DE69116730T2

DE69116730T2 - Verbesserte Steuerung der Durchführung der Druckwechseladsorption

Info

Publication number: DE69116730T2
Application number: DE69116730T
Authority: DE
Inventors: James Smolarek
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1991-05-24
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-05-25
Also published as: US5042994A; EP0458350B1; JPH0747103B2; CN1027493C; JPH04227813A; KR910019665A; EP0458350A1; BR9102098A; DE69116730D1; ATE133636T1; ES2082886T3; TW219898B; CA2043183A1; CN1057404A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Druckwechseladsorptionsvorgänge. Insbesondere bezieht sie sich auf Vorgänge unter Bedingungen eines variablen Bedarfs.

Beschreibung des Stands der Technik

Druckwechseladsorptions (PSA)-Verfahren und -Systeme sind dem Fachmann zum Erzielen einer wünschenswerten Trennung von Komponenten eines Einsatzgasgemischs bekannt. In der Praxis des PSA-Verfahrens wird ein Einsatzgasgemisch, das eine leichter adsorbierbare Komponente und eine weniger leicht adsorbierbare Komponente enthält, zu einem Adsorberbett geleitet, welches die leichter adsorbierbare Komponente bei einem oberen Adsorptionsdruck selektiv adsorbieren kann. Das Bett wird danach auf einen niedrigeren Desorptionsdruck gebracht, um die leichter adsorbierbare Komponente zu desorbieren und sie aus den Betten zu entfernen, bevor zusätzliche Mengen des Einsatzgasgemischs eingebracht werden, wenn die zyklischen Adsorptions-Desorptions-Vorgänge in dem PSA-System fortgesetzt werden. In der herkömmlichen PSA-Praxis werden gewöhnlich Mehrbettsysteme verwendet, wobei jedes Bett den PSA-Verfahrensablauf auf einer zyklischen Basis ausführt, die zu dem Ausführen dieses Ablaufs in den anderen Betten des Systems in Beziehung steht.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der PSA-Technologie bezieht sich auf die Zerlegung von Luft zwecks der Erzeugung von Produktstickstoff und Coproduktsauerstoffgas. Für solche Vorgänge werden gewöhnlich Gleichgewichts-Adsorptionsmittel, wie beispielsweise Zeolithmolekularsiebe, verwendet, und sie dienen dazu, Stickstoff als die leichter adsorbierbare Komponente der Luft selektiv zu adsorbieren, während Sauerstoff als die weniger leicht adsorbierbare Komponente durch das Bett aus Adsorptionsmittelmaterial hindurch gelangen kann. Ein stetiger Stickstoff- und Sauerstoffstrom von gewünschter Konzentration kann somit hergestellt werden.
Während PSA-Verfahren und -Systeme ohne weiteres für die gewünschte Stickstoff- und Sauerstofferzeugung unter stetigen Bedingungen optimiert werden können, bleibt der Bedarf an solchen gasförmigen Produkten bei verschiedenen praktischen kommerziellen Anwendungen nicht über längere Zeiträume konstant. Es besteht ein Bedürfnis nach der Entwicklung von PSA-Verfahren und -Systemen, welche für den Betrieb bei variablen Steuerbedingungen geeignet sind. Aus diesem Grund ist eine Abschaltsteueranordnung erforderlich, so daß die PSA- Systeme effizient betrieben werden können, um eine gewünschte Produktzuführ und -Reinheit bei variablen Verwender-Bedarfsbedingungen aufrecht zu erhalten, während der Energiebedarf bei Bedingungen verminderten Bedarfs verringert wird.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein PSA-Verfahren und -System zur Herstellung von Stickstoff und Sauerstoff aus Luft bei variablen Bedarfsbedingungen zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes PSA-Verfahren und -System zur Erhöhung der Effizienz von Luftzerlegungsvorgängen bei verringerten Stickstoffproduktgas- Anforderungen zu schaffen.
