigung. Als Beispiel für den Prozeß nach der Erfindung, in dem zwei Schichten von Adsorbern verwendet werden, können diese in getrennten Kesseln oder in einem einzigen Kessel mit einer geeigneten Zwischenbarriere zur Vermeidung beiderseitiger Vermengung vorgesehen sein. Ein einzelner Kessel ist bevorzugt.
"Aktivierte Tonerde" ist eine kommerziell erhältliche Substanz. Fachleute wissen, daß solche Substanzen typischerweise nicht reine Tonerde sind und geringe Prozentanteile von anderen Materialien wie beispielsweise eisenhaltigem Oxid, Natriumoxid, Silika und dergleichen enthalten. Bestimmte kommerziell erhätliche aktivierte Tonerdenerzeugnisse werden hergestellt um bestimmte Mengen dieser und anderer Materialien zu enthalten, die ihre Aktivität erhöhen oder ihnen andere nützliche Eigenschaften verleihen. Eine zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugte aktivierte Tonerde wird von der Firma Alcoa, Inc., Pittsburgh, Pa. unter dem Produktbezeichnungscode H-152 hergestellt. Im Gegensatz zu herkömmlicher aktivierter Tonerde, die typischerweise weniger als 1% von Silika enthält, enthält dieses Material etwa 10 Gewichts-Prozent von Silika und jeder Partikel enthält Silika. Jeder der verschiedenen zur Adsorption von Kohlendioxid als brauchbar erkannten Zeolite kann in dem Prozeß nach der Erfindung verwendet werden, wobei 13X Zeolit besonders bevorzugt ist.
Die Verwendung von aktivierter Tonerde als vorherrschender Adsorber ist vorteilhaft, da die Tonerde wesentlich weniger Luft adsorbiert als Zeolite, beispielsweise als 13X Zeolit. Unsere bei einem Druck von 0,97 MPa (140 psia) und 25ºC durchgeführten Experimente legen nahe, daß eine Volumeneinheit von 13X Zeolit etwa dreimal mehr Luft adsorbiert als eine vergleichbare Volumeneinheit von aktivierter Tonerde. Als Folge dessen, daß aktivierte Tonerde der vorherrschende Adsorber in dem Gegenstand des Prozesses ist, ist deshalb der Abluftgasverlust um 50% oder mehr vermindert, was eine beträchtliche Einsparung der verbrauchten Energie darstellt. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung enthalten die adsorbierenden Betten 100% aktivierter Tonerde.
Die Verwendung von zumindest 70 Volumenprozent aktivierter Tonerde in dem Adsorberbett eliminiert auch wesentlich die "kalten Zonen", von denen bekannt ist, daß sie sich während der Desorption in einem Bett von Zeolit bilden. Wie oben erwähnt adsorbiert Zeolit eine wesentlich größere Menge von Luft als dies aktivierte Tonerde während der Produktionsstufe in einem PSA-Zyklus macht. Ferner ist die Adsorptionswärme von Luftbestandteilen auf Zeoliten größer als auf aktivierter Tonerde. Während der Desorptions- oder Regenerationsstufe von Zeoliten wird adsorbierte Luft sehr rasch in einer adiabatischen Weise desorbiert, wodurch ein scharfer Temperaturabfall hervorgerufen wird. Die Figur 3 der DE-A 30 45 451 zeigt, daß ein Temperaturabfall von etwa 20º in der Zeolitschicht während der Desorption für eine Adsorption bei 10ºC möglich ist. DE-A-37 02 293 offenbart, daß in einem Prozeß, der aktivierte Tonerde oder Silikagel zum Entfernen von Wasserdampf und 13X Zeolit zum Entfernen von Kohlendioxid verwendet, die Desorption etwa um 30ºC tiefer stattfindet als die Adsorption. Dies ist wiederum auf eine Bildung von kalten Zonen während der raschen Desorption zurückzuführen.
Wenn die Desorption bei einer viel niedrigeren Temperatur als die Adsorption auftritt, ist die zur Desorption erforderliche Menge von Regenerationsgas viel größer als wenn Desorption und Adsorption nahezu bei der gleichen Temperatur auftreten. Ein großer Temperaturunterschied zwischen Adsorption und Desorption führt auch zu einer ineffizienten Regeneration des Adsorberbettes, wodurch die Verwendung von größeren Mengen von Adsorbern erforderlich wird. Zusätzlich wird der Effekt der "kalten Zone" mit der Zeit schlimmer und sie kann sowohl in ihrer Größe zunehmen als sich auch innerhalb des Bettes bewegen. Alle diese Faktoren können zu Betriebsinstabilitäten führen. Aufgrund der oben erwähnten Faktoren ist es dem Fachmann offensichtlich, daß der mit dem Gebrauch einer vorherrschenden Menge von Zeolit verbundene scharfe Temperaturabfall sowohl hinsichtlich Kostengesichtspunkten als auch unter betrieblichen Gesichtspunkten ungewünscht ist. Jegliche Verminderung der in dem Bett verwendeten Zeolitmenge, wie sie bei dieser Erfindung praktiziert wird, läßt erwarten, daß die schädlichen Auswirkungen der Bildung von kalten Zonen reduziert werden.
