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DE1280225B - Verfahren zur Trennung eines Sauerstoff-Stickstoff-Gasgemisches in seine Bestandteile - Google Patents

Verfahren zur Trennung eines Sauerstoff-Stickstoff-Gasgemisches in seine Bestandteile

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Publication number
DE1280225B
DE1280225B DE1961U0008299 DEU0008299A DE1280225B DE 1280225 B DE1280225 B DE 1280225B DE 1961U0008299 DE1961U0008299 DE 1961U0008299 DE U0008299 A DEU0008299 A DE U0008299A DE 1280225 B DE1280225 B DE 1280225B
Authority
DE
Germany
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line
gas
nitrogen
adsorber
oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE1961U0008299
Other languages
English (en)
Inventor
Robert Paul Hamlen
Kazuo Kiyonaga
Douglas William Mckee
Henry William Mcrobbie
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US73029A external-priority patent/US3140931A/en
Priority claimed from US73215A external-priority patent/US3140932A/en
Priority claimed from US73216A external-priority patent/US3140933A/en
Application filed by Union Carbide Corp filed Critical Union Carbide Corp
Publication of DE1280225B publication Critical patent/DE1280225B/de
Pending legal-status Critical Current

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
Deutsche Kl.:
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
COIb
BOId
12 i-13/02
12 e-3/02
P 12 80 225.4-41 (U 8299)
26. August 1961
17. Oktober 1968
Es ist bekannt, ein Sauerstoff und Stickstoff enthaltendes Gasgemisch dadurch in seine Bestandteile zu trennen, daß man es über oder durch ein ruhendes, kristallines, zeolithisches Molekularsieb leitet. Es ist ferner bekannt, daß Natrium-Zeolithe A und X bei 5 — 75°C Stickstoff in höherem Maße absorbieren als Sauerstoff.
Es wurde nun gefunden, daß eine derartige Trennung von im wesentlichen aus Sauerstoff und Stickstoff bestehenden Gasgemischen, insbesondere von Luft, bei einer Temperatur zwischen 0 und -15O0C besonders wirksam durchgeführt werden kann, wenn man ein zeolithisches Material mit einem scheinbaren Porendurchmesser von mindestens 4 Ängströmeinheiten verwendet.
Es wurde ferner gefunden, daß Zeolithe bestimmter Zusammensetzung besonders gut für die Durchführung des Verfahrens geeignet sind. Zeolithe sind bekanntlich Metall-Alumini um-Silicate der aligemeinen Formel
χ Me1O : Al2O3 : y SiO2 : ζ H2O
η
In dieser Forme) bedeutet Me ein Metall und η seine Wertigkeit. Ausgezeichnete Zeolithe für das erfindungsgemäße Verfahren sind solche, bei welchen Me Lithium, Strontium, Barium, Nickel, Calcium, Natrium und/oder Rubidium bedeutet, χ einen Wert von etwa 0,9 ± 0.2, y einen Wert von etwa 2,5 ± 0,5 und ζ einen Weri bis zu etwa 8 hat. Ebenfalls geeignet sind Zeolithe, bei weichen Me Calcium bedeutet, χ einen Wert von etwa 1,0 ± 0,2, y einen Wert von etwa 1,85 ± 0,5 und ζ einen Wert bis zu etwa 6 hat. Derartige Zeolithe sind in den deutschen Patentschriften 1 038 016 und I 038 017 beschrieben. Durch Entwässern dieser Zeolithe lassen sich Molekularsiebe mit. einem scheinbaren Porendurchmesser über 4 Ängström herstellen. Das Entwässern kann in bekannter Weise durchgeführt werden, z. B. durch Erhitzen auf etwa 35O°C im Vakuum oder in einem Luftstrom. In vielen Fällen ist ein vollständiges Entwässern nicht erforderlich, weil während des Verfahrens das Kristallwasser entfernt wird.
