DE3340597A1

DE3340597A1 - Verfahren und vorrichtung zur trennung eines gasgemisches durch adsorption

Info

Publication number: DE3340597A1
Application number: DE19833340597
Authority: DE
Inventors: Léon 75013 Paris Hay
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1982-11-12
Filing date: 1983-11-10
Publication date: 1984-05-17
Also published as: FR2535981B1; JPS5998716A; CA1209058A; BE898205A; IT8323576A0; IT1169660B; FR2535981A1; US4512779A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines
Gasgemisches durch Adsorption

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines aus wenigstens zwei Bestandteilen zusammengesetzten Gasgemisches durch Adsorption, bei dem man mehrere, wenigstens drei, Adsorbenskolonnen (oder Adsorber) verwendet, in welchen sich in jeder in zyklischer Weise und von einer Adsorptionskolonne zu einer anderen Adsorptionskolonne zeitlich verschoben die folgenden Betriebsphasen abspielen:

a) eine Produktionsphase bei sogenanntem hohem Druck mit Zirkulation des besagten Gasgemisches in einem Gleichstrom und Erzeugung eines abgetrennten 'Gasstromes und Festhalten wenigstens eines Bestandteils dieser Kolonne unter Abzweigung einer Fraktion dieses getrennten Gasstromes während eines Teils dieser Produktionsphase im Hinblick auf eine Enddruckerhöhung eines Adsorbers im Gegenstrom im Verlauf der Druckerhöhung gemäß der nachfolgenden Phase g),

b) eine Druckerniedrigungsphase im Gleichsstrom unter Abziehen eines Gasstromes im Hinblick auf die Druckerhöhung durch Gleichgewichtseinstellung eines Adsorbers auf ein mittleres Druckniveau im Verlauf der Druckerhöhung gemäß der nachfolgenden Phase £), wobei diese Druckerniedrigungsphase - einer Gleichgewichtseinstellung entspricht und gegebenenfalls in mehrere Druckerniedrigungsstufen zerlegt werden kann, jede von ihnen zur Druckerhöhung verschiedener Adsorber auf mittlere Druckniveaus stets in Übereinstimmung mit der Phase f),

c) eine Druckerniedrigungsphase im Gleichstrom bis zu einem mittleren niedrigen Druck unter Abziehen eines Gasstromes im Hinblick auf das Eluieren eines Adsorbers im Verlauf des Eluierens gemäß der nachfolgenden Phase e),

d) eine Enddruckerniedrigungsphase im Gegenstrom bis zu dem sogenannten niedrigen Druck, der Atmosphärendruck sein kann,

e) eine Eluierphase im Gegenstrom beim sogenannten niedrigen

Regenerierdruck, wobei der Eluierstrom von einem Adsorber

im Verlauf der Druckerniedrigung gemäß der Phase c) kommt,

f) eine Druckerhöhungsphase im Gegenstrom durch Gleichgewichtseinstellung der Drücke mit einem Adsorber im Verlauf der Druckerniedrigung gemäß der Phase b), wobei diese Druckerhöhungsphase gegebenenfalls durch Gleichgewichtseinstellung der Drücke mit den verschiedenen Adsorbern im Verlauf der Druckerniedrigung geitfäß der Phase b) auf mehrere Stufen aufgeteilt werden kann,

g) eine Enddruckerhohungsphase im Gegenstrom, wobei der Druckerhöhungsstrom von einer Abzweigung einer Fraktion eines Stromes stammt, der von einem Adsorber im Produktionsverlauf gemäß der Phase a) kommt.

Diese Technik wird zur Produktion von sehr reinem Wasserstoff (99,999 %) aus so unterschiedlichen Gemischen, wie *r 25 Dampfphasenreformiergas, Platforming-Gas, Spülgas einer Ammoniak- oder Methanolsyntheseanlage, Waschgas vom Waschen von Stickstoff, gespaltenem Ammoniak oder anderen Gemischen, die einen starken Wasserstoff anteil {50 bis 98 %) enthalten, benutzt. Die Anzahl der Adsorptionskolonnen und der Komplexität eines Betriebszyklus hängen von der Nennleistung der Anlage ab, und in bestimmten Fällen, wenn die Produktion in der Größenordnung von 50 000 m³/Std. Wasserstoff ist, erreicht man eine erhöhte Anzahl an Adsorptionskolonnen, die bis zu 10 oder darüber gehen kann.