Die Partikel des Adsorbers, insbesondere, falls vorhanden, Zeolit, die in dem Prozeß der vorliegenden Erfindung verwendet werden sind vorzugsweise kleiner als jene, die herkömmlicherweise in PSA-Prozessen verwendet werden. Im einzelnen sind die Partikel des Adsorbers vorzugsweise kleiner als etwa 2 mm, vorzugsweise von etwa 0,4 bis 1,8 mm und bevorzugt von etwa 0,6 mm bis 1,6 mm. Bei 23ºC und 724 KPa (105 psia) durchgeführte Experimente, die ein Adsorberbett verwenden, das 75 Volumenprozent einer ersten Adsorberschicht von kommerzieller 3,0 mm aktivierter Tonerde und der Rest eine zweite Schicht von 0,4 bis 0,8 mm 13X Zeolit enthielt, ergab ein "siebspezifisches Produkt" von 28,5 Sm³/min/m³ des Adsorbers und ein Abluftgasverlust von 1,7 % der Einspeisung. Das siebspezifische Produkt ist näherungsweise viermal so groß wie jenes, das durch den von Tomomura et al. beschriebenen, oben diskutierten Prozeß erreicht wurde, während der Abluftgasverlust kleiner als etwa ein Drittel des Abluftgasverlustes in jenem Prozeß ist.
Fachleuten ist gut bekannt, daß kleinere Partikel kleinere Massenübergangszonen haben, was zu einem effektiveren Gebrauch des Bettes in Hinblick auf seine Gleichgewichtskapazität führt. Daher ermöglicht der Gebrauch feiner Adsorberteilchen in dem erfindungsgemäßen Prozeß die Verwendung kleinerer Bettvolumina. Die Verkleinerung des Bettvolumens stellt eine sofortige Einsparung der Kapitalkosten für die Ausstattung dar, was Fachleute sofort erkennen werden. Weiter führt ein reduziertes Bettvolumen in Kombination mit der Tatsache, daß die Mehrheit des verwendeten Adsorbers aktivierte Tonerde ist, die viel weniger Luft als Zeolit adsorbiert, zu einer wesentlichen Verminderung des Abluftgasverlustes während der Regeneration. Deshalb kann der vorliegende Prozeß bei einem Abluftgasverlust arbeiten, der- mit zwei Volumenprozent niedrig ist. Hinsichtlich des im vorangegangenen angegebenen Wertes eines einprozentigen Abluftgasverlustes ist ohne weiteres erkennbar, daß der Prozeß dieser Erfindung beträchtliche ökonomische Vorteile gegenüber gegenwärtig verwendeten Prozessen besitzt.
Der Gebrauch von derart kleinen Partikel sowohl in Zeolitals auch aktivierten Tonerdeschichten, insbesonders in den ersten, ist in dem erfindungsgemäßen Prozeß bevorzugt. Bei kleinerer Zeolitpartikelgröße kann die Zeolitmenge, die eingesetzt werden muß, um ein Produktgas von gegebener Reinheit zu bilden, verkleinert werden. Da Zeolite viel mehr Luft adsorbieren als aktivierte Tonerde ist die proportionale Abnahme des Abluftgasverlustes beträchtlich größer als sie es für eine Abnahme der äquivalenten Menge (in Volumen) von aktivierter Tonerde sein würde. Da auch eine kleinere Menge von Luft während der Regeneration desorbiert wird, wenn kleinere Zeolitgrößen verwendet werden, wird die Ernstlichkeit der Bildung einer kalten Zone weiter reduziert. Dies ermöglicht eine sogar bessere Regeneration des Bettes, wobei sowohl die erforderliche Menge von Adsorbers als auch die erforderliche Menge von Spülgas vermindert wird.
Ein PSA-Prozeß nach der vorliegenden Erfindung, der feine Adsorberteilchen gebraucht, weist vorzugsweise keinen Bettdruck-Ausgleichsschritt auf, um so den Hochgeschwindigkeitsgasfluß, der normalerweise in einem derartigen Schritt auftritt, zu vermeiden. Darüber hinaus verwenden vorzugsweise alle Schritte außer der Produktion einen Gegenstromfluß zu dem Gasfluß während der Produktion. Dies ist auch deshalb vorteilhaft, da Adsorberbetten gewöhnlicherweise so aufgestellt sind, daß der Produktionsfluß ein Aufwärtsfluß und Schritte höherer Geschwindigkeit Abwärtsflüsse sind. Da der Aufwärtsfluß während der Produktion ziemlich gleichbleibend ist, können die Betten problemlos dafür ausgelegt werden, ein Verfießen während der Produktion zu vermeiden. Verfließen ist im allgemeinen für die Schritte mit Abwärtsfluß höherer Geschwindigkeit kein Problem. Konventionelle Bettausführungstechniken können verwendet werden, um die Abreibung von Adsorberpartikeln auch im Abwärtsfluß zu verhindern. Für Fachleute ist erkennbar, daß der erfindungsgemäße PSA-Prozeß in der Lage ist, ein abruptes Verschieben der Adsorberpartikel in dem Adsorberbett zu vermeiden, wodurch ein Verfließen des Bettes mit einer Verschlechterung seiner Brauchbarkeit vermieden wird.