Im Hinblick auf diese und weitere Aufgaben wird die Erfindung hier im folgenden detailliert beschrieben, wobei deren neue Merkmale insbesondere in den angehängten Ansprüchen hervorgehoben sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Produktspeicherbehälter mit variablem Volumen wird überwacht, um Anderungen bei dem Verwenderbedarf zu bestimmen und den Ablauf der Verfahrensschritte in dem PSA-System zu steuern, welches verwendet wird, um Produktstickstoff und Coproduktsauerstoff unter variablen Bedarfsbedingungen herzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird hier im folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügte einzige Zeichnung beschrieben, welche ein Verfahrenszyklusdiagramm für den Betrieb eines Zweibett- PSA-Systems unter Verwendung des Abschaltsteuermerkmals der Erfindung zur Anpassung an variable Bedarfsbedingungen zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung werden dadurch gelöst, daß ein Speichertank mit variablem Volumen in Verbindung mit einem PSA-System mit einem dazwischen erfolgenden Volumenstrom verwendet wird, um die gewünschte Steuerung des PSA-Zyklus in Abhängigkeit von variablen Bedarfsbedingungen zu erreichen.
Bei dem Druckwechseladsorptionsverfahren gemäß der Erfindung werden Stickstoffprodukt und Sauerstoffcoprodukt mittels der selektiven Adsorption von Stickstoff aus Einsatzluft in einem PSA-System mit mindestens zwei Adsorberbetten hergestellt. Jedes Adsorberbett unterliegt auf einer zyklischen Basis einer Verfahrensabfolge mit den Schritten Aufdrücken auf einen oberen Adsorptionsdruck, Rücklaufbetrieb, um nicht adsorbiertes Sauerstoffcoproduktgas aus dern Bett zu verdrängen, Entspannen und Evakuieren auf einen unteren Desorptionsdruck, um Produktstickstoffgas aus dem Bett zu desorbieren und zu entfernen und Verdrängungsgas für den Rücklaufbetrieb des Betts bei erhöhtem Druck zu liefern, Spülen und Abschalten vor dem Wiederaufdrücken und/oder Entspannen, wie es erforderlich ist, um für eine Anpassung an Zeiträume mit verringertem Produktbedarf zu sorgen.
Hinsichtlich der in der Zeichnung veranschaulichten besonderen Verfahrensabfolge wird ein Zweibett-PSA-System eingesetzt, wobei Bett A und Bett B jeweils der gezeigten Verfahrensabfolge auf einer zyklischen Basis unterliegen und ein Bett zur Gewinnung von Produktstickstoff entspannt wird, während das andere Bett zur selektiven Adsorption von zusätzlichen Stickstoffmengen aus Einsatzluft und zur Gewinnung von Sauerstoffcoproduktgas wiederaufgedrückt wird. Die folgende Beschreibung der zehn bezeichneten Schritte der Verfahrensabfolge in Bett A betreffen somit auch Bett B auf einer geeigneten zyklischen Basis, wie beschrieben. In Schritt 1 wird Hochdruck-Stickstoffprodukt desorbiert und von dem Einsatz- Produktende (unteren Ende) von Bett A mittels des Entspannens von Bett A von seinem oberen Adsorptionsdruckpegel auf einen mittleren Druckpegel zum Speichern abgezogen. Das Produktgas strömt von Bett A zu einem Stickstoffspeichertank, wobei die Durchflußrate an Gas mittels des langsamen Öffnens der Ventilanordnung in der Leitung zwischen dem Einsatz- Produktende von Bett A und dem Stickstoffspeichertank bei einem sicheren Wert gesteuert wird.
Schritt 2 umfaßt die Evakuierung von Bett A von dem mittleren Druckpegel auf einen unteren Pegel unter Vakuum, um weiter Stickstoff von Bett A zu desorbieren und diesen Stickstoff als ein Niederdruckstickstoffprodukt von dem Einsatz-Produktende von Bett A abzuziehen. Dieser Stickstoff kann dem Stickstoffspeichertank zugeleitet werden. Die Menge des von Bett A während Schritt 2 entfernten Stickstoffs wird mittels der Steuerung der Dauer des Schritts 2 konstant gehalten.