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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine noch bessere Ausbeute und eine größere Reinheit des Gasproduktes zu gewährleisten, und dies wird nach einem erfindungswesentlichen

Merkmal dadurch erreicht, daß jede Gleichgewichtseinstellung zwischen irgendwelchen zwei Adorptionskolonnen sich in der Weise vollzieht, daß man den Strom der Gleichgewichtseinstellung in einer Hilfskolonne zur Längsentmischung des festgehaltenen Bestandteils gehen läßt und die Zirkulationsrichtung in dieser Kolonne für zwei homologe aufeinanderfolgende Ströme der Gleichgewichtseinstellung, d.h. mit den gleichen Anfangs- und Enddrücken, umkehrt. Durch die "Längsentmischung des festgehaltenen Bestandteils" bekommt man ein Mittel für das Zurückhalten des festgehaltenen Bestandteils, das eine Konzentrationsfront bildet, welche in Längsrichtung von dem Eintrittsende in Richtung auf das Austrittsende der Hilfskolonne voranschreitet. So und -dank der Umkehrungen der Zirkulationsrichtung des Stromes der Gleichgewichtseinstellung gewährleistet man, daß im'Verlauf einer Gleichgewichtseinstellung der Strom, der in eine Adsorptionszone eingeführt wird, seinen Gehalt an festgehaltenem Bestandteil umso geringer hält, als die Phase der Gleichgewichtseinstellung abläuft. Anders ausgedrückt, ein Adsorber wird mit Gas mit einem immer weniger erhöhten Gehalt an festgehaltenem Bestandteil unter Druck gesetzt, und wenn dieses ünterdrucksetzen im Gegenstrom der Normalrichtung der Produktion, sogenanntem Gleichstrom, erfolgt, wird die höchste Konzentration an Verunreinigungen weiter zu dem Eintrittsende des Adsorbers zurückgedrängt, als dies nach dem Stand der Technik möglich war. Daraus resultiert, daß während einer folgenden Produktionsphase diese Verunreinigungen später erscheinen und daß man während dieser Produktionsphase mit dem geringsten Gehalt am Ausgangsende beginnt, und zwar derart, daß man auf diese Weise entweder eine bessere Ausbeute oder eine größere Reinheit des Gasproduktes gewährleistet.

Nach einer ergänzenden Ausführungsform der Erfindung erfolgen die Betriebsphasen der Druckerniedrigung einer Adsorptionskolonne, die einen für das Eluieren einer anderen Adsorptionskolonne bestimmten Gasstrom erzeugt, gleichermaßen

— ΟΙ durch Zirkulation des Eluiergasstromes in einer anderen Hilfskolonne für eine Längsentmischung des festgehaltenen Bestandteils, wobei die Eluierströme von zwei aufeinanderfolgenden Druckerniedrigungsphasen in dieser Hilfskolonne entgegengesetzte Zirkulationsrichtungen haben. Man gewährleistet auch, daß das Eluieren mit einem Gasstrom erfolgt, der einen Gehalt an Verunreinigungen besitzt, welcher im Verlauf der Eluierphase mehr und mehr abnimmt. Dank dieser zweiten Vorkehrung, vorteilhaft verbunden mit der vorausgehenden, werden die beiden aufeinanderfolgenden Operationen des Eluierens und der Druckerhöhung bei dem gleichen Adsorber, welche im Gegenstrom erfolgen, mit einem Gasstrom realisiert, der einen Verunreinigungsgehalt besitzt, welcher im Verlauf der beiden aufeinanderfolgenden Phasen derart nach und nach abnimmt, daß die stärkste Konzentration an Verunreinigungen in dem besagten Adsorber weiter zurückgedrängt wird. Es resultiert, daß während der folgenden Produktionsphase in dem besagten Adsorber diese Verunreinigungen später erscheinen und daß man an dem Ausgangsende mit dem geringsten Gehalt beginnt, so daß man auf diese Weise entweder eine bessere Ausbeute oder eine größere Reinheit des Gasproduktes bekommt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ¹^ 25 jede Kolonne zur Längsentmischung des festgehaltenen Stromes eine Adsorptionskolonne, aber jene Hilfskolonne zur Längsentmischung des festgehaltenen Bestandteils kann auch ein einfacher Behälter von länglicher Form sein, der ein Volumen hat, welches demjenigen des im Druck erniedrigten Gases wenigstens gleich ist.

Die Erfindung hat auch zur Aufgabe eine Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemisches durch Adsorption unter Anwendung des obigen Verfahrens.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich übrigens aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen

-ιοί Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Trennvorrichtung

nach der Erfindung ist,

Fig. 2 die Diagramme des Druckes in Abhängigkeit der Zeit für jeden von vier Adsorbern einer zyklisch arbeitenden Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 die Diagramme des Druckes in Abhängigkeit von der Zeit für zwei von sechs Adsorbern einer zyklisch arbeitenden Vorrichtung zeigt,
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6

Fig. 7 das Diagramm des Druckes in Abhängigkeit von der Zeit für irgendeinen der Adsorber einer Vorrichtung zeigt, welche acht, zehn, acht bzw. vier Adsorber umfaßt, zyklisch arbeitet und vier andere Varianten der Durchführung der Erfindung darstellt.