Der »scheinbare Porendurchmesser« bedeutet den maximalen Durchmesser von Molekülen, die unter normalen Bedingungen gerade noch von dem in Betracht kommenden Molekularsieb adsorbiert werden. Dieser scheinbare Porendurchmesser ist immer größer als der tatsächliche Durchmesser der Poren.
Für die Durchführung des Verfahrens können natürliche Zeolithe, ζ. B. Chabasit, Erionit oder Faujasit, oder synthetische Zeolithe verwendet wer-Verfahren zur Trennung
eines Sauerstoff-Stickstoff-Gasgemisches
in seine Bestandteile
Anmelder:
Union Carbide Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
6000 Frankfurt, Schneckenhofstr. 27
Als Erfinder benannt:
Robert Paul Hamlen, Scotia, N. Y.;
Kazuo Kiyonaga,
Henry William McRobbie, Buffalo, N, Y.;
Douglas William McKee,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vorn 26. August I960 (52134),
vom 1. Dezember 1960
(73 029),
vom 2. Dezember 1960
(73 215, 73 216)
den. Der Einbau der gewünschten Kationen kann in an sich bekannter Weise durch Ionenaustausch geschehen.
Zeolithische Molekularsiebe der beschriebenen Art haben eine gute Adsorptionsfähigkeit für Gemische aus Stickstoff und Sauerstoff und eine hohe Selektivität. In der nachstehenden Tabelle sind einige Werte enthalten. Die erste Spalte dieser Tabelle gibt die Art des Kations an, die zweite Spalte in Prozent den Grad des Austausches de? ursprünglichen Kations gegen das im Molekularsieb enthaltene. Die dritte Spalte gibt die Adsorptionsfalugkeit je Gramm des aktivierten Zeoliths in Millilitern eines Gemisches aus 25% Sauerstoff und 75% Stickstoff, berechnet auf normalen Druck und normale Temperatur. Die vierte Spalte enthält den Trennfaktor, der nach der folgenden Formel berechnet wird:
adsorbiert
[O2] adsorbiert
[O2] Gas
[N2] Gas
809 627/1402
Hierbei bedeuten [N2] und [O2] die Konzentrationen der Gase in Volumprozent in den beiden Phasen, 'in allen Fällen wurde ein Gemisch aus 25 Volumprozent Sauerstoff und 75 Volumprozent Stickstoff bei einem Gesamtdruck von 1 Atmosphäre und einer Temperatur von —78 0C untersucht.
Adsorptions
mittel		 Austauschgrad • Adsorptions
fähigkeit		 Trennfaktor
% ml
Mg++X 56 50,1 2,4
Ca++X 96 37,8 3,5
Li+X 86 111,8 7,6
Sr++X 96 52,7 • 8,6
Ba++X • 85 62,7 15,8
Cs+X 50 26,3 1,5
Ni++X 38 41,6 6,2
Rb^X 56 30,0 3,5
Ca++A 80 116,0 4,4
Na+X 100 72,4 4,9
K+X 100 58,7 2,2
IO
15
20
Temperatur Adsorptionsfähigkeit Trennfaktor
ml ■
-95 4,9 103
-78 5,5 86,7
-45 6,0 44,5
-32 6,6' 37,0
0 6,8 20,0
Die nachstehende weitere Tabelle zeigt die Abhängigkeit der Adsorptionsfähigkeit und des Trennfaktors von der Temperatur bei Verwendung eines Lithiumzeoliths zur Trennung eines Gemisches aus 20% Sauerstoff und 80°/0 Stickstoff bei einem Gesamtdruck von 1 Atmosphäre.
35
40
Aus der Tabelle geht hervor, daß der Trennfaktor mit steigender Temperatur abnimmt.
Bei der Durchführung des Verfahrens bringt ein höherer Trennfaktor den Vorteil mit sich, daß man zur Erzeugung einer bestimmten Menge von Sauerstoff bestimmter Reinheit eine ,geringere Menge an Adsorptionsmaterial braucht.