In Schritt 3 wird die Evakuierung von Bett A fortgesetzt, wobei das Bett seinen unteren subatmosphärischen Desorptionsdruck erreicht und das von dem Einsatz-Produktende von Bett A während dieses Schritts abgezogene Stickstoffgas als Niederdruckstickstoffprodukt gewonnen wird. Wie in Schritt 2 wird die Menge an von Bett A abgezogenem Gas mittels der Steuerung der Dauer des Schritts 3 konstant gehalten. Der abgezogene Stickstoff wird zu dem Stickstoffspeichertank geleitet oder er wird zu Bett B als Rücklauf oder Verdrängungsgas übergeleitet.
Zusätzliche Mengen an Stickstoff werden von dem Einsatz-Produktende von Bett A während Schritt 4 abgezogen, in welchem Sauerstoffspülgas in das Spül-Auslaßende (oberes Ende) von Bett A eingeleitet wird. Der dadurch abgezogene Stickstoff kann Bett B zwecks Verwendung als Rücklauf oder Verdrängungsgas in Bett B zugeleitet werden oder er kann zu dem Stickstoffspeichertank übergeleitet werden.
Während des Abschaltschritts 5 wird die Verfahrensabfolge angehalten, wobei kein Gas, das heißt kein Einsatzgas, Spülgas oder Rückflußgas, zu Bett A geleitet wird und kein Gas daraus abgezogen wird. Die in dem Stickstoffspeichertank vorhandene Stickstoffmenge wird mittels einer geeigneten Prozeßcomputer/Steueranordnung einschließlich damit verbundener Volumenmeßanordnungen überwacht. Wenn verringerte Stickstoffverwendungsraten oder irgendeine Veränderung bei diesen Raten beobachtet werden, kann die Computer/Steuer-Anordnung automatisch die Gesamtprozeß-Zyklusdauer und die Dauer der einzelnen Schritte so einstellen, daß sie der dann bestimmten Stickstoffverwendungsrate entsprechen. Die Zyklusdauer wird umgekehrt proportional zu der Verwendungsrate erhöht, d.h. die Zyklusdauer wird erhöht, wenn die Verwendungsrate sinkt. Der aus dem Stickstoffspeichertank zwecks stromabwärtiger Verwendung abgezogene Produktstickstoff wird ebenfalls überwacht, um sicherzustellen, daß ein Stickstoffprodukt mit konstanter Reinheit zugeführt wird. Die Prozeßcomputer/Steuer-Anordnung kann auch sicherstellen, daß für einen konstanten Druck in dem Stickstoffspeichertank zwecks der Zuführ des Stickstoffprodukts mit konstanter Reinheit für die stromabwärtige Verwendung mit konstantem Druck gesorgt wird. Während des Abschaltschritts 5 wird die Kompressor-Vakuumpumpen-Anordnung, die verwendet wird, um Einsatz-, Spül- und Rückflußgas dem Bett zuzuführen und Gas davon abzuziehen, eingestellt, um den Energieverbrauch der Kompressor/Vakuumanordnung zu verringern, um wünschenswerte Energieeinsparungen bei der Kompressorleistung proportional zur Verringerung der Produktbedarfsrate zu erzielen.
Nach der auf das Abschalten folgenden Wiederaufnahme der Verfahrensabfolge folgt Schritt 6, der für das Durchleiten von Sauerstoffgas in Bett A von dessen Spül-Auslaßende aus sorgt, um das Bett wiederaufzudrücken. Die Prozeßcomputer/Steuer-Anordnung ist ausgelegt, um zu bewirken, daß Sauerstoff für eine gewünschte Zykluszeitdauer, die konsistent mit der Gesamtprozeßzyklusdauer bei jedem bestimmten Wert des Verwenderbedarfs ist, in das Bett gelangt. Während dieses Wiederaufdrückschritts wird typischerweise kein Gas aus Bett A ausgeleitet.
In Schritt 7 wird das Wiederaufdrücken von Bett A mittels der Einleitung von frischer Luft zu dern Bett an dessen Einsatz-Produktende fortgesetzt. Die Menge an während dieses Schritts zu Bett A geleiteter Einsatzluft wird durch die Zyklussteuersystemanordnung mittels des Steuerns der Dauer dieses Schritts zum Wiederaufdrücken mit Einsatzluft gesteuert. Während dieses Schritts zum Wiederaufdrücken sieht man, daß kein Gas von dem Spül-Auslaßende ausgelassen wird, und das Bett wird somit auf seinen oberen Adsorptionsdruckpegel wiederaufgedrückt.