Bezieht man sich nun zunächst auf die Fig. 1 und 2, so umfaßt eine Anlage zur Trennung durch Adsorption nach der Erfindung vier Adsorptionskolonnen 1, 2, 3 und 4 mit Eingangsenden 5, 6, 7 bzw. 8 und Ausgangsenden 9, 10, 11 bzw. 12. Jedes Eingangsende 5, 6, 7 und 8 ist durch eine Leitung 13, 14, 15 und 16 an ein Absperrventil 17, 18, 19 bzw. 20 einer Zuführleitung 21 für Gasgemisch angeschlossen. Auch ist jedes Eingangsende 5, 6, 7 und 8 über eine Entnahmeleitung 26, 27, 28 und 29 an ein Absperrventil 30, 31, 32 und 33 in einer Restgasentfernungsleitung 34 angeschlossen.

Die Ausgangsenden 9, 10, 11 und 12 der Kolonnen 1, 2, 3 und 4 sind über eine Entnahmeleitung 35, 36, 37 und 38 mit einem Absperrventil 39, 40, 41 und 42 in einer Produktionsleitung 43 verbunden. Auch ist jedes Ausgangsende 9, 10, 11 und 12 mit einem Ende 45 einer Hilfsadsorptionskolonne 46 über eine Leitung 47, 48, 49 und 50 mit einem Absperrventil 51, 52, 53 und 54 einerseits sowie mit einem anderen Ende 55 der Hilfskolonne 46 über eine Leitung 56, 57, 58 und 59 mit einem Absperrventil 60, 61, 62 und 63 verbunden.

Die Ausgangsenden 9 und 11 der Adsorptionskolonnen 1 und 3 sind über Leitungen 65 und 66 mit einem Absperrventil 67 und 68 mit einem Ende 69 einer zweiten Hilfsadsorptionskolonne 70 verbunden, deren anderes Ende 71 über Leitungen 72 und 73 mit einem Absperrventil 74 und 75 an das Ausgangsende 10 und 12 der Adsorptionskolonnen 2 und 4 angeschlossen ist.

Schließlich ist die Produktionsleitung 43 über Leitungen 76, 77, 78 und 79 mit einem Absperrventil 80, 81, 82 bzw. 83 an die Ausgangsenden 9, 10, 11 und 12 der Adsorptionskolonnen 1, 2, 3 und 4 angeschlossen.

Die Anlage gemäß den Fig. 1 und 2 funktioniert in der folgenden Weise, wobei unterstellt wird, daß die Anlage zum Anlaufen kommt oder mit anderen Worten, daß es sich um den ersten Betriebszyklus handelt.

Zum Zeitpunkt 0 ist der Adsorber 1 in Produktionsphase, d.h. daß die Ventile 17 und 39 offen sind und das abgetrennte Gas bei 43 ausgetragen.wird.

Der Adsorber 2 ist in der Phase des Beginns der Verdichtung durch Gleichgewichtseinstellung bzw. Ausgleich mit dem Adsorber 4, wobei die Ventile 63 und 52 offen sind und der Gleichgewichts- bzw. Ausgleichstrom über die Leitungen 59 und 48 und über den Hilfsadsorber 46 im Sinne (F-, ) zirkuliert.

Der Adsorber 3 beginnt seine Druckerniedrigungsendphase durch Abziehen von Resten über die Leitungen 28 und 34, wobei das Ventil 32 offen ist und die Leitung 34 die Reste abführt.

Der Adsorber 4 ist am Beginn des Druckverminderungsausgleiches mit dem Adsorber 2, wie zuvor dargestellt wurde.

Nach einer bestimmten Zeit innerhalb der Dauer T , die einem

Viertel der Zyklusdauer entspricht, und genauer zum Zeitpunkt a treten bestimmte Veränderungen bei j.edem der Adsorber ein:

Der Adsorber 1 bekommt einen Teil 90 seiner isobaren Produktion zu dem Adsorber 2 in der Art abgezweigt, daß seine Endverdichtung im Gegenstrom gewährleistet ist, wobei der Abzweigstrom über die Leitung 77 zirkuliert und das Ventil 81 offen ist.
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Der Adsorber 2 steigt aus den oben aufgezeigten Gründen im Druck bis zu dem Enddruck P am Ende der Zeit T,.

Der Adsorber 3 erreicht den niedrigen Druck P_n, und ein EIuieren entwickelt sich durch Kompressionsverminderung bzw. Druckverminderung des Adsorbers 4, wobei der Dekompressionsstrom einmal entspannt den Eluierstrom bildet, der von dem Adsorber 4 zu dem Adsorber 3 über den Hilfsadsorber 70, d.h.

über die Leitungen 72 und 76 zirkuliert, wobei die Ventile 74 und 68 offen sind und die Zirkulation des Eluiergases in dem Adsorber B in der Richtung (F^) erfolgt.

Der Adsorber 4 befindet sich also in der zweiten Kompressionsverminderungsphase, entspannt bis auf einen niedrigen Zwischendruck Pi.