Obwohl man das Verfahren der Erfindung bei Temperaturen zwischen 0 und -1500C durchführen kann, empfiehlt es sich in den meisten Fällen, zwischen -30 und -500C zu arbeiten. Hierbei muß berücksichtigt werden, daß während der Adsorption und Desorption Temperaturschwankungen von etwa 20uC stattfinden können. Will man daher bei einer GleichgewichtstemperVur von etwa -30°C arbeiten, so sollte das eintretende Gasgemisch auf etwa -5O0C vorgekühlt werden. Ein Temperaturbereich zwischen -30 und -5O0C bringt den Vorteil mit sich, daß die Molekularsiebe nicht durch häufiges Erwärmen und Abkühlen und damit verbundene Expansion und Kontraktion abgenutzt werden, daß als Apparaturmaterial gewöhnlicher Stahl verwendet werden kann, der bei diesen Temperaturen noch nicht brüchig wird, und daß keine großen 'Aufwendungen für die Aufrechterhaltung sehr tiifer Temperaturen erforderlich sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann einstufig oder mehrstufig durchgeführt werden. Beim zweistufigen Verfahren empfiehlt es sich, zur Kühlung in der ersten Verfahrensstufe die gekühlte Füllung eines Rekuperators zu verwenden und den Rekuperator mittels des bei der Desorption aus dem zeolithischen Material erhaltenen Stickstoffs zu kühlen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß der Kontakt zwischen dem Gasgemisch und dem zeolithischen Material abwechselnd in zwei getrennten Zonen stattfindet. Hierbei wird in einer Zone adsorbiert, während gleichzeitig die andere Zone regeneriert wird.
In allen Fällen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das zu trennende Gasgemisch vor der Berührung mit dem zeolithischen Material von außen her auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb der Raumtemperatur liegt.
Die Zeichnungen zeigen beispielsweise einige Ausführungsformen des Verfahrens.
Nach F i g. 1 wird ein Sauerstoff und Stickstoff enthaltendes Gas, beispielsweise Luft, der Leitung 10 bei Raumtemperatur und einem ersten höheren Druck zugeführt, durch ein Kompressorumkehrventil 12 geleitet und dann dem Speisegaskühler 14 zugeführt, wo es im Gegenstrom unter Wärmeaustausch bei etwa 10 bis 400C mit dem Sauerstoff enthaltenden Endgas in der Leitung 16 tritt, wenn ein solches Gas gewonnen wird. Vom Kühler 14 aus gelangt das Gas in die Leitung 18 und über eines der beiden Einlaßventile 20 zu Trockenvorrichtungen 22, wo in ihm enthaltene Feuchtigkeit entfernt wird.
Diese Trocknung ist erforderlich für die beste Wirksamkeit des Adsorbers. Bei Feuchtigkeitsgehalten von einigen Teilen je Million oder weniger können die Stickstoff-Adsorber gemäß dem vorliegenden Verfahren bei Temperaturen unterhalb 0°C während eines Jahres oder langer kontinuierlich betrieben werden. Eine Erhöhung der' Temperatur bei der Regenerierung des Adsorbers, eine Steigerung der Spülgasmenge und eine Erhöhung des Druckes beim Adsorbieren im Vergleich zum Regenerieren steigern die Wirksamkeit der Regenerierung und verlängern daher die Betriebsdauer, ehe eine Entwässerung des Adsorbers erforderlich wird.
Die Regenerierung der Trockner kann erfolgen, indem ein Spülgas, beispielsweise Heißluft, über die Leitung 24 und eines der Einlaßventile 26 eingeleitet und durch die außer Betrieb gesetzte Trockenvorrichtung 22 hindurchgeführt wird. Das abziehende feuchtigkeitshaltige Spülgas wird durch eines der Ventile 28 aus der Trockenvorrichtung 22 abgelassen und vorzugsweise über das Ventil 30 in der Leitung 32 aus dem System abgezogen.