Nachdem Bett A mittels frischem Lufteinsatz auf den oberen Adsorptionsdruck wiederaufgedrückt wurde, wobei eine selektive Adsorption von Stickstoff aus dem Lufteinsatz erfolgt, wird in Schritt 8 Rückfluß- oder Verdrängungsstickstoffgas zu dem Bett an dessen Einsatz- Produktende geleitet, um Sauerstoff an dessen entgegengesetztem Ende, d.h. dem Spül- Auslaßende, zu verdrängen. Das zu diesem Zweck verwendete Stickstoffgas kann aus dem Stickstoffspeichertank abgezogen werden oder es kann von Bett B zu Bett A geleitet werden, wie während des Ausführens der Schritte 1, 2 oder 3. Der während dieses Schritts von dem Bett verdrängte Sauerstoff wird in einem geeigneten Sauerstoffspeichertank gespeichert, typischerweise bei dem höchsten verfügbaren Druck.
In Schritt 9 werden in Bett A zusätzliche Mengen an Rückfluß- oder Verdrängungsstickstoff zu dem Einsatz-Produktende von Bett A geleitet, wobei zusätzliche Mengen an Sauerstoff von dessen Spül-Auslaßende verdrängt werden. Die Menge eines solchen dem Bett A während dieses Schritts hinzugefügten Verdrängungsstickstoff wird mittels des Überwachens des Stickstoffgasspeicherbestands in dem Stickstoffspeichertank und mittels der Verwendung der Prozeßcornputer/Steuer-Anordnung gesteuert, um die Zyklusdauer von Schritt 9 in geeigneter Weise einzustellen. Während dieses Schritts wird Coproduktsauerstoffgas von dem Bett in geeignete Sauerstoffspeichertanks zwecks Verwendung als Coproduktsauerstoffgas und zwecks Rückführung als Sauerstoffspülgas in Schritt 4, wie oben beschrieben, und/oder als Gas zum Wiederaufdrücken in Schritt 6, wie es in Bett A oder Bett B ausgeführt wird, geleitet.
Nachfolgend zu diesem Rücklaufbetrieb zur Verdrängung von Sauerstoff aus Bett A und vor dern Abzug von Produktstickstoff daraus in Schritt 1, wenn die zyklische PSA-Verfahrensabfolge wiederholt wird, umfaßt Schritt 10 ein Abschalten des Systems, wie in dem oben beschriebenen Schritt 5. Somit wird während des Abschaltschritts 10 Gas weder zu Bett A geleitet noch daraus abgezogen. Die Menge an in dem Stickstoffspeichertank vorhandenen Stickstoff wird während dieses Schritts mittels der Prozeßcomputer/Steuer-Anordnung überwacht. Wenn verringerte Stickstoffverwendungsraten oder irgendeine Veränderung in diesen Raten beobachtet werden, kann die Prozeßcomputer/Steuer-Anordnung die PSA-Prozeßzyklus- und -Schrittzeiten automatisch einstellen, so daß sie der dann bestimmten Stickstoffverwendungsrate entsprechen. Der Stickstoffproduktstrom, der von dem Stickstoffspeichertank zur stromabwärtigen Verwendung zugeführt wird, wird wünschenswerterweise während Zeiten verringerten Bedarfs bei der gewünschten Produktreinheit und dem gewünschten Druck gehalten, während der Energieverbrauch der in der Praxis des vorliegenden PSA-Verfahrens und -Systems verwendeten Kompressor-Vakuumanordnung verringert wird.
Bei dem zyklischen Betrieb gemäß der Erfindung in der veranschaulichten Ausführungsform erkennt man, daß Bett B derselben Verfahrensabfolge unterliegt, wie sie in Bett A ausgeführt wird, wobei der Abschaltschritt 10 in Bett B zur selben Zeit wie der Abschaltschritt 5 in Bett A stattfindet. Ebenso findet Abschaltschritt 5 in Bett B zur selben Zeit wie Abschaltschritt 10 in Bett A statt. Man kann ferner beobachten, daß während der Schritte 1 bis 4 für die Gewinnung von Stickstoffprodukt in Bett A Bett B den Schritten 6 bis 9 für das Wiederaufdrücken des Betts und die Verdrängung von Coproduktsauerstoff daraus unterliegt. Ebenso unterliegt Bett B den Schritten 1 bis 4 der erwähnten PSA-Verfahrensabfolge, während Bett A dessen Schritten 6 bis 9 unterliegt.
