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DE69423817T2 - Adsorptionsverfahren und vorrichtung zur erzeugung eines gases durch trennung eines gasgemisches - Google Patents

Adsorptionsverfahren und vorrichtung zur erzeugung eines gases durch trennung eines gasgemisches

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DE69423817T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Druckwechseladsorptionsverfahren zur Herstellung eines Gases durch Trennung eines dieses Gas enthaltenden Gasgemischs in mindestens einer Adsorptionseinheit, die eine erste Schüttung aus wasserzurückhaltendem Adsorptionsmittel und eine zweite Schüttung aus trennwirksamem Adsorptionsmittel, die paarweise zusammengehören und in einem Kreislauf zur Herstellung dieses Gases hintereinander angeordnet sind, enthält, mit einem Gasherstellungsschritt, bei dem man das Gasgemisch nacheinander durch die erste Schüttung und dann durch die zweite Schüttung leitet.
  • Bei Verfahren dieses Typs, die als PSA- Verfahren (PSA = Pressure Swing Adsorption) bezeichnet werden, bildet sich bekanntlich beim Betrieb in der Schüttung aus trennwirksamem Adsorptionsmittel allmählich ein Temperaturgradient aus, was sich insbesondere nach etwa zehn Betriebsstunden darin äußert, daß im stromaufwärts gelegenen Teil der trennwirksamen Schüttung eine besonders kalte Zone entsteht, die die Produktionsausbeute bei zyklischer Fahrweise im Vakuum oder unter Druck stark beeinflußt, was umso mehr gilt, da der Betriebsdruck erhöht ist (über 5 · 105 Pa). Um diesem Nachteil abzuhelfen, wurde vorgeschlagen, das zu trennende Gasgemisch zu erwärmen, wie es in der US-A- 3.973.931 beschrieben wird, oder in den stromaufwärts gelegenen Teil der Adsorptionsschüttung eine Wärmequelle einzutauchen, wie es in der obengenannten Druckschrift oder der späteren EP-A-502.627 beschrieben wird, wobei in letzterer Druckschrift auch eine Adsorptionseinheit des im ersten Absatz definierten Typs beschrieben wird. Das Erwärmen des Gasgemischs führt für sehr kleine Anlagen zu zufriedenstellenden Ergebnissen, wird jedoch für Anlagen mit technischen Kapazitäten (über 0,5 Tonnen Produktgas pro Tag) unwirksam und darüber hinaus prohibitiv. Durch den Einbau von effizienten Heizmitteln in die Adsorptionsmittelschüttung werden die Fertigungskosten beträchtlich erhöht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das es auf einfache und effiziente Art und Weise bei nur geringem Anstieg der Fertigungskosten und geringen Betriebskosten ermöglicht, die Bildung einer kalten Zone zu vermeiden, insbesondere bei Trennverfahren für die Herstellung von Sauerstoff unter einem Druck von mehr als 7 · 10&sup5; Pa.
  • Hierzu geht man gemäß einem Merkmal der Erfindung bei dem Verfahren so vor, daß man einen Gasdurchgangszwischenteil, der eine geringe Ausdehnung aufweist und eine permanente direkte Verbindung zwischen der ersten Schüttung und der zweiten Schüttung herstellt, bereitstellt und dem Durchgangszwischenteil zur Erhöhung der Temperatur einen Wärmestrom zuführt.
  • In der EP-A-0042159 wird eine PSA-Anlage mit vier Adsorbern beschrieben, die mit einem TSA- Reinigungsstand mit zwei Adsorbern zusammengehört, in denen die den PSA-Adsorbern über einen Verteilerkreislauf zugeführte Luft hintereinander behandelt wird.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Adsorptionseinheit zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wie sie in 6 definiert ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, die lediglich Beispiele darstellen und die Erfindung in keiner Weise einschränken sollen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
  • - Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Adsorptionseinheit für die Herstellung eines unter hohem Druck stehenden Gases;
  • - Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Adsorptionseinheit, die eine hohe Produktivität aufweist und bei niedrigem Druck arbeitet; und
  • - Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Adsorptionseinheit gemäß Fig. 2.
  • In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen tragen identische oder analoge Elemente die gleichen Bezugszahlen, die eventuell mit Indizes versehen sind.