Der erfindungsgemäße Prozeß wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die ein schematisches Flußdiagramm ist, das eine Druckschwingungsadsorptionsvorrichtung zum Reinigen eines nach oben fließenden Luftstromes einer Anlage (nicht dargestellt) ist, die die Hauptbestandteile der Luft durch Reinigung bei cryogenen Temperaturen trennt.
Bezugnehmend auf die Zeichnung wird Speisegas, d. h. Luft unter Druck, typischerweise von etwa 517 KPa (75 psia) bis etwa 1,14 MPa (165 psia) wechselweise durch das Öffnen und Schließen der Ventile 1 und 2 den adsorbierenden Betten A und B zugegeben. Die Betten A und B arbeiten außer Takt, so daß eines produziert während das andere eine Regeneration erfährt. Obgleich die Erfindung mit Blick auf ein Paar von adsorbierenden Betten A und B beschrieben ist, kann sie mit drei oder mehr Betten, die außer Takt arbeiten oder mit mehreren Paaren von Betten ausgeführt sein, wie dies für den Fachmann erkennbar ist.
Wenn das Bett A in dem Produktionsschritt des Zyklus ist, ist das Ventil 1 offen, die Ventile 2 und 3 sind in geschlossener Stellung und Luft wird durch die Adsorberteilchen gedrückt, die darin unter Druck enthalten sind. Die Ventile 5, 7 und 9 sind ebenfalls in geschlossenen Stellungen und Ventil 8 ist offen, so daß Luft, die im wesentlichen frei von Wasserdampf und Kohlendioxid ist, durch die mit "Produkt" markierte Leitung aus dem System fließt. Der Produktstrom, der weniger als 0,1 ppm von Wasserdampf und 1,0 ppm von Kohlendioxid enthält, wird in eine cryogene Lufttrenneinheit (ASU) eingeleitet, die nicht dargestellt ist.
Mit der Beendigung dieses Produktionsschrittes des Zyklus' wird das Ventil 7 geöffnet, um das Bett B durch Rückfüllung von Bett A wieder unter Druck zu setzen, dann werden die Ventile 1 und 8 geschlossen und das Ventil 3 geöffnet, um zu ermöglichen, daß das Bett A zur Athmosphäre entlüftet. Die Dauer des Produktionszyklus ist nicht ausreichend, um zu ermöglichen, daß ein vorderer Teil der Verunreinigungen aus dem adsorbierenden Bett herausfließt, d. h. das Bett erreicht nicht seine Adsorptionskapazität. Diese ist ohne weiteres durch konventionelle Verfahren bestimmbar, die dem Fachmann wohl bekannt sind. Die automatische Bestimmung und Einstellung des Produktionsschrittes mit Bezug auf den Wasserdampf- und Kohlendioxidinhalt der eintretenden Speiseluft unter Verwendung einer konventionellen Fühl- und Reguliervorrichtung ist dem Fachmann ebenfalls wohl bekannt. Ein spezieller Vorteil des Gegenstand des Prozesses ist es, daß die Menge des Gasverlustes während des Entlüftungsschrittes an die Atmosphäre weniger als 3 Volumenprozent des Speisegases darstellt.
Bei der Beendigung des Entlüftungsschrittes werden die Ventile 5 und 10 geöffnet und Speisegas wird dem Bett A in eines Gegenstromrichtung zu dem während der Produktion diesen durchlaufenden Fluß zugegeben. Die Spülung verläßt das Bett durch das offene Ventil 3. Das Spülgas wird von einer Quelle genommen, dessen Wasserdampf- und Kohlendioxidhöhen kleiner sind als jene des Produktgases des PSA-Systems. Die Quelle kann ein Produktgas oder vorzugsweise ein Abfallgas der ASU mit hohem Stickstoffinhalt sein, das ohne weiteres unter Druck verfügbar ist. Der Spülschritt ist von ausreichender Dauer um die adsorbierten Verunreinigungen zu desorbieren und sie aus dem Bett zu entfernen. Die oben in Hinblick auf die Überwachung und Bestimmung des Produktionsschrittes gemachten Aussagen sind in gleicher Weise auf den Spülschritt anzuwenden.
Bei Beendigung des Spülschrittes werden die Ventil 3, 5 und 10 geschlossen und das Ventil 7 geöffnet, um das Bett A durch Rückfüllung mit im Bett B erzeugten Produktgas wieder unter Druck zu setzen. Während des Rückfüllschrittes bleibt das Ventil 9 offen und es wird weiterhin Produktgas von dem Bett B dem System entzogen.
Bei Beendigung des Rückfüllschrittes wird das Ventil 7 geschlossen und die Ventile 1 und 8 geöffnet, um einen weiteren Zyklus zu beginnen. Das Bett B arbeitet außer Takt mit dem Bett A, so daß eines eine Regeneration erfährt, d. h. Entlüftung und Spülung, während das andere das Produkt erzeugt. Ein typischer Zyklus für ein Zwei-Bett-System ist in der Tabelle I dargestellt. TABELLE 1 Typischer PSA-Zyklus (20 Minutenzyklus)