Während die Erfindung in geeigneter Weise in einem Zweibett-PSA-System, wie oben beschrieben, ausgeführt werden kann, versteht es sich, daß die Erfindung, falls gewünscht, in PSA-Systemen mit drei oder mehr Adsorberbetten ausgeführt werden kann. In solchen Fällen wird die gewünschte Verfahrensabfolge so ausgeführt, daß Produktstickstoff kontinuierlich gewonnen und zu dem Stickstoffspeichertank oder zu einem anderen Bett für Sauerstoff-Verdrängungszwecke geleitet wird, mit Ausnahme der Abschaltschritte entsprechend den Schritten 5 und 10 des veranschaulichenden Zyklusses, wobei während der Zeitdauer dieser Schritte die Kompressor/Vakuumpumpenanordnung nicht belastet ist, und Veränderungen in der Stickstoftverwendung werden mittels der Prozeßcomputer/Steuer-Anordnung bestimmt.
Für den Fachmann versteht es sich, daß verschiedene Modifikationen bei den Details der Erfindung ausgeführt werden können, ohne daß von dem Rahmen der Erfindung, wie er in den Ansprüchen festgelegt wird, abgewichen wird. Somit kann jedes geeignete, kommerziell erhältliche Gleichgewichts-Adsorptionsmittelmaterial in der Praxis der Erfindung verwendet werden, welches Stickstoff als leichter adsorbierbare Komponente von Einsatzluft selektiv adsorbieren kann. Bevorzugte Adsorptionsmittel schließen zeolithische Molekularsiebe, wie beispielsweise die Zeolithe vom Typ "X", z.B. 13X, einschließlich solcher Adsorptionsmittel-Materialien ein, welche mit monovalenten Kationen, vorzugsweise Lithium, ausgetauscht sind, oder kaustisch aufgeschlossenen Materialien vom Typ "X".
Während das Verfahren gemäß der Erfindung insbesondere im Hinblick auf die veranschaulichende Ausführungsform mit Verwendung einer bestimmten Entspannungs-, Evakuierungs-, Wiederaufdrück- und Rückflußabfolge beschrieben wurde, versteht es sich, daß auch jede andere Verfahrensabfolge verwendet werden kann, die für eine Abfolge von Adsorption bei höherem Druck - Desorption bei niedrigem Druck mit geeignetem Abschalten zur Überwachung von Anderungen in dem Stickstoffverwendungsbedarf sorgen kann. Während zwei Abschaltschritte in der veranschaulichenden Verfahrensabfolge eingeschlossen sind, kann die Erfindung in Prozeßzyklen ausgeführt werden, welche einen oder mehrere solcher Abschaltschritte einschließen, in welchen Veränderungen in dem Stickstoffprodukt-Verwendungsbedarf bestimmt werden. Mittels der Aufnahme von mehr als einem solcher Abschaltschritte in jedem Prozeßzyklus kann das Steuerverfahren präziser verwendet werden, um den Energieverbrauch zu verringern und wesentliche Energieeinsparungen beim Betrieb des PSA-Verfahrens und -Systems gemäß der Erfindung zu erreichen.
Die in der Praxis der Erfindung verwendete Prozeßcomputer/Steuereinheit kann eine beliebige herkömmliche kommerziell erhältliche Einheit sein, einschließlich eines herkömmlichen Signalgebers, der programmiert ist, um ein Ausgangssignal auszusenden, um das Überleiten von Gasen zu und von Betten A und B in Abhängigkeit von Veränderungen im Stickstoffbedarf, wie sie mittels Messung der Gasmenge in dem Stickstoffspeichertank, d.h. mittels Volumenmessungen, bestimmt wurden, und dem Aussenden eines darauf basierenden Eingangssignals zu der Prozeßcomputer/Steuereinheit zu steuern. Wie oben erwähnt, werden die einzelnen Verfahrensschrittdauern und die gesamte PSA-Zyklusdauer variiert, um die Erzeugung von Stickstoffprodukt an dessen Bedarf in effizienter Weise anzupassen. Eine konstante Stickstoffproduktreinheit und ein konstanter Stickstoffproduktdruck werden auf effektive Weise aufrecht erhalten, während die Betriebskosten mittels der Verringerung des Energieverbrauchs der verwendeten Kompressor/Vakuumanordnung mittels des Veränderns der Lastzeitanteile dieser Kompressor/Vakuumanordnung in Abhängigkeit von Veränderungen des Bedarfs an Produktstickstoff verringert werden. Die Erfindung ermöglicht es somit, daß die Zyklusschrittdauern zwischen den Zeiten, die für die gewünschte Verfahrensabfolge bei dem Betrieb des PSA- Systems bei Auslegungsbetriebsbedingungen anwendbar sind, und den Zeiten, die bei Bedingungen verringerten Bedarfs anwendbar sind, eingestellt werden, während ein gewünschter Stickstoffproduktreinheitsgrad aufrecht erhalten wird und wesentliche Energieeinsparungen durch die Verringerung des Energieverbrauchs während Bedingungen verringerten Bedarfs erzielt werden.
