DE102008007929A1

DE102008007929A1 - Adsorptionsverfahren

Info

Publication number: DE102008007929A1
Application number: DE200810007929
Authority: DE
Inventors: Werner Leitmayr
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-08-13
Also published as: WO2009098053A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches (Einsatzgas) mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens, wobei wenigstens eine Komponente des Einsatzgases während der Adsorptionsphase bevorzugt adsorbiert und während der Regenerierphase gewonnen wird, beschrieben. Erfindungsgemäß wird der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom zumindest teilweise und zumindest so lange in das Einsatzgas zurückgeführt, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgassstrom einen definierten Wert überschreitet, ein definiertes Druckniveau beim Regenerieren erreicht ist, eine definierte Menge des Restgasstromes zurückgeführt ist oder ein definiertes Zeitintervall seit Beginn der Regenerierphase verstrichen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches (Einsatzgas) mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens, wobei wenigstens eine Komponente des Einsatzgases während der Adsorptionsphase bevorzugt adsorbiert und während der Regenerierphase gewonnen wird.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Druckwechsel-Adsorptionsverfahren bekannt. Diese dienen dazu, ein wenigstens zweikomponentiges Gasgemisch in seine Bestandteile aufzutrennen bzw. aus einem derartigen Gasgemisch eine oder mehrere Komponenten zu entfernen. Grundsätzlich gilt, dass mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens zwei Austrittsströme bzw. -fraktionen erzeugt werden, wobei einer dieser Ströme die sog. bevorzugte Komponente in möglichst reiner Form enthält; diese stellt im Regelfall die Produktkomponente dar. Während einer der beiden Austrittsströme bei annähernd dem Druck des Roh- bzw. Einsatzgases anfällt – dieser Austrittsstrom liegt auf der sog. Hochdruckseite des Adsorptionsverfahrens vor –, weist der zweite Austrittsstrom, der auf der sog. Niederdruckseite des Adsorptionsverfahrens vorliegt, im Regelfall einen deutlich geringeren Druck auf.
Bei einer Vielzahl der aus dem Stand der Technik bekannten Druckwechsel-Adsorptionsverfahren wird die bevorzugte Komponente auf der Hochdruckseite gewonnen. Bei derartigen Druckwechsel-Adsorptionsverfahren macht es oftmals Sinn, den auf der Niederdruckseite anfallenden Restgasstrom, der geringe Mengen der bevorzugten Komponente enthält, zumindest teilweise in das Einsatzgas zurückzuführen. Diese Verfahrensweise führt zu einer Erhöhung der Ausbeute der bevorzugten Komponente.
Bei denjenigen Druckwechsel-Adsorptionsverfahren, bei denen die bevorzugte Komponente auf der Niederdruckseite und damit während der Regenerierphase des Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens anfällt, sind bisher keine Verfahrensweisen bekannt, bei denen eine Rückführung eines Teilstromes des auf der Niederdruckseite abgezogenen Gasstromes vor das Adsorptionsverfahren realisiert wird.
Bei gattungsgemäßen Druckwechsel-Adsorptionsverfahren wird ein Adsorber während der Adsorption mit Rohgas beschickt. Dabei wird die bevorzugte Produktkomponente adsorbiert und gelangt nur zu einem geringen Anteil auf die Adsorber-Austrittsseite. Ist das Adsorptionsvermögen des Adsorbers erschöpft, wird er optional einer mehrstufigen Entspannung unterworfen, bei der das aus dem Adsorber abströmende Gas in anderen Adsorbern oder einem Pufferbehälter aufgefangen wird. Das aus dem Adsorber abströmende Gas wird aber zu keiner der Austrittsseiten unmittelbar geleitet. Das Gesamtsystem – bestehend aus mehreren Adsorbern und ggf. einem Pufferbehälter – wird daher nicht von adsorbierten Komponenten befreit, und damit regeneriert, sondern es erfolgt lediglich eine Umverteilung innerhalb des Systems. Nach der optionalen Phase der Entspannung wird ein Adsorber regeneriert. Darunter ist zu verstehen, dass Gas die Gesamtheit aller Adsorber (und ggf. des Pufferbehälters) verlässt und in Richtung Niederdruck-Austrittsseite strömt. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass innerhalb des Adsorbers der Druck weiter abgesenkt wird. Der gespeicherte Inhalt der bevorzugten Produktkomponente(n) eines in Regenerierung befindlichen Adsorbers wird somit reduziert. Ein Abströmen des Gases kann dabei über die Ein- oder Austrittsseite des Adsorbers erfolgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens anzugeben, das bei Verfahren, bei denen die bevorzugte Komponente auf der Niederdruckseite eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens gewonnen wird, eine Erhöhung der Ausbeute und/oder der Reinheit dieser bevorzugten Komponente ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom zumindest teilweise und zumindest so lange in das Einsatzgas zurückgeführt wird, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgasstrom einen definierten Wert überschreitet, ein definiertes Druckniveau beim Regenerieren erreicht ist, eine definierte Menge des Restgasstromes zurückgeführt ist oder ein definiertes Zeitintervall seit Beginn der Regenerierphase verstrichen ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