Bett Offene Ventile Zeit (Sek.) Rückfüllung von Bett B Produktion Produktion, Rückfüllung des Bettes B Entlüftung an Atmosphäre Spülung

Dieser PSA-Zyklus hat sich für die feinen Adsorberteilchen in den wie oben beschriebenen adsorbierenden Betten als besonders vorteilhaft erwiesen. Bestimmte Modifikationen des unter Bezugnahme auf die Figur beschriebenen Prozesses können vorgenommen werden, ohne den Umfang des Gegenstandes der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können sowohl die Spül- als auch Entlüftungsschritte unter Vakuum durchgeführt werden, wobei konventionelle Ausrüstung verwendbar ist. Das Wieder-Unter-Druck-Setzen der Betten kann, falls gewünscht, ebenfalls durchgeführt werden, indem Speisegas anstelle von Produktgas verwendet wird. Insgesamt schafft der Gegenstand des Prozesses eine bedeutende Verbesserung bei der Vorreinigung von Luft für eine ASU in Hinblick auf die Kapitalkosten und die Betriebseffizienz.
Die folgenden Beispiele beschreiben diese Erfindung weiter wobei davon auszugehen ist, daß die Erfindung in keiner Weise auf die darin beschriebenen Einzelheiten beschränkt sein soll.