Das PSA-Verfahren- und -System zur Luftzerlegung kann allgemein verwendet werden, um hochreinen Stickstoff im Bereich von etwa 97 bis 99.9 % und Sauerstoffcoprodukt im Reinheitsbereich von 30 bis 90 %, am typischsten im Bereich von 60 bis 80 %, herzustellen. Der Zyklus mit Adsorption bei höherem Druck und Desorption bei niedrigerem Druck wird wünschenswerterweise zwischen einem oberen Adsorptionsdruck in der Größenordnung von etwa 0 bis 15 psig und einem unteren Desorptionsdruck im subatmosphärischen Bereich, typischerweise etwa 2 bis 8 psia, betrieben, obschon andere Druckpegel ebenso verwendet werden können.
Es versteht sich, daß eine geeignete Temperatursteueranordnung verwendet werden kann, um sicherzustellen, daß die Temperaturen gesteuert werden, um die Aufrechterhaltung gewünschter Adsorptionsbettbedingungen zu gewährleisten und konsistente interne Gasdurchflußraten in dem PSA-System zu erlauben.
Das Abschalten kann in der Praxis der Erfindung basierend auf den Auslegungsdurchflußbedingungen in dem PSA-System auf einem 5 bis 10 %-Pegel erfolgen. Als typische Effizienzen für Abschaltbedingungen wurden Effizienzen in der Größenordnung von 100 % Durchfluß bei 100 % Leistung und 20 % Durchfluß bei 30 - 40 % Leistung beobachtet. Während längerer Perioden ohne Bedarf an Produktstickstoff wurden Produktreinheiten günstigerweise mittels des automatischen periodischen Betriebs des PSA-Systems bei einem Lastzeitanteil von 5 bis 10 % aufrechterhalten. Während dieser Zeitdauer gewonnenes Stickstoffgas kann entweder als Rückfluß- oder Verdrängungsgas verwendet werden, oder, falls gewünscht, kann es aus dem System entlüftet werden.
Der Stickstoffspeichertank erhält allgemein nasses Stickstoffproduktgas, wobei eine Leitungsanordnung vorgesehen ist, um ein Ablassen von sich ansammelndem Wasser aus dem System zu erlauben. Stickstoff, der aus Dichtungsverlusten, Instrumentenverwendung und Rückflußgas-Rückführung gewonnen wird, kann durch eine geeignete Leitungsanordnung zu dem Stickstoffspeichertank zurückgeführt werden, wodurch unerwünschte Verluste an Produktstickstoff beim Gesamtbetrieb des PSA-Systems minimiert werden. Die Prozeßcomputer/Steueranordnung paßt sich automatisch an solche Veränderungen in der Gasspeicherung an, wie sie mittels Eingangssignalen von dem Gasspeicherbestandssteuergerät bestimmt werden. Während der Stickstoffspeichertank ein fester Volumenbehälter sein kann, ist es günstig, für Zwecke der Erfindung einen Stickstoffspeichertank mit variablem Volumen zu verwenden. Zu diesem Zweck kann eine flexible Einlage in den Gasspeicherbehälter eingesetzt werden, welche für eine Volumenänderung in Abhängigkeit von dem Volumen des in dem Behälter vorhandenen Gases geeignet ist. Solch eine Einlage kann aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise faserverstärktem Polymermaterial, mit gewünschten Festigkeits- und Permeabilitätseigenschaften bei den beabsichtigten Betriebsbedingungen gefertigt sein.
Die Erfindung sorgt für eine hoch wünschenswerte und nützliche Verbesserung in der PSA- Technologie zur Luftzerlegung. Dadurch, daß sie ermöglicht, daß PSA-Verfahren und -Systeme während Zeiten verringerten Produktstickstoffbedarfs unter Abschaltbedingungen effizient betrieben werden können, ermöglicht die Erfindung, daß sich die PSA-Technologie auf effektivere Weise den variablen Bedartbedingungen anpaßt, die oft bei praktischen industriellen Anwendungen für hochreinen Stickstoff und Coproduktsauerstoff auftreten.