– der in das Einsatzgas zurückgeführte Restgas(teil)strom zumindest teilweise vor seiner Rückführung zwischengespeichert wird, der in das Einsatzgas zurückgeführte Restgas(teil)strom zumindest auf den Druck des Einsatzgases-verdichtet wird,
– eine Rückführung des Restgas(teil)stromes zumindest so lange erfolgt, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgasstrom wenigstens 99%, vorzugsweise wenigstens 95%, insbesondere wenigstens 80% der geforderten Produktkonzentration beträgt,
– das Einsatzgas ein CO/H₂-, ein H₂/CO₂-, ein C₂H₄/C₂H₆- oder ein C₃H₆/C₃H₈-Gemisch oder ein aus den Komponenten H₂, CO, CH₄, N₂, CO₂ und H₂O oder N₂, O₂, Ar und H₂O bestehendes Gemisch ist und CO, CO₂, C₂H₄, C₃H₆ bzw. O₂ die bevorzugt adsorbierte Komponente darstellt und
– auch nach Überschreiten des definierten Wertes, nach Erreichen des definierten Druckniveaus beim Regenerieren, nach Erreichen der definierten Menge des Restgasstromes oder nach Ablauf des definierten Zeitintervalls zumindest ein Teilstrom des während der Regenerierphase gewonnenen, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltenden Restgasstromes in das Einsatzgas erfolgt.