Bei Beginn der Zeitdauer T_?·, die am Ende der Zeitdauer T, beginnt, ist der Adsorber 1 in der Phase der Kompressionsverminderung durch Gleichgewichtseinstellung oder Ausgleich mit dem Adsorber 3 über den Hilf sadsorber 46, wobei die Richtung des Ausgleichsstromes die Richtung F_ ist, welche der Richtung F-, entgegengesetzt ist, mit der Wirkung, daß die Ventile 51 und 62 geöffnet sind, der Ausgleichsstrom in den Leitungen 47 und 58 zirkuliert, dann zum Zeitpunkt b, in der Phase der zweiten Kompressionsverminderung der Strom der Kompressionsverminderung, der den entspannten EIuierungsstrom bildet, von dem Adsorber 1 zu dem Adsorber 4 über den Hilfsadsorber 70 in der Richtung F , d.h. entgegen-

gesetzt zur Richtung F₃ zirkuliert, was bedeutet, daß die Ventile 67 und 74 offen sind.

Der Adsorber 2 befindet sich in einer isobaren Produktionsphase wie der Adsorber 1 während der Zeit T,, und es spielen sich die gleichen Phänomene mit einer Zeitverschiebung von einer Dauer T, ab, wobei die Endabzweigung 90 dann zu dem Adsorber 3 hin erfolgt.

Der Adsorber 3 ist zunächst in der Phase der Anfangskompressionsverminderung durch Gleichgewichtseinstellung bzw. Ausgleich mit dem Adsorber 1, wie oben beschrieben wurde, dann aber zum Zeitpunkt b in der Phase der Endkompressionsverminderung durch die Abzweigung 90 eines Produktionsstromes

von dem Adsorber 2. *

Der Adsorber 4 ist zunächst in der Phase der Endkompressionsverminderung, wie oben für den Adsorber 3 gezeigt wurde, dann aber zum Zeitpunkt b in der Eluierphase auf dem Druck P-. durch einen entspannten Strom, der von der Kompressionsverminderung des Adsorbers 1 stammt und über den Hilfsadsorber 70 in der Richtung F. zirkuliert, wie oben gezeigt wurde.

Im Verlauf der Zeit T-. des Zyklus:

Der Adsorber 1 ist zunächst·in der Phase der Endkompressionsverminderung bis zu dem Zeitpunkt c, sodann aber in der Eluierphase durch einen Entspannungsstrom, der von dem Adsorber 2 stammt und über den Adsorber 70 in Richtung F-, zirkuliert, was bedeutet, daß die Ventile 75 und 67 offen sind.

Der Adsorber 2 ist in der Phase der ersten Kompressionsverminderung durch Ausgleich mit dem Adsorber 4 über den Hilfsadsorber 46 in der Zirkulationsrichtung F₁ mit der Wirkung, daß die Ventile 61 und 54 bis zu dem Zeitpunkt c offen sind und dann, wie oben gezeigt, dieser Adsorber 2 sich in einer Kompressionsverminderung bei dem minieren Druck P. sich

BAD ORIGINAL

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befindet, um den Eluierstrom zu dem Adsorber I über 70 (Richtung F₃) zu bilden.

Der Adsorber 3 ist in der Phase der isobaren Produktion mit einer Abzweigung eines Produktionsstromes 90 zu dem Adsorber 4 hin vom Zeitpunkt d an, um eine Endkompressionsverminderung zu gewährleisten.

Der Adsorber 4 ist zunächst in der Phase der Anfangskompres-

sionsVerminderung durch Ausgleich des Adsorbers 2 über den Hilfsadsorber 46 in der Zirkulationsrichtung F, , und sodann in der Phase der Endkompressionsverminderung durch eine Abzweigung 9 0 des Produktionsstromes, der von dem Adsorber 3 stammt.

Während der Zeitdauer T. , die auf die Zeitdauer T-, folgt und bei deren Ende der Betriebszyklus endet, findet man die gleichen Betriebsphasen seitlich verschoben wieder, d.h. der Adsorber 1 ist zunächst auf Anfangskompressionsverminderung durch Ausgleich mit dem Adsorber 3 bis zum Zeitpunkt d über den Hilfsadsorber 46, wobeider Ausgleichsstrom in Richtung Fy zirkuliert, und dann auf Endkompressionsverminderung durch Abzweigung 90 eines Teils des Produktionsstromes, der von dem Adsorber 4 stammt.

Der Adsorber 2 befindet sich in der Phase der Endkompressionsverminderung auf Atmosphärendruck und sodann vom Zeitpunkt d an in der Eluierphase durch einen entspannten Gasstrom, der von dem Adsorber 3 stammt und über den Hilfsadsorber 70 in der Zirkulationsrichtung F₄ zirkuliert.

Der Adsorber 3 ist zunächst in der Kompressionsverminderungsphase durch Ausgleich mit dem Adsorber 1 über den Hilfsadsorber 46 in Richtung F_?, wie oben angegeben wurde, und sodann zum Zeitpunkt d in der Phase der zweiten Kompressionsverminderung über den Hilf sadsorber 70 in der Richtung F., wie oben angegeben ist.