Claims

1. Druckwechseladsorptionsverfahren für die Herstellung von Stickstoffprodukt zur Abgabe für eine Benutzung mit variablem Bedarf unter Erzeugung von Coproduktsauerstoff, wobei die Produkte in einem Druckwechseladsorptionssystem erzeugt werden, das mindestens zwei Adsorberbetten aufweist, die Stickstoff als die leichter adsorbierbare Komponente von Einsatzluft selektiv adsorbieren können, wobei jedes Bett auf zyklischer Basis eine Arbeitsabfolge durchläuft, bei der dem Bett Einsatzluft für die selektive Adsorption von Stickstoff bei einem oberen Adsorptionsdruck zugeführt wird und das Bett für eine Desorption von Stickstoff und dessen Gewinnung von dem Bett auf einen unteren Desorptionsdruck entspannt wird, wobei die Verbesserung darin besteht, daß:

(a) der gewonnene Stickstoff einem Stickstoffspeicherbehälter zur Abgabe für eine stromabwärtige Benutzung des Stickstoffes mit variablem Bedarf zugeleitet wird;

(b) eine Abschaltperiode in der Adsorptions-Desorptions-Arbeitsabfolge in jedem Bett vorgesehen wird, während deren kein Gas dem Bett zugeleitet oder aus dem Bett abgezogen wird, wobei die Abschaltperiode in jedem Bett zur gleichen Zeit auftritt;

(c) der Stickstoffspeicherbehälter während der Abschaltperiode überwacht wird, um Anderungen des Stickstoffbedarfs zu bestimmen;

(d) die Gesamtzyklusdauer und individuelle Arbeitsschrittdauer für die Arbeitsabfolge zwischen den für die Herstellung von Stickstoff mit einem gewünschten Reinheitsgrad bei Auslegungsbetriebsbedingungen geltenden Zeiten und den Zeiten für die Herstellung von Stickstoff mit im wesentlichen dem gleichen Reinheitsgrad unter verminderten Bedarfsbedingungen eingestellt werden; und

(e) der Energieverbrauch des Druckwechseladsorptionssystems in Abhängigkeit von den verminderten Bedarfsbedingungen herabgesetzt wird,

wodurch das Verfahren für die Herstellung von Stickstoffprodukt konstanter Reinheit unter variablen Bedarfsbedingungn bei einer signifikanten Herabsetzung des Energieverbrauchs während eines Betriebs mit vermindertem Bedarf betrieben werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Stickstoffspeicherbehälter ein Behälter mit variablem Volumen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Stickstoffprodukt in einem Zweibett-Druckwechseladsorptionssystem erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Stickstoffprodukt in einem Zweibett-Druckwechseladsorptionssystem erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Abfolge von oberem Adsorptionsdruck - unterem Desorptionsdruck in jedem Bett zwei Abschaltperioden aufweist, von denen die eine vor dem Beginn des Wiederaufdrückens jedes Bettes von seinem unteren Desorptionsdruck und die andere vor dem Entspannen des Bettes von seinem oberen Adsorptionsdruck liegt, wobei die Abschaltperiode vor dem Wiederaufdrücken in einem Bett zeitlich mit der Abschaltperiode vor dem Entspannen in dem anderen Bett zusammenfällt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der untere Desorptionsdruck einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Desorptionsdruck einschließt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der untere Desorptionsdruck einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Desorptionsdruck einschließt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der untere Desorptionsdruck einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Desorptionsdruck einschließt.

9. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Arbeitsabfolge in jedem Bett die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

(a) Entspannen von dem oberen Adsorptionsdruck auf einen Zwischendruckwert bei Abziehen von Stickstoff von dem Einsatz-Produkt-Ende des Bettes;

(b) Evakuieren des Bettes auf einen unteren, unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck bei weiterem Abziehen von Stickstoff von dem Einsatz-Produkt-Ende des Bettes;

(c) fortgesetztes Evakuieren des Bettes auf einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Desorptionsdruckwert;

(d) Spülen durch Zuführen von Beiprodukt-Sauerstoff zu dem Spül-Austrag-Ende des Bettes bei Abziehen von zusätzlichen Mengen an Stickstoff von dem Einsatz-Produkt-Ende des Bettes;

(e) Abschalten, währenddessen kein Gas dem Bett zugeleitet oder aus dem Bett abgezogen wird;

(f) Wiederaufdrücken des Bettes von seinem unteren Desorptionsdruck auf einen Zwischendruck durch Zuleiten von Beiprodukt-Sauerstoff zu dem Spül-Austrag- Ende des Bettes;

(g) weiteres Wiederaufdrücken von dem Zwischendruck auf den oberen Adsorptionsdruck durch Zuleiten von Einsatzluft zu dem Einsatz-Produkt-Ende des Bettes, wobei in der Einsatzluft vorhandener Stickstoff von dem Adsorberbett selektiv adsorbiert wird;