Das getrocknete Speisegas wird von einer der beiden Trockenvorrichtungen 22 und den Ventilen 34 zur Leitung 36 abgegeben und gelangt in den Wärmeaustauscher 38, wo die Adsorptionswärme durch ein entsprechendes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, abgeleitet wird, das durch die Leitung 40 hindurchfließt. Es versteht sich, daß die Anwendung des Wärmeaustauschers 38 für die Durchführung der Erfindung nicht wesentlich ist. Falls in einer gegebenen Anlage die Temperatur des getrockneten Speisegases über der Temperatur des am betreffenden Ort verfügbaren Kühlwassers liegt, wird die Kühlvorrichtung vorzugsweise benutzt, um die Wärmebelastung des Rekuperators und des folgenden Kühlsystems zu
verringern. Das getrocknete Speisegas wird über das Steuerventil 42 dem ersten Rekuperator 44 zugeleitet, der nut einem entsprechenden Kälte speichernden Material, beispielsweise mit Kieselsteinen, Aluminium, Kupfer oder anderen feuerfesten Stoffen, wie AbQi, gefüllt ist. Der Rekuperator 44 wurde zuvor durch Durchleitiing kalten Stickstoffdesorbatgases gekühlt und kann beispielsweise das Speisegas von 20 auf etwa -3O0C kühlen.
Zur Erreichung eines maximalen Wirkungsgrades der Sauerstoff-Stickstoff-Trennung bei tragbarem Kostenaufwand und Kompliziertheit des erforderlichen Kühlsystems zur Gewährleistung fortschreitend niedrigerer Temperaturen, wird die Stickstoff-Adsorption vorzugsweise, jedoch nicht unbedingt, in einem Temperaturbereich von —30 bis -5O0C durchgeführt. Hierfür kann ein Außenkühlsystem mit einem Wärmeaustauscher 46 und einer Leitung 48 vorgesehen sein. Das teilweise gekühlte, aus dem ersten Rekuperator 44 austretende Speisegas wird über die Leitung 45 dem ersten Außenwärmeaustauscher 46 zwecks weiterer Kühlung auf ungefähr —10 bis — 60 C zugeleitet Das Kühlmittel für diese weitere Kühlung wird aufwärts durch die Leitung 48 geführt und kann hierbei beispielsweise verdampft werden. Geeignete Kühlmittel sind Ammoniak, Monohromtrifluormethan, Monochlordifiuormethan und Dichlordifluormethan, wobei letzteres vorzugsweise benutzt wird. Das aus dem oberen Ende der Leitung 48 austretende aufgewärmte Kühlmittel wird über die Leitung 50 und die mit ihr in Verbindung stehende Leitung 52 der Kühlvorrichtung 54 zugeleitet, wo es erneut komprimiert und kondensiert und über die Leitung 56 und die anschließende Zweigleitung 58 zum ersten Außenwärmeaustauscher 46 zurückgeleitet wird.
Das zurückströmende Kühlmittel wird über das Ventil 60 gedrosselt, bevor es in den Austauscher 46 eintritt
Das weitergekühlte Speisegas, das aus dem ersten Außenwnrmeaustauscher 46 mit einer Temperatur von vorzugsweise —40 bis — 500C austritt, wird über die Leitung 60 der Unterseite des ersten Adsorbers 62 zugeführt, der ein entsprechendes kristallines zeolithisches Molekularsiebmaterial mit einer scheinbaren Porengröße von mindestens 4 Ängström enthält. Zu Beginn des Adsorptionsvorganges befindet sich der erste Adsorber 62. auf einem zweiten niedrigeren Druck, da bei der vorhergehenden Regenerierung das Stickstoff-Desorbat aus ihm bei einem derartigen Druck .ibgezogen wurde. Während der Adsorption wird vorzugsweise Stickstoff aus dem Speisegas adsorbiert. Wenn sich der Druck im ersten Adsorber 62 dem Atmosphärendruck nähert, wird das Umgehungsventil 12 geschlossen und der Kompressor 64 angehe-en. Wenn der erste Adsorberdruck einen bestimmten gewünschten Wert, vorzugsweise im Bereich von etwa 1,4 bis 3,5 kg/cm2, z. B. etwa 1,8 kg/cm2, erreicht, wird das Auslaßventil 66 in der Leitung 68 geöffnet, und Sauerstoff enthaltendes Abgas sjröint beispielsweise bei -3O0C durch dieses Ventil sowie durch das Steuerventil 70 hindurch zum Speiseölskühler 14. Das aufgewärmte Abgas wird über die Leitung 72 zum Gasspeicher 74 und dann dem S.iuerstoffkompressor 76 zugeleitet, wo es auf den gewünschten Druck, beispielsweise auf etwa 175 kg/cm-, komprimiert wird. Das komprimierte . Sauerstoff enthaltende Gas von beispielsweise 93% Reinheit wird vom Kompressor 76 in die Leitung 78 zum Verbrauch abgegeben.