Der Adsorber 4 ist in der Phase der isobaren Produktion mit einer Teilabzweigung 90 von dem Produktionsstrom zu dem Adsorber 1 hin ab dem Zeitpunkt d.

wie die vorausgehende Beschreibung zeigt, sieht man, daß die Hilfsadsorber 46 und 70 nacheinander verwendet werden, nämlich der Adsorber 46 im Verlauf der aufeinanderfolgenden Gleichgewichtseinstellungen und der Adsorber 70 im Verlauf der aufeinanderfolgenden Entspannungen unter Bildung des Eluiergasstromes.

Welcher der Adsorber 4 6 oder 70 auch ist, die in dem Adsorber 46 zirkulierenden Ausgleichsströme fließen nacheinander in den Richtungen F, , F₂, F-,, F_ usw. ab. Gleichermaßen fließen die Eluierströme nacheinander in dem' Adsorber 70 in entgegengesetzter Richtung F,, F., F₃, F. usw. ab.

Aus diesem Verlauf resultiert, daß die in dem Hilfsadsorber 46 zirkulierenden Ausgleichsströme oder die in dem Hilfsadsorber 70 zirkulierenden Eluierströme in dem Ausgleich-Hilfsadosrber 46 oder in dem Eluier-Hilfsadsorber 70 jeweils an jedem Ende des Adsorbers eine Verunreinigungsfront erzeugen, wobei die beiden Verunreinigungsfronten durch einen bestimmten Längsabstand derart voneinander getrennt sind, daß der Beginn des Auslaufes eines Ausgleichstromes oder eines Eluierstromes am Ausgang von 46 oder 70 mit einem maximalen Verunreinigungsgehalt, durch das Austreten der Verunreinigungsfront erfolgt, während das Ende des Auslaufes des Ausgleichsstromes oder des Eluierstromes am Ausgang von 46 oder 70 mit einem minimalen Verunreinigungsgehalt erfolgt, was bedeutet, daß alle Gleichgewichtseinstellungs- bzw. Ausgleichoperationen (d.h. des teilweisen Verdichtens eines Adsorbers) und Eluieroperationen (d.h. Regenerierung) mit Strömen vor sich gehen, die die Tendenz haben, reiner und reiner zu werden, was im Gegensatz zum Stand der Technik steht, wo diese Ausgleichströme und Eluierströme mehr und mehr durch die Verunreinigungen verschmutzt werden.

Was die Eluieroperationen und die Druckerhöhungsoperationen durch Ausgleich oder Gleichgewichtseinstellung betrifft, die nacheinander im Gegenstrom beim gleichen Adsorber ablaufen, so resultiert, daß die Verunreinigungen so nahe wie möglich an das Eintrittsende des Adsorbers zurückgedrängt werden, was dann seine Qualitätscharakteristik bezüglich der Reinheit des Gasproduktes verbessert.

Die Anlage, die es gestattet, den Zyklus entsprechend dem Druck/Zeit-Diagramm, das in Fig. 3 für zwei Adsorber schematisch dargestellt ist, zu realisieren, umfaßt sechs Adsorber und drei Hilfskolonnen. Die Betriebszyklusperiode ist ebenfalls in Unterperioden der Adsorber mit gleicher Dauer unterteilt, wie in sechs Unterperioden T,, T , T₃, T., T₅ und T,. In jedem Adsorber findet der gleiche Zykl"us statt, wie jener, der in Fig. 3 für den Adsorber 1 wiedergegeben ist, doch mit einer Zeitverschiebung für jeden Adsorber gegenüber einem vorausgehenden mit der Länge der Unterperiode, wie in Fig. 3 für den Adsorber 2 im Vergleich mit dem Adsorber 1 gezeigt ist. Eine der Charakteristiken des Zyklus ist die Zerlegung der Kompressionsverminderungsphase in zwei aufeinanderfolgende Stufen im Gleichstrom mit Gleichgewitrhtseinstellung. Ein anderes Charakteristikum des Zyklus ist die Staffelung der Produktionsphase in zwei Unterperioden.

Die Abwicklung des Zyklus in dem Adsorber 1 erfolgt in der folgenden Weise:

a) Während der Unterperioden T, und T_ ist der Adsorber in der isobaren Produktionsphaso 101 auf dem Druck P und

im Gleichstrom. Eine Fraktion des Produktionsstromes, die im Endteil der Unterperioden T, und T₂ abgenommen wurde, dient der Endverdichtung der Adsorber 2 bzw. 3 im Gegenstrom.
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b) Während der Unterperiode T, befindet sich der Adsorber in der Kompressionsverminderungsphase im Gleichstrom bis zu einem mittleren Druck Pe, der zunächst durch einen

ersten Ausgleich des Druckes P auf den Druck P'e mit dem Adsorber 4 über eine erste Hilfskolonne 111 (Richtung F-,) und dann durch einen zweiten Ausgleich des Druckes P'e auf den Druck Pe mit dem Adsorber 5 über eine zweite Hilfskolonne 112 (Richtung F_) gewährleistet ist.