  • Fig. 1 zeigt eine Adsorptionseinheit einer Anlage zur Herstellung von Hochdrucksauerstoff vom PSA- Typ, bei der in der Regel mindestens zwei derartige Adsorptionseinheiten hintereinander angeordnet sind, wie es in der Technik bekannt ist. Jede Adsorptionseinheit enthält in bezug auf eine Phase der Sauerstoffherstellung hintereinander einen Drucklufteingang 1, eine erste Adsorptionsmittelschüttung (A), die ein Material enthält, das in der Luft vorhandenes Wasser und Kohlendioxid zurückhalten kann, in der Regel Aluminiumoxid, und mit einer zweiten Adsorptionsmittelschüttung (B), die Stickstoff aus der Luft zurückhält und Sauerstoff durchläßt, in der Regel Zeolith 5A, zusammengehört, und einen Produktsauerstoffausgang 2.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Adsorptionsmittelschüttungen A und B dadurch physikalisch voneinander getrennt, daß sie jeweils in getrennten Gehäusen 3 und 4 angeordnet sind, die über einen Kreislaufzwischenteil 5 mit geringer Ausdehnung, die in der Regel wesentlich kleiner als die der Gehäuse 3 und 4 ist, und geringer Länge miteinander verbunden sind. Die Zone der Kaltpunktbildung zwischen der stromabwärts gelegenen Zone der ersten Schüttung A und der stromaufwärts gelegenen Zone der zweiten Schüttung B ist daher genau lokalisiert, und die Temperatur der Zone der Kaltpunktbildung wird durch Wärmeaustausch zwischen dem Kreislaufzwischenteil 5 und der umgebenden Atmosphäre, der vorteilhafterweise durch die Rippen 6 gefördert wird, um einige zehn Grad C angehoben. Zur Herstellung von Sauerstoff mit einem Speiseluftdruck von etwa 10 · 10&sup5; Pa liegt die Reinheit des Produktsauerstoffs bei aneinandergrenzenden Schüttungen A und B in dem gleichen Gehäuse bei höchstens 85%, da sich bei einer Temperatur unter -70ºC ein Kaltpunkt bildet; bei der Adsorptionseinheit gemäß Fig. 1 wird die Kaltpunkttemperatur auf etwa 0ºC erhöht, und die Reinheit des Produktsauerstoffs beträgt über 90% bei einer Produktivität von etwa 10 Nm³/h/m³. Je nach Umgebungstemperatur kann die Temperatur der "kalten" Zone innerhalb eines gewählten Bereichs (in der Regel zwischen 0 und 20ºC) über Heizwiderstände 7, die um den Kreislaufzwischenteil 5 angeordnet sind, kontrolliert und reguliert werden, wobei die Adsorptionseinheit dann vorteilhafterweise wärmeisoliert ist.
  • Fig. 2 zeigt eine Einheit zur Herstellung von Sauerstoff, die eine hohe Produktivität aufweist, in der sogenannten "Vakuumzyklus"-Fahrweise betrieben wird (hoher Zyklusdruck zwischen 0,9 und 1,5 · 10&sup5; Pa und niedriger Zyklusdruck wesentlich niedriger als Normaldruck) und übereinander angeordnete, ringförmige Adsorptionsmittelschüttungen aufweist, wie sie in der im Februar 1993 offengelegten EP-A-0526343 (eigene französische Patentanmeldung Nr. 91.09718 vom 31. Juli 1991) beschrieben wird. In dieser Ausführungsform sind die Schüttungen jeweils von einem Gehäuse mit konzentrischen, perforierten, rohrförmigen Wänden umgeben und in einem Umfangsmantel 8 unter Freilassung eines ringförmigen Gasdurchgangs 9A, 9B um die Schüttungen A und B übereinander angeordnet. Die in den Eingangskanal 1 eingespeiste Druckluft strömt durch die untere Aluminiumoxidschüttung A radial nach außen bis in den unteren Durchgangsteil 9A, von wo sie in den oberen Durchgangsteil 9B gelangt und durch die obere Zeolitrischüttung B radial nach innen strömt, wobei der Sauerstoff in der Mitte in den Ausgangskanal 2 gelangt. Erfindungsgemäß ist in der Verbindungszone zwischen den Durchgangsteilen 9A und 9B auf Höhe der physikalischen Trennung zwischen dem oberen Ende der Aluminiumoxidschüttung A und dem unteren Ende der Zeolitrischüttung B durch eine Trennwand ein ringförmiger Heizwiderstand 10 angeordnet, um die Bildung eines sehr kalten Punkts auf Höhe dieser Grenzzone zu vermeiden. Vorteilhafterweise ist um die stromabwärts gelegene Zone des Zwischendurchgangs 9A eine elektrisch oder mit Heizflüssigkeitsumlauf betriebene Heizschlange 11 zum Erhitzen des Mantels 8 unter Bildung eines Heizkörpers und auch zur Vermeidung der Abkühlung des oberen Teils der Aluminiumoxidschüttung A angeordnet. Gemäß einem spezielleren Merkmal der Erfindung, wie weiter oben bereits erwähnt, sind die Zwischendurchgänge 9A und 9B und somit die Schüttungen A und B insgesamt von einem ringförmigen Gehäuse aus Isoliermaterial 12, beispielsweise glasfaserbeladenem expandiertem Polystyrol, umgeben, das auf der Außenfläche des Mantels 8 angeordnet ist.
  • Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 2 und von der obengenannten französischen Patentschrift dadurch, daß der Sauerstoffabzug nach unten nicht zentral, sondern peripher verläuft, wobei die zentrale Zone 13 im Inneren der Schüttung B nach oben mit einem ringförmigen Durchgang 14, der nach unten in den Sauerstoffausgang 2 mündet und sich axial zwischen dem die Isolierung 12 tragenden Mantel 8 und einem die Durchgangsteile 9A und 9B außen begrenzenden Zwischenmantel 15 erstreckt, in Verbindung steht. So werden die gesamten Durchgangsteile 9A und 9B weitgehend bei der Temperatur des aus der oberen Schüttung B austretenden Produktsauerstoffs gehalten, die mit Hilfe des Mantels 15 darüber hinaus herabgesetzt wird. Zusätzliche Heizwiderstände wie 10 und 11, wie sie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurden, können beibehalten werden. Als Variante kann man nur einen einzigen ringförmigen Teil des Produktgaskreislaufs um die Verbindungszone zwischen den Durchgangsteilen 9A und 9B anordnen.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung anhand besonderer Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Vielmehr stehen dem Fachmann zahlreiche Möglichkeiten für Modifikationen und Varianten zu Gebote. Sie kann auf die PSA-Herstellung von anderen Gasen als Sauerstoff aus Gasgemischen mit Komponenten, die von Adsorptionsmittelschüttungen unterschiedlich stark absorbiert werden, angewandt werden.

Claims (13)

1. Druckwechseladsorptionsverfahren zur Herstellung eines Gases durch Trennung eines dieses Gas enthaltenden Gasgemischs in mindestens einer Adsorptionseinheit, die eine erste Schüttung (A) aus wasserzurückhaltendem Adsorptionsmittel und eine zweite Schüttung (B) aus trennwirksamem Adsorptionsmittel, die paarweise zusammengehören und in einem Kreislauf zur Herstellung dieses Gases hintereinander angeordnet sind, enthält, mit einem Gasherstellungsschritt, bei dem man das Gasgemisch nacheinander durch die erste Schüttung und dann durch die zweite Schüttung leitet, dadurch gekennzeichnet, daß man:
- einen Gasdurchgangszwischenteil (5), der eine geringe Ausdehnung aufweist und eine permanente direkte Verbindung zwischen der ersten Schüttung (A) und der zweiten Schüttung (B) herstellt, bereitstellt und
- dem Durchgangszwischenteil zur Erhöhung der Temperatur einen Wärmestrom zuführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Durchgangszwischenteil (5) in permanente Wärmeaustauschbeziehung mit einer Wärmequelle (6; 10; 11) bringt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Wärmequelle ein Gas verwendet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Gasgemisch Luft einsetzt und als Produktgas Sauerstoff herstellt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur des Gasdurchgangszwischenteils bei einem Wert von mindestens -20ºC hält.
6. Adsorptionseinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in einem Kreislauf zur Herstellung dieses Gases hintereinander angeordnet einen Gasgemisch-Eingang (1), ein Paar aus einer ersten Adsorptionsmittelschüttung (A) und einer zweiten Adsorptionsmittelschüttung (B), die zusammengehören, und einen Gasausgang (2) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kreislaufzwischenteil mit geringer Ausdehnung (5), der mindestens einen stromabwärts gelegenen Teil der ersten Schüttung (A) direkt mit mindestens einem stromaufwärts liegenden Teil der zweiten Schüttung (B) verbindet und mit Mitteln (6; 10; 11; 14), um mindestens dem durch den Kreislaufzwischenteil hindurchgehenden Gas einen Wärmestrom zuzuführen, zusammengehört, enthält.
7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangszwischenteil (5) zwischen den Adsorptionsmittelschüttungen (A, B) einen Gasdurchgang mit vermindertem Querschnitt definiert.
8. Einheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreislaufzwischenteil zumindest teilweise in Wärmeaustauschbeziehung mit einer Wärmequelle (10; 11) steht.
9. Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Wärmequelle um ein Gas handelt.
10. Einheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Wärmequelle um einen Wärmeerzeuger (7; 10; 11) handelt.
11. Einheit nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schüttung (A) und die zweite Schüttung (B) in einem ersten Gehäuse (3) bzw. einem zweiten Gehäuse (4), welche aneinander angrenzen, angeordnet sind.
12. Einheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gehäuse ringförmig sind, wobei der Kreislaufzwischenteil ringförmig ist.
13. Einheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schüttung (A) und die zweite Schüttung (B) außenherum wärmeisoliert (12) sind.
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