Während die Adsorption im ersten Adsorber 62 stattfindet, wird der zweite Adsorber 80 regeneriert, so daß in ihm die Adsorption erfolgen kann, wenn der erste Adsorber hinreichend Stickstoff aufgenommen hat. Hierzu wird der Druck des zweiten Adsorbers 80 zunächst über die Leitung 82, das Umgehungsventil 84 und den zweiten Rekuperator 86 auf praktisch atmosphärischen Druck abgelassen. Auf diese Weise wird der beträchtliche Kältegehalt des Stickstoff-Desorbats von dem Rekuperativmaterial aufgenommen, um später den ankommenden Sauerstoff-Stickstoff-Gasstrom in der oben beschriebenen Weise zu behandeln. Das aus dem unteren Ende des zweiten Rekuperators 86 austretende aufgewärmte Stickstoff-Desorbatgas strömt über die Leitung 88 und das Steuerventil 90 zu der Verbindungsleitung 92, die die Vakuumpumpe 94 umgeht. Die Leitung 92 enthält ein Steuerventil 96 und ein Regelventil 98, und das Stickstoff-Desorbat wird von dort nach außen abgelassen.
Die Vakuumpumpe 94 wird angelassen, wenn der Druck im zweiten Adsorber 80 im wesentlichen bei Atmosphärendruck liegt, und der Adsorber 80 wird dann auf den gewünschten zweiten niedrigeren Druck, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,28 kg/cm2, beispielsweise 0,07 kg/cm2, evakuiert. Da es keinen Vorteil bietet, das Stickstoff-Desorbat durch den zweiten Außenwärmeaustauscher 100 hindurchzuleiten, wird dieser während der Regenerierung vorzugsweise umgangen. Die zum Druckablaß und erneuten Druckaufbau erforderliche Zeit wird auf diese Weise verkürzt.
Der Druckunterschied zwischen Adsorption und Desorption erhöht im allgemeinen die Beladung des zeolithischen Molekularsiebes mit dem adsorbierbaren Bestandteil. Bei der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung kann der Druck auch den Trennfaktor beeinflussen. Weiter ist der wirtschaftliche Kompromiß der Kosten der Kompression des gesamten Speisestromes mit den Kosten des Abzugs des Desorbates zu beachten, das ein kleineres Volumen als das Speisegas hat.
Ist der erste Adsorber 62 mit Stickstoff gefüllt, so können die Gasströme so geschaltet werden, daß der Adsorber 62 regeneriert wird und die Adsorption im zweiten Adsorber 80 weiterläuft. Dies kann geschehen, da die betreffenden Adsorber 62 und 80, die Außenwärmeaustauscher 46 und 100 sowie die Rekuperatoren 44 und 86 im Stromlauf parallel Hegen. So wird Speisegas nacheinander durch den zweiten Rekuperator 86 und den zweiten Außenwärmeaustauscher 100 dem zweiten Adsorber 80 zugeleitet. Auf diese Weise wird die Kühlwärme des Stickstoff-Desorbates, das zunächst dem zweiten Rekuperator 86 zugeleitet wurde, durch das einströmende Speisegas zurückgewonnen.