c) Während der Unterperiode T. befindet sich der Adsorber zunächst auf Kompressionsverminderung im Gleichstrom von dem Druck Pe auf den Druck Pi unter Abziehen eines Stro-

mes zur Gewährleistung des Eluierens des Adsorbers 6 über eine dritte Hilfskolonne 113 (Richtung FJ und dann auf Endkompressionserniedrigung im Gegenstrom vom Druck Pi auf den Druck Pf unter Abziehen der Restbestandteile.

d) Während er Unterperiode T₁- befindet sich der* Adsorber zunächst in der Eluierphase durch Benutzung von Gas, welches von dem Adsorber 2 abgezogen wurde, der sich in der Kompressionserniedrigungsphase von Pe auf Pi befindet, und dann in der Phase der ersten Verdichtung bis Pe durch Ausgleich mit dem Adsorber 3, der sich in der Kompressionserniedrigungsphase von P'e auf Pe befindet.

e) Während der Unterperiode T_c befindet sich der Adsorber zunächst in der Phase der zweiten Verdichtung bis zu P'e durch Ausgleich mit dem Adsorber 4, der sich in der Kompressionsverminderungsphase von P auf P'e befindet, und dann in der Endverdichtungsphase bis P durch Entnahme eines Teils des Produktes aus den Adsorbern 5 und 6, die sich in der Produktionsphase befinden.
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Die Abwicklung des Zyklus in dem Adsorber 2 ist die gleiche wie jene, die für den Adsorber 1 beschrieben wurde (gleiche Phasenfolge mit den gleichen Drücken und gleichen Zeiten), aber zeitversetzt um die Dauer einer Unterpriode. Indessen werden die Zirkulationsrichtungen der Gasstromes, die aus den drei Kompressionsverminderungsphasen im Gleichstrom des Adsorbers 2 stammen, durch die HiIfskolonnen 111, 112 und umgekehrt (Richtungen F' , F' und F¹ ) gegenüber den

Zirkulationsrichtungen der homologen Ströme, die aus den drei Kompressionsverminderungsphasen des Adsorbers I stammen, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Für den Adsorber 3, dessen Zyklus um eine Unterperiode gegenüber dem Adsorber 2 verschoben ist, sind die Zirkulationsrichtungen der Kompressionsverminderungsströme durch die Kolonnen 111, 112 und 113 erneut umgekehrt gegenüber den Zirkulationsrichtungen der Kompressionsverminderungsströme, die aus dem Adsorber 2 stammen. Das gleiche gilt für die Adsorber 4, 5 und 6 derart, daß die Zirkulationsrichtungen durch die Kolonnen 111, 112 und 113 F₁, F₂ bzw. F₃ für die Kompressionsverminderungsströme, die aus den Adsorbern 1, 3 und 5 stammen, und F¹,, F' und F' für die Kompressions-Verminderungsströme, die aus den Adsorbern 2, \ und 6 stammen, sein werden. Man sieht somit den Wechsel der Zirkulationsrichtungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden und homologen Kompressionsverminderungsströmen durch jede Hilfskolonne.

Man sieht auch, daß die Produktion von gereinigtem Gas gleichzeitig durch zwei Adsorber infolge der Verteilung auf zwei aufeinanderfolgende Unterperioden der Produktionsphase des Zyklus gewährleistet ist. So zeigen während der Unterperiode T„ die Diagramme der Fig. 3 klar eine Produktion in den Adsorbern 1 und 2. Während der Unterperiode T₃ wird die Produktion gleichzeitig in den Adsorbern 2 und 3 sichergestellt und so nacheinander für die anderen Unterperioden. Diese Anordnung gestattet für einen bestimmten Adsorberzuschnitt und mit nur sechs Adsorbern, den Durchsatz des behandelten Gases und die Produktion des gereinigten Gases im Vergleich mit einer Lösung mit vier Adsorbern, wie sie durch die Anlage der Fig. 1 definiert ist und die gemäß dem Zyklus der Fig. 2 arbeitet, in welchem die Produktionsphase nur eine Unterperiode des Zyklus beeinflußt, zu verdoppeln.

Die Fig. 4 zeigt, ohne daß man ins Detail geht, einen Zyklus mit acht Adsorbern und drei Hilfskolonnen 121, 122 und 123,

von denen nur zwei 121 und 122 mit den Zirkulationsrichtungen F., F¹ . und F_r, F' alternativ verwendet dargestelJt sind. Wenn die Zeit des Durchgangs des Gases durch die Kolonne 122 längere Zeit als die Unterperiode des Zyklus einnimmt, ist es unerläßlich für das gute Funktionieren der Anlage, eine andere Kolonne 123 (nicht gezeigt) zu haben, die die gleiche Rolle wie die Kolonne 122 spielt, aber mit einer Zeitverschiebung von einer Unterperiode gegenüber der Kolonne 123 und mit Zirkulationsrichtungen, die ebenfalls abwechseln. Der Zyklus umfaßt eine einzige Stufe der Gleichgewichtseinstellung oder des Ausgleichs, aber eine Produktionsphase, die auf drei Unterperioden verteilt ist, was es gestattet, zu jedem Zeitpunkt eine gleichzeitige Produktion in drei Adsorbern zu gewährleisten.