BEISPIELE 1 bis 5

Luft wurde gereinigt, um Wasserdampf und Kohlendioxid unter Verwendung einer in der Zeichnung gezeigten Vorrichtung und eines in der Tabelle I dargestellten Zyklus' zu entfernen. Die Betten enthielten nur eine Form aktivierter Tonerde, die von der Firma Alcoa, Inc. Pittsburgh, Pa. kommerziell erhältlich ist. Jeder Partikel dieser aktivierten Tonerde (Produktcode H-152) enthält etwa 10 Gewichts-% SiO&sub2;. Die Partikelgröße der aktivierten Tonerde war etwa 3,0 mm. Das Bett enthielt etwa 1,2 Kg (2,6 lb) von aktivierter Tonerde pro 100 mm Bettiefe. Die Adsorption wurde bei einem Druck von 965 KPa (140 psia) mit wassergesättigter Luft (bei Adsorptionstemperatur), die etwa 350 ppm Kohlendioxid enthält, durchgeführt. Die Adsorptionstemperaturen sind in der Tabelle II angegeben. Stickstoffgas, das frei von Wasser und Kohlendioxid war, wurde als Spülung benutzt. Die Mengen der aktivierten Tonerde, die benötigt wurden, um den Kohlendioxidinhalt in dem Produkt auf 1,0 ppm zu vermindern, wurden experimentell durch Messung von Kohlendioxidkonzentrationsprofilen in dem Bett ermittelt und sind in der Tabelle II angegeben. Die Mengen von Spülgas, Abluftgasverlust und siebspezifischem Produkt sind ebenfalls angegeben. Das Spülgas war zum Entfernen von Wasserdampf und Kohlendioxid gereinigter Stickstoff. TABELLE II Untersuchungsnummer Adsorp.-temperatur (ºC) Kohlendioxidkonzentration bei 785mm (ppm) Spülung in % der Einspeisung Abluftverlust in % der Einspeisung Betthöhe (mm) Siebspezifisches Produkt (Sm³/min/m³)
Es ist erkennbar, daß dann, wenn nur aktivierte Tonerde zum Entfernen sowohl von Kohlendioxid als auch Wasserdampf verwendet wird, sehr geringe Abluftgasverluste, nämlich so niedrig wie 2 %, erreicht werden können, was, wie bereits früher angegeben, wesentliche Leistungseinsparungen darstellt. Auch können Spülmengen von so wenig wie 30 % verwendet werden. Das siebspezifische Produkt bei allen aktivierten Tonerdeausführungen beträgt über das Doppelte des von Tomomura et al. beschriebenen und oben diskutierten kommerziellen Prozesses.
Temperaturprofilmessungen für alle aktivierte Tonerdeausführungen zeigen einen maximalen Temperaturunterschied von weniger als 5ºC zwischen den Adsorptions- und Desorptionsabschnitten des Zyklus. Die Bildung einer kalten Zone wurde wegen der viel kleineren Menge von auf aktivierter Tonerde adsorbierten Luft, als sie auf Zeolit adsorbieren würde, offensichtlich beseitigt. Die verbesserte Regeneration des Adsorbers aufgrund der Beseitigung der kalten Zone ist teilweise für die gute Gesamtleistung verantwortlich.