F i g. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der Sauerstoff enthaltendes Endgas kontinuierlich erzeugt und statt zwei Außenwärmeaustauschern nur ein einziger Wärmeaustauscher zur weiteren Kühlung des Sauerstoff-Stickstoff-Gemisches verwendet wird. Obwohl zusätzliche Ventile erforderlich sind, werden deren Kosten durch die Einsparung eines Außenwärmeaustauschers mehr als ausgeglichen. In dem Fließbild der F i g. 2 ist nur der Rekuperator — Außenwärmeaustauscher — und
Adsorberabschnitt dargestellt. Der übrige Teil ist mit dem oben beschriebenen und in F i g. 1 veranschaulichten identisch. Das Speisegas wird über die Leitung 136 dem ersten Rekuperator 144 zugeführt, wo es durch zuvor aufgespeicherte Kälte gekühlt wird. Das s gekühlte Gas wird über die Leitung 145 und das Steuerventil 147 an den Außenwärmeaustauscher 146 abgegeben, wo es durch Kühlmittel in der Leitung 148 weiter gekühlt wird. Das aus dem Austauscher 146 in die Leitung 160 gelangende weiter gekühlte Speisegas ro fließt über das Steuerventil 161 in den ersten Adsorber 162. wo der Stickstoff in der zuvor beschriebenen Weise entfernt wird.
Während des bei der Regenerierung des zweiten Adsorbers 180 erfolgenden Druckablasses wird das kalte Stickstoff-Desorbatgas über das Steuerventil 183 an den zweiten Rekuperator 186 abgegeben und kühlt diesen. Das aufgewärmte Desorbat wird anschließend ausgetragen. Der Gasfluß durch die Leitung 163 hindurch zum Außenwärmeaustauscher 146 wird durch Schließen des Steuerventils 165 unterbunden.
Wie oben erläutert, kann der Fluß des an Sauerstoff angereicherten Abgases kontinuierlich gemacht werden, wenn Druckablaß, Evakuierung und Wieder-UHterdrucksetzung eines Adsorbers während desjenigen Teiles des Gesamtzyklus erfolgen, in dem das Produkt aus dem anderen Adsorber abgezogen wird. Bei einem auf diese Weise erfolgenden Betrieb ist jedoch eine größere Vakuumpumpe erforderlich, um eine bestimmte Gasmenge abzuziehen, als dies der FaI! wäre, wenn die Pumpe kontinuierlich betrieben werden würde.
Die Anwendung von drei Adsorbern und drei Rekupe?atoren nach F i g. 3 gestattet eine kontinuierliehe Abnahme des Produktes sowie einen kontinuierlichen Betrieb der Vakuumpumpe für gesonderte Adsorber, während ein dritter Adsorber entweder abgelassen oder erneut unter Druck gesetzt wird. Das Speüsegas strömt durch die Leitung 236 und das Steuerventil 242 zum ersten Rekuperator 244. wo es gekühlt wird. Das gekühlte Gas tritt durch die Leitung 245 hindurch eus und wird im Außenwärmeaustauscher 246 weiter gekühlt. Das erhaltene kalte Saüerstoff-Stickstoff-Gemisch wird über die Leitung 260 dem ersten Adsorber zugeleitet, v/o der Stickstoff abgezogen wird. Das Sauerstoff enthaltende Endgas wird über die Leitung 268 mit dem darin angeordneten Regelventil 270 ausgetragen. Inzwischen wird der zweite Adsorber 280 mit Speisegas erneut unter Druck gesetzt, indem ein Teil dieses Gases von der Leitung 236 über die Zweigleitung 241 und das Em- !aßsieuerventil 243 zum zweiten Rekuperator 286 abgeleitet wird. Das aus diesem ausströmende gekühlte Speisegas wird über das Steuerventil 249 der Leitung 282 dsm zweiten Adsorber 280 zugeführt, der hierdurch erneut unter Druck gesetzt wird. Hiemach kann das Einlaßventil 243 geschlossen werden, um den erneut unter Druck gesetzten zweiten Adsorber 286 abzusperren, bis in ihm die Adsorption stattfinden soll. Die Wiederunterdrucksetzung kann zeitlich auch so bemessen sein, daß sie abgeschlossen ist, gerade bevor der erste Adsorber auf die Regenerierung umgestellt wird.