Die Fig. 5 zeigt einen Zyklus mit zehn Adsorbern und fünf Hilfskolonnen 131, 132, 133, 134 und 135 (dieser letzte ist nicht wiedergegeben, spielt aber die gleiche Rolle wie 134, wie oben ausgeführt wurde) mit abwechselnden Zirkulationsrichtungen F,, F¹ ,; F., F' ; F₀, F' bzw. F-, F' . Der Zyk-

D D//0O yy

lus umfaßt drei Ausgleichs- bzw. Gleichgewichtseinstellungsstufen und eine Produktionsphase über drei Unterperioden, d.h. eine Produktion gleichzeitig in drei Adsorbern.

Die Fig. 6 zeigt einen Zyklus mit acht Adsorbern und drei Hilfskolonnen 141, 142 und 143 (nicht wiedergegeben) mit abwechselnden Zirkulationsrichtungen F-, _n , F'₁₍. bzw. F,, , F'-,-,. Der Zyklus gewährleistet eine gleichzeitige Produktion in drei Adsorbern und umfaßt zwei Gleichgewichtseinstellungsstufen. Die Kompressionsverminderung, die das Eluiergas liefert, ist zwischen die beiden Kompressionsverminderungsstufen eingeschaltet und ergibt den Ausgleich der Drücke. Übrigens passieren der Strom der zweiten Kompressionsverminderung, der das Eluiergas liefert, und der Strom der dritten Kompressionsverminderung, der die Gleichgewichtseinstellung ergibt, die gleiche Hi]fskolonne 342. Die Hi Ifskolonne 143, die nicht wiedergegeben ist und abwechselnde Zirkulationsrichtungen hat, spielt die gleiche Rolle wie die Hilfskolon-

ne 142.

Die Fig. 7 zeigt einen Zyklus von vier Adsorbern mit nur zwei Hilfskolonnen 151 und 152 sowie abwechselnde Zirkulati-5 onsrichtungen F-J₂, F¹ -^ bzw. F ^, F¹ -,·, . Der Zyklus umfaßt wie Fig. 6 eine Kompressionsverminderungsphase für das EIuieren, einger.c? ^¹ I et zwischen die beiden Kompressionsverrninderungsstufen mit Ausgleich oder Gleichgewichtsherstllung, und wie in Fig. 6 passieren die Ströme der zweiten und dritten Kompressionsverminderung für das Eluieren und den Druckausgleich die gleiche Hilfskolonne 152.

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Claims

Dr. Dieter Weber Klaus Seiffert Patentanwälte Dipl.-Chem. Dr.DlelerWeberDlpI.-Phvn. Klaue Seifert Postfach 8145 6200 Wiesbaden Deutsches Patentamt Zweibrückenstr. 8000 München 2 1 Serie 2573 D-6200 Wiesbaden 1 (JuHtnv.FreytMg-KtralJe 25 Telefon 0 6121 /87 27 20TelepraminttdreHKe: Willpatent Telex: 4-1B6 247 Poniweheck: Frankfurl/Maln 07 MK-K02 Hank: Ort»s(irx»rBHnk AG. V\'ic*f>bnflc*ii. Kotuo Nr. 27(1807 00 (UlJZ ΠΙΟ KO(I HO) D«.tum 8. NOV. 1983 We/Wh L'Air Liquide, Societe anonyme pour I1Etude et !'Exploitation des Procedes Georges Claude, 75, Quai d'Orsay, F-75007 Paris * Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines 10 Gasgemisches durch Adsorption Priorität: Französische Patentanmeldung Nr. 82 19.006 vom 12. November 1982 15 Patentansprüche

1. Verfahren zur Trennung eines Gasgemisches, welches aus wenigstens zwei Bestandteilen besteht, durch Adsorption, wobei man mehrere, wenigstens drei Adsorbenskolonnen verwendet und sich in jeder derselben in zyklischer und zeitlich von einer Adsorptionskolonne zur anderen Adsorptionskolonne verschobener Weise die folgenden nacheinander ablaufenden Betriebsphasen abspielen:

^a) eine Betriebsphase der Produktion unter Zirkulation

dieses Gasgemisches im Gleichstrom und Produktion eines abgetrennten Gasstromes und Festhalten wenigstens eines Bestandteiles in dieser Kolonne unter Abzweigung einer Fraktion dieses abgetrennten Gasstromes während eines Teils dieser Produktionsphase zur Enddruckerhöhung eines zweiten Adsorbers im Gegenstrom im Verlauf der Druckerhöhung gemäß der Phase g),

b) eine Phase der Druckerniedrigung im Gleichstrom unter Abziehen eines Gasstromes zur Druckerhöhung durch Druckausgleich eines Adsorbers auf ein mittleres Druckniveau im Verlauf der Druckerhöhung gemäß der Phase f), wobei diese Phase der Druckerniedri-gung entsprechend einem Druckausgleich gegebenenfalls in mehrere Druckerniedrigungsstufen aufgeteilt sein kann, jede von ihnen für die Druckerhöhung verschiedener Adsorber auf mittlere Druckniveaus immer in Übereinstimmung mit der Phase f),