Erfindungsgemäß wird nunmehr der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom – der die eigentliche Produktfraktion darstellt – nicht mehr unmittelbar seiner weiteren Verwendung zugeführt, sondern zumindest solange, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgasstrom einen definierten Wert erreicht bzw. überschreitet, in das Einsatzgas zurückgeführt. Die Festlegung des definierten (Grenz)Wertes wird sich hierbei an der von dem Abnehmer geforderten Qualität des Produktgasstromes orientieren. Diese Rückführung von Restgas mit "mangelnder Qualität" vermeidet die Verunreinigung des Produkts mit unerwünschten Komponenten, was im Durchschnitt eine Erhöhung der Produktqualität zur Folge hat Darüber hinaus führt eine Rückführung zu einer Erhöhung der Konzentration der bevorzugt zu adsorbierenden Komponente im Einsatzgas, woraus in der Folge eine Erhöhung der maximalen Reinheit der bevorzugt adsorbierte Komponente in dem auf der Niederdruckseite des Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens abgezogenen Restgasstrom resultiert.
Im Regelfall wird vor Erreichen des definierten Grenzwertes der gesamte Restgasstrom in das Einsatzgas zurückgeführt werden. Es sind jedoch Szenarien denkbar, bei denen eine nur teilweise Rückführung des die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltenen Restgasstromes zweckmäßig sein kann. Beispielhaft genannt hierfür seien Verfahrensweisen, bei denen der nicht in das Einsatzgas zurückgeführte Teilstrom des Restgases zum Zwecke des Druckausgleiches zwischen zwei oder mehreren Adsorbern einem oder mehreren (anderen) Adsorbern zugeführt wird.
Der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom kann ferner zumindest teilweise und zumindest so lange in das Einsatzgas zurückgeführt werden, bis ein definiertes Druckniveau beim Regenerieren erreicht ist, eine definierte Menge des Restgasstromes zurückgeführt ist oder ein definiertes Zeitintervall seit Beginn der Regenerierphase verstrichen ist.
Die beiden letztgenannten Alternativen werden durch immer realistischere Simulationsprogramme möglich, die im Vergleich zu einer Konzentrationsmessung regelungstechnisch einfachere Mengen- bzw. Zeitmessungen und -steuerungen ermöglichen.
Zur Vergleichmäßigung des Stroms und der Zusammensetzung der in das Einsatzgas zurückgeführten Restgasstrommenge ist es von Vorteil, wenn ein Zwischenspeicherbehälter in der Rückführleitung vorgesehen ist. Mittels dieser Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass die dem Druckwechsel-Adsorptionsverfahren zugeführte Einsatzgasmenge über die Zeit konstant ist. Der in das Einsatzgas zurückgeführte Mengenstrom kann auch ausschließlich durch eine Durchflussregelung konstant gehalten werden.
Die vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahrensweise schließt jedoch nicht aus, dass ggf. auch dann noch ein Restgasteilstrom in das Einsatzgas zurückgeführt wird, wenn der definierte Grenzwert bereits überschritten wurde.
Im Regelfall wird der Einsatzgasstrom vor seiner Zuführung in den Druckwechsel-Adsorptionsprozess einer Verdichtung unterworfen. Dies ist erforderlich, da die Adsorption typischerweise bei einem Druck zwischen 2 und 30 bar erfolgt, der Einsatzgasstrom jedoch oftmals nur unter einem niedrigen Druck vorliegt. Häufig beginnt die Regenerierphase des Adsorbers bereits bei einem Druckniveau, das über dem Druck des unverdichteten Einsatzgasstrom liegt. Ein Restgas(teil)strom welcher in dieser Phase der Regenerierung in das Einsatzgas zurückgeführt werden soll, kann durch einfache Entspannung, ohne den Einsatz eines zusätzlichen Verdichters, zurückgeführt werden. Oftmals wird nur in dieser Phase Restgas zurückgeführt und somit das Ende der Rückführung nicht über die erreichte Konzentration der bevorzugten Komponente bestimmt, sondern über das Druckniveau beim Regenerieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens ermöglicht nicht nur höhere Reinheiten und Ausbeuten bzgl. der bevorzugt adsorbierten Komponente, sondern auch in Einzelfällen eine Reduzierung des spezifischen Energieverbrauches, insbesondere im Teillastbetrieb des Gesamtsystems.

Claims

Verfahren zum Zerlegen eines wenigstens zweikomponentigen Gasgemisches (Einsatzgas) mittels eines Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens, wobei wenigstens eine Komponente des Einsatzgases während der Adsorptionsphase bevorzugt adsorbiert und während der Regenerierphase gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der während der Regenerierphase gewonnene, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltende Restgasstrom zumindest teilweise und zumindest so lange in das Einsatzgas zurückgeführt wird, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgasstrom einen definierten Wert überschreitet, ein definiertes Druckniveau beim Regenerieren erreicht ist, eine definierte Menge des Restgasstromes zurückgeführt ist oder ein definiertes Zeitintervall seit Beginn der Regenerierphase verstrichen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in das Einsatzgas zurückgeführte Restgas(teil)strom zumindest teilweise vor seiner Rückführung zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in das Einsatzgas zurückgeführte Restgas(teil)strom zumindest auf den Druck des Einsatzgases verdichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung des Restgas(teil)stromes zumindest so lange erfolgt, bis der Gehalt der bevorzugt adsorbierten Komponente in dem Restgasstrom wenigstens 99%, vorzugsweise wenigstens 95%, insbesondere wenigstens 80% der geforderten Produktkonzentration beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzgas ein CO/H₂-, ein H₂/CO₂-, ein C₂H₄/C₂H₆- oder ein C₃H₆/C₃H₈-Gemisch oder ein aus den Komponenten H₂, CO, CH₄, N₂, CO₂ und H₂O oder N₂, O₂, Ar und H₂O bestehendes Gemisch ist und CO, CO₂, C₂H₄, C₃H₆ bzw. O₂ die bevorzugt adsorbierte Komponente darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auch nach Überschreiten des definierten Wertes, nach Erreichen des definierten Druckniveaus beim Regenerieren, nach Erreichen der definierten Menge des Restgasstromes oder nach Ablauf des definierten Zeitintervalls zumindest ein Teilstrom des während der Regenerierphase gewonnenen, die bevorzugt adsorbierte Komponente enthaltenden Restgasstromes in das Einsatzgas erfolgt.