(h) Rücklaufbetrieb des Bettes durch Zuleiten von Stickstoff zu dem Einsatz-Produkt- Ende des Bettes, um nicht adsorbierten Sauerstoff von dem Spül-Austrag-Ende des Bettes zu verdrängen;

(i) weiterer Rücklaufbetrieb des Bettes und Zuleiten von Beiprodukt-Sauerstoff zu einem Sauerstoffspeicherbehälter; und

(j) Abschalten, währenddessen kein Gas dem Bett zugeleitet oder aus dem Bett abgezogen wird, wobei der Schritt (i) in einem Bett mit dem Schritt (j) in dem anderen Bett zeitlich zusammenfallt.

10. Druckwechseladsorptionssystem für die Herstellung von Stickstoffprodukt zur Abgabe für eine Benutzung mit variablem Bedarf unter Erzeugung von Beiprodukt-Sauerstoff, wobei das System mindestens zwei Adsorberbetten aufweist, die Stickstoff als die leichter adsorbierbare Komponente von Einsatzluft selektiv adsorbieren können, wobei jedes Bett auf zyklischer Basis eine Arbeitsabfolge durchläuft, bei der dem Bett Einsatzluft für die selektive Adsorption von Stickstoff bei einem oberen Adsorptionsdruck zugeführt wird und das Bett für eine Desorption von Stickstoff und dessen Gewinnung von dem Bett auf einen unteren Desorptionsdruck entspannt wird, mit:

(a) einem Stickstoffspeicherbehälter zur Abgabe von in dem System gewonnenem Stickstoffprodukt bei einem konstanten Reinheitswert für eine stromabwärtige Benutzung des Stickstoffs mit variablem Bedarf;

(b) einer Abschaltanordnung zum Unterbrechen der Adsorptions-Desorptions-Arbeitsabfolge in jedem Bett derart, daß während der Abschaltperiode kein Gas dem Bett zugeleitet oder aus dem Bett abgezogen wird, wobei die Abschaltperiode in jedem Bett zur gleichen Zeit auftritt;

(c) einer Überwachungsanordnung zum Bestimmen des Stickstoffvolumens in dem Stickstoffspeicherbehälter sowie von Anderungen des Stickstoffbedarfs;

(d) einer Steueranordnung zum Einstellen der Gesamtzyklusdauer und individueller Arbeitsschrittdauern für die Arbeitsabfolge zwischen den für die Herstellung von Stickstoff mit einem gewünschten Reinheitsgrad bei Auslegungsbetriebsbedingungen geltenden Zeiten und den Zeiten für die Herstellung von Stickstoff mit im wesentlichen dem gleichen Reinheitsgrad unter verminderten Bedarfsbedingungen; und

(e) einer Anordnung zum Herabsetzen des Energieverbrauchs des Druckwechseladsorptionssystems als Antwort auf die verminderten Bedarfsbedingungen, wodurch das System für die Herstellung von Stickstoffprodukt konstanter Reinheit unter variablen Bedarfsbedingungen bei einer signifikanten Herabsetzung des Energieverbrauchs während eines Betriebes mit vermindertern Bedarf betrieben werden kann.

11. System nach Anspruch 10, bei dem der Stickstoffspeicherbehälter ein Behälter mit variablem Volummen ist.

12. System nach Anspruch 10, bei dem das System zwei Adsorberbetten aufweist.

13. System nach Anspruch 11, bei dem das System zwei Adsorberbetten aufweist.

14. System nach Anspruch 10, bei dem die Abschaltanordnung für zwei Abschaltperioden sorgen kann, von denen die eine vor dem Beginn des Wiederaufdrückens jedes Bettes von seinem unteren Desorptionsdruck und die andere vor dem Entspannen des Bettes von seinem oberen Adsorptionsdruck liegt, wobei die Abschaltperiode vor dem Wiederaufdrücken in einem Bett mit der Abschaltperiode vor dem Entspannen in dem anderen Bett zeitlich zusammenfällt.

15. System nach Anspruch 10 mit einer Vakuummanordnung zum Entspannen der Betten auf einen unter dem Atmosphärendruck liegenden unteren Desorptionsdruck.

16. System nach Anspruch 14, bei dem der Stickstoffspeicherbehälter ein Behälter mit variablem Volumen ist und das System zwei Adsorberbetten aufweist.