c) eine Phase der ι Druckerniedrigung im Gleichstrom bis zu einem niedrigen mittleren Druck unter Abziehen eines Gasstromes zum Eluieren eines Adsorbers im Verlauf des Eluierens gemäß der Phase e),

d) eine Phase der Enddruckerniedrigung im Gegenstrom bis zu dem besagten niedrigen Druck, der Atmosphärendruck sein kann,

e) eine Eluierphase im Gegenstrom bei dem besagten Regenerierdruck, wobei der Eluierstrom aus einem Adsorber im Verlauf der Druckerniedrigung gemäß der Phase c) stammt,

f) eine Phase der Druckerhöhung im Gegenstrom durch Ausgleich der Drücke mit einem Adsorber im Verlauf der Druckerniedrigung gemäß der Phase b), wobei diese Phase der Druckerhöhung gegebenenfalls in mehrere aufeinanderfolgende Stufen durch Ausgleich der Drücke mit

den verschiedenen Adsorbern im Verlauf der Druckerniedrigung gemäß der Phase b) aufgeteilt sein kann, und

g) eine Phase der Enddruckerhöhung im Gegenstrom, wobei der Druckerhöhungsstrom von einer Abzweigung einer Fraktion des aus einem Adsorber im Verlauf der Produktion gemäß der Phase a) stammenden Stromes kommt,

dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Phasen des Ausgleichs zwischen zwei Adsorptionskolonnen den Ausgleichsstrom eine Hilfskolonne mit Längsentmischung des oder der unerwünschten Bestandteile durchströmen lassen, wobei die Ströme zwei aufeinanderfolgenden Ausgleichen entsprechen und in dieser Kolonne in entgegengesetzten Zirkulationsrichtungen zirkulieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Phasen der Druckerniedrigung einer Adsorptionskolonne zum Eluieren einer anderen Ad-Sorptionskolonne auch durch Zirkulation des Eluiergases in einer Hilfskolonne des oder der unerwünschten Bestandteile bewirkt werden, wobei die Eluierströme zweier aufeinanderfolgender Druckerniedrigungsphasen entgegengesetzte Zirkulationsrichtung haben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolonne oder Kolonnen mit Längsentmischung des festgehaltenen Bestandteiles Adsorptionskolonnen sind, die mit einem Adsorbens gefüllt sind, welches geeignet ist, selektiv den oder die unerwünschten Bestandteile des Gases, welches man in gereinigtem Zustand erhalten will, anzuhalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Hilfskolonne oder Hilfskolonnen mit Längsentmischung des oder der unerwünschten Bestandteile einfache Behälter länglicher Form mit einem Volumen, das wenigstens dem des im Druck erniedrigten Gases

entspricht, sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kolonne oder Kolonnen mit Längsentmischung Behälter sind, die mit einem inerten Füllmaterial beladen sind, das tote Räume freiläßt, deren Volumen mindestens gleich dem des im Druck erniedrigten Gases ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 mit mehreren, wenigstens drei Adsorptionskolonnen, Verbindungsleitungen mit einem Absperrventil von einem ersten Ende oder Eintrittsende einer jeden Kolonne zu einer Gasgemischquelle, Produktionsleitungen für behandeltes Gas mit Absperrventilen von einem zweiten Ende oder Austrittsende gegenüber dem ersten Ende einer jeden Adsorptionskolonne und Abzugsleitungen mit Absperrventilen am Eintrittsende, gekennzeichnet durch wenigstens einen Behälter mit Längsentmischung des oder der unerwünschten Bestandteile, der an einem Ende durch Leitungen mit Absperrventilen mit dem Austrittsende wenigstens eines ersten Teils der Adsorptionskolonnen einerseits und mit einem anderen Ende mit dem Austrittsende wenigstens eines zweiten Teils der Adsorptionskolonnen, welcher den besagten ersten Teil ergänzt oder ihm gleich ist, verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch .6, dadurch gekennzeichnet, daß sie vier Adsorber und zwei Behälter mit Längsentmischung der festgehaltenen Gase umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie sechs Adsorber und drei Behälter mit Längsentmischung der behandelten Gase umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie acht Adsorber und drei Behälter mit Längsentmischung der behandelten Gase umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zehn Adsorber und fünf Behälter mit Längsentmischung der behandelten Gase umfaßt.

11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Gas ein zu reinigendes Gasgemisch ist, dessen Hauptbestandteil Wasserstoff ist.

12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Gas ein Gasgemisch ist, dessen einer Bestandteil nicht adsorbiert wird (wie Helium) oder relativ schlecht gegenüber den anderen Bestandteilen des Gemisches adsorbiert wird und so dieser Bestandteil gereinigt wird. *

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