Während der erste Adsorber 262 eingeschaltet und der zweite Adsorber 280 unter Druck gesetzt wird, werden der dritte Adsorber 281 evakuiert und der dritte Rekuperator 287 erneut gekühlt. Dies geschieht, indem kaltes Stickstoff-Desorbatgas mittels der Vakuumpumpe 294 vom dritten Adsorber 281 abgezogen wird. Das kalte abgezogene Gas strömt über die Leitung 285 und das in ihr vorgesehene Steuerventil 289 zum dritten Rekuperator 287 und kühlt diesen. Das aufgewärmte Gas tritt in die Leitung 291 ein und läuft über das Steuerventil 293 zur Pumpe 294. Das warme Stickstoffgas wird dann über die Leitung 292 mit dem Ventil 298 aus dem System ausgetragen.
Die drei Adsorber 262, 280 und 281 sowie die drei Rekuperatoren 244, 286 und 287 sind parallel geschaltet und stehen alle mit dem Außenwärmeaustauscher 246 in Verbindung. Es sind ferner entsprechende Ventile vorgesehen, so daß die verschiedenen Ströme in zweckentsprechender Weise ein- und ausgeschaltet werden können. Wird beispielsweise die Adsorption im ersten Adsorber 262 beendet und dieser auf Regenerierung umgeschaltet, so wird der zweite Adsorber 280 auf Adsorption geschaltet und der zuvor evakuierte dritte Adsorber 281 erneut unter Druck gesetzt. Danach wird de<a". dritten Adsorber 281 Speisegas zugeführt, der zweite Adsorber 280 evakuiert und der erste Adsorber 262 wieder unter Druck gesetzt. Die nächstfolgenden Änderungen der Strömung stellen die ursprünglich beschriebenen Bedingungen wieder her.
Nach F i g. 4 wird das Speisegas durch das Gebläse 310 über die Leitung 311 dem Wärmeaustauscher 313 zugeführt, wo es durch ein kälteres Gas in der ti Wärmekontakt stehenden Leitung 312 α gekühlt wird. Im Wärmeaustauscher 313 soll das Speisegns nicht unter etwa 00C abgekühlt werden, da andernfalls in diesem Gas enthaltene Feuchtigkeit attsfriert und die Leitung 312 sowie die Leitung 311 verstopft. Die gekühlte Luft wird dann über die Leitung 311 zur Trommel 314 geleitet, wo das kondensierte Wasser abgezogen und über die vom Boden der Trommel abgehende Leitung 315 mit Ventil 316 abgelassen wird. Die Luft wird aus der Trommel 314 durch die oben abgehende Leitung 317 abgelassen und vorzugsweise zur Trockenvorrichtung 318 geleitet, wodurch die Wasserdampftonzentration weiter herabgesetzt wird. Die Trockenvorrichtung 318 kann ein entsprechendes Adsorbens v/'ie Silicagel enthalten.
Die getrocknete Luft fließt dann über die Leitung 319 und wird auf die gewünschte Adsorptionstemperaii-r, z. B. — 40"C, durch Wärmeaustausch mit einem entsprechenden Kühlmittel, beispielswek: flüssigem Ammoniak oder einem halogenierten Kohlenwasserstoff, in der in thermischem Kontakt stehenden Leitung 320 weiter gekühlt. Je nachdem, ob das Ventil 321 oder das Ventil 322 geöffnet ist, wird das gekühlte Speisegas der Adsorbenskolonne 323 oder 324 zugeleitet, die strömungsmäßig parallel liegen. Entsprechend der Zeichnung ist das Steuerventil 321 offen, und das kalte Speisegas, gelangt durch das Ventil hindurch zum Einlaßende der ersten Adsorbenskolonne 323, wo der Stickstoff durch das in der Kolonne enthaltene Adsorbens entfernt wird.
