DE69702991T2

DE69702991T2 - Vakuumwechseladsorptionsverfahren mit Energiezurückgewinnung

Info

Publication number: DE69702991T2
Application number: DE69702991T
Authority: DE
Inventors: Rakesh Agrawal; Charles Franklin Watson; Paul Anthony Webley; Joseph Gerard Wehrman
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: DE69702991D1; ES2149550T3; EP0791388B1; EP0791388A3; CA2197738C; CA2197738A1; US5656067A; EP0791388A2

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Druck- bzw. Vakuumwechsel-Adsorptionsverfahren für die Trennung einer stärker adsorbierbaren Komponente von einer weniger stark adsorbierbaren Komponente in einem Gasgemisch mit hoher Wiedergewinnung der weniger stark adsorbierbaren Komponente bei näherungsweise Speisedruck gerichtet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Vakuumwechsel-Adsorptionsverfahren für die Trennung bzw. Zerlegung von Luft, um Sauerstoff als ein relatives nicht-adsorbiertes Produkt mit hoher Wiedergewinnung und bei näherungsweise Speisedruck wiederzugewinnen, wobei überlappende Evakuierungs-Schritte und verschiedene Techniken für die Gewinnung der Druckenergie eingesetzt werden, die in den Verfahrensgasströmen enthalten ist.
Sauerstoff ist eine handelsübliche Ware in der gewerblichen Gasindustrie. Es hat zahlreiche Anwendungen, einschließlich der Abwasserbehandlung, der Pulpe-Bleichung, der Glasherstellung und der Stahlherstellung. Eines der üblichsten Verfahren zur Sauerstoff- Herstellung basiert auf adsorptiver Gas-Zerlegung. Diese Technologie ist jedoch nicht wettbewerbsfähig für große Sauerstoff-Anlagen (> 90 US Tonnen pro Tag ("TPD" für tons per day); > 80 metrische Tonnen/Tag ("tpd" für tonnes per day) O&sub2;). Die Technologie der Wahl für diesen Größenbereich ist die kryogene Destillation von Luft. Auf dem Mark besteht ein Bedarf für die Erzeugung von Sauerstoff in Mengen von > 90 TPD (> 80 tpd) bei niedrigen Kapital- und Energiekosten durch adsorptive Gaszerlegung.
Es gibt zwei größere Kategorien von adsorptiven Sauerstoff-Herstellungsverfahren, nämlich die Druckwechsel-Adsorptionsverfahren (PSA für pressure swing adsorption) und die Vakuumwechsel-Adsorptionsverfahren (VSA für vacuum swing adsorption). Die Druckwechsel-Adsorptionsverfahren führen den Adsorptions-(Speisungs-)Schritt bei Drücken, die viel höher als der Umgebungsdruck sind, und die Regeneration des Adsorptionsmittels bzw. Adsorbents bei Drücken nahe dem Umgebungsdruck durch. Die Adsorptionsmittel-Betten durchlaufen sekundäre Verfahrensschritte, wie beispielsweise Druckausgleichungen, Herunterblasen (blowdowns) sowie Spülen bzw. Reinigung oder verschiedene Kombinationen dieser Schritte während eines Zyklus. Typische Beispiele von PSA O&sub2;-Verfahren werden in der US-A-3,4430,418; der US-A-4,589,888; der US-A- 4,650,501 und der US-A-4, 981,499 beschrieben.
Solche Verfahren neigen dazu, energieintensiv und geeigneter für kleinere Sauerstoff- Anlagen zu sein, die weniger als 20 US-Tonnen (18 metrische Tonnen) Sauerstoff pro Tag und bevorzugt weniger als 5 US-Tormen (4, 5 metrische Tonnen) Sauerstoff pro Tag erzeugen. Ein Untersatz der O&sub2;-PSA-Verfahren ist das rasche Druckwechsel-Adsorptions (RPSA für rapid pressure swing adsorption)-Verfahren. Wie der Name andeutet, benutzt dieses Verfahren ähnliche Schritte wie ein PSA-Verfahren, führt jedoch diese Schritte sehr rasch durch. Auch dieses Verfahren neigt jedoch dazu, energieintensiv und nur geeignet für Sauerstoffanlagen zu sein, die sogar noch kleiner als O&sub2;-PSA-Anlagen sind.
Primäre Gründe