BEISPIELE 6 BIS 8

Experimente wurden mit zwei Betten durchgeführt, die 9,3 Kg (20,6 lbs) von kommerziell erhältlicher aktivierter Tonerde enthielten, die eine durchschnittliche Partikelgröße von 1,5 mm aufwies. Die Höhe der aktivierten Tonerdeschicht betrug 785 mm. Der Kessel enthielt eine zweite Schicht von einem kommerziell erhältlichen 13X Zeolit mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 1,5 mm. Die Menge des verwendeten 13X Zeolit betrug etwa 0,94 Kg (2,1 lbs) je 100 mm der Betthöhe. Das Kohlendioxidkonzentrationsprofil in dem Bett wurde unter Verwendung eines Infrarotanalysators gemessen und die Mengen von 13X Zeolit, die erforderlich waren, um am Ausgang des Kessels eine 1,0 ppm Kohlendioxidkonzentration zu erhalten, wurden experimentell bestimmt. Die Höhen der 13X Zeolitschicht und der Volumenprozentanteil von 13X Zeolit in dem Bett sind in der Tabelle III angegeben.
Die Adsorption wurde bei einem Druck von 965 KPa (140 psia), einer Temperatur von 32,5ºC bei einer wassergesättigten Speiseluft, die etwa 350 ppm Kohlendioxid enthielt, durchgeführt. Der PSA-Zyklus und die PSA-Vorrichtung waren so, wie sie unter Bezugnahme auf die Beispiele 1 bis 5 beschrieben wurden.
Zu Vergleichszwecken wurde ein ähnliches Experiment durchgeführt, das Adsorptionsbetten verwendete, die weniger als 70 Volumen-% von aktivierter Tonerde bei ansonsten im wesentlichen gleichen Faktoren enthielten. Die diesbezüglichen Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle III angegeben. TABELLE III Untersuchungsnummer Kohlendioxidkonzentration bei 785mm (ppm) Spülung in % der Einspeisung Abluftverlust in % der Einspeisung Gesamthöhe (mm) Volumen der aktivierten Tonerde (%) Siebspezifisches Produkt (Sm³/min/m³)
Es ist zu sehen, daß die aktivierte Tonerde eine wesentlich größere Menge von Kohlendioxid entfernen kann. In den Beispielen 6 und 7 wurde die Menge des Kohlendioxids von etwa 350 ppm auf 3 bis 5 ppm allein in dem aktivierte Tonerdeabschnitt vermindert. Es ist auch zu erkennen, daß dann, wenn die Menge von 13X Zeolit in dem Bett vermindert wird (durch die Verwendung größerer Spülmengen in diesen Beispielen), die Menge des Abluftgasverlustes abnimmt. Dies ist eine direkte Folge der größeren Mengen von in dem 13X Zeolitsieb adsorbierter Luft. In Beispiel 8, in dem weniger als 70 % aktivierte Tonerde verwendet wird, ist der Abluftverlust über 50 % größer als der Abluftverlust für die Beispiele 6 und 7, was zu höheren Betriebskosten führt. Das siebspezifische Produkt in Beispiel 8 ist ebenfalls niedriger als jenes der Beispiele 6 und 7.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Prozesses kann durch Vergleich der Beispiele 1 bis 3 mit den Beispielen 6 bis 8 erkannt werden. Die Kohlendioxidkonzentrationen bei 785 mm in den Beispielen 1 bis 3, die 3,0 mm aktivierte Tonerde verwenden, liegen zwischen 55 und 160 ppm. Die Beispiele 6 bis 8, die 1,5 mm aktivierte Tonerde verwenden, erzeugen Kohlendioxidhöhen von 3 bis 18 ppm bei der gleichen Betthöhe (785 mm). Dieser beträchtliche Unterschied ist auf die den kleineren Partikeln zugeordneten kürzeren Massenübergangszonen zurückzuführen.

Claims

1. Druckschwingungsadsorptionsprozeß zu dem Entfernen von Wasserdampf- und Kohlendioxidverunreinigungen aus Luft, der in zyklischer Abfolge umfaßt:

(a) die Zugabe von Luft unter Druck in ein erstes adsorbierendes Bett um dabei die Verunreinigungen daraus zu entfernen;

(b) bei der Beendigung des Entfernschrittes die Zugabe von Luft zu beenden und das Bett zu entlüften;

(c) in das Bett ein Spülgas zuzugeben, das frei von den Verunreinigungen ist, um adsorbierte Verunreinigungen daraus zu entfernen; und

(d) das Bett wieder unter Druck zu setzen, wobei das Bett außer Takt mit einem zweiten Bett arbeitet, so daß eines von ihnen Produktgas im Schritt (a) erzeugt, während das andere in den Schritten (b) und (c) regeneriert wird, und wobei diese Betten eine Anfangsschicht von aktivierter Tonerde enthalten, und alles übrige eine Schicht von geeignetem Zeolit umfaßt, um jeglichen restlichen Wasserdampf und/oder jegliches restliche Kohlendioxid zu adsorbieren,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht von aktivierter Tonerde etwa von 70% bis 100% des Gesamtbettvolumens umfaßt.

2. Prozeß nach Anspruch 1, in dem die aktivierten Tonerdepartikel Silika (Kieselerde) enthalten.

3. Prozeß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Fluß des Gases in den Schritten (b), (c) und (d) dem Fluß des Gases in Schritt (a) entgegenfließend ist.

4. Prozeß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem zumindest die Partikel von Zeolit in den Betten eine Größe zwischen 0,4 und 1,8 mm aufweisen.

5. Prozeß nach Anspruch 4, in dem zumindest die Partikel von Zeolit in den Betten eine Größe zwischen 0,6 mm und 1,6 mm aufweisen.

6. Prozeß nach Anspruch 4, in dem alle Adsorberpartikel in den Betten eine Größe zwischen 0,4 mm und 1,8 mm aufweisen.

7. Prozeß nach Anspruch 5, in dem alle Adsorberpartikel in dem Bett zwischen 0,6 mm und 1,6 mm sind.

8. Prozeß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Produktgas einer cryogenen Lufttrenneinheit zugeführt wird.

9. Prozeß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Spülgas ein stickstoffangereichertes Abfall- oder Produktgas aus dieser Einheit ist.