Das im wesentlichen reine Sauerstoffgas strömt vom Auslaßende der ersten Kolonne 323 über die Leitung 323 α und das Kontrollventil 325 bei einer Temperatur von etwa -3O0C. Die Kühlwärme des kalten Sauerstoffstromes wird durch Durchfluß durch die Leitung 312 a des Wärmeaustauschers 312 wiedergewonnen, wobei der Luftspeisestrom in der oben beschriebenen Weise teilweise gekühlt wird. Der aufgewärmte Sauerstoff kann über die Leitung 324 zur
Verbrauchsstelle oder einem entsprechenden Speicher geleitet werden.
Während die Adsorption in der ersten Adsorptionskolonne 323 erfolgt, wird das Stickstoff-Adsorbat aus der zweiten Adsorptionskolonne 324 entfernt und diese Kolonne für die nachfolgende Einschaltung vorbereitet. Dies geschieht vorzugsweise, indem das Ventil 326 am Austragende der zweiten Adsorptionskolonne 324 in geschlossener Stellung gehalten und die Kolonne vom Speisegaseinlaßende her über die Leitung 327 evakuiert wird, indem die Leitung 330 über das Ventil 329 angeschlossen wird.
Am Austragende der Leitung 330 sind entsprechende Mittel, beispielsweise eine Vakuumpumpe 331, vorgesehen, um die erforderliche Evakuierung zu erzielen, und von dort wird der Stickstoff über die Leitung 332 in die Atmosphäre abgelassen oder zur weiteren Verwendung abgegeben.
Wenn die an Stickstoff angereicherte Adsorptionsfront sich dem Austragende der ersten Kolonne 323 nähert oder wenn die Kolonne nahezu mit dem im Gleichgewicht stehenden Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch gesättigt ist, werden die Verbindungen zwischen den beiden Kolonnen so geschaltet, daß in der ersten Kolonne 323 die Desorption und in der zweiten Kolonne 324 die Adsorption stattfindet. Die Lage der an Stickstoff angereicherten" Adsorptionsfront kann beispielsweise mittels Thermoelementen oder anderen ähnlichen Vorrichtungen bestimmt werden. Zur Änderung der Gasströmung wird das Ventil 321 geschlossen und das Ventil 322 in der Leitung 333 am Einlaßende des zweiten Adsorbers 324 geöffnet. Am Austragende wird das Ventil 325 geschlossen und das Ventil 326 der Austragleitung 324 geöffnet. Zur Desorption der Stickstoffkomponente aus der ersten Kolonne 323 wird das Ventil 335 in der Leitung 328 geöffnet und das Desorbat über das Einlaßende der Kolonne 323 in die Leitung 328 sowie über die Verbindungsleitung 330 in der zuvor beschriebenen Weise zur Vakuumpumpe 331 abgezogen.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Trennung von im wesentlichen aus Sauerstoff und Stickstoff bestehenden Gasgemischen, insbesondere von Luft, in ihre Be-' standteile durch Leiten über oder durch ein ruhendes kristallines zeolithisches Molekularsieb bei einer Temperatur zwischen 0 und -15O0C, dadurch gekennzeichnet, daß man ein zeolithisches Material mit einem scheinbaren Porendurchmesser von mindestens 4Ängströmeinheiten verwendet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als zeolithisches Material einen Zeolith mit Lithium, Strontium, Barium, Nickel, Calcium, Natrium und/oder Rubidium als Kation verwendet. .
In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 223 261;
USA.-Patentschriften Nr. 2 882 243, 2 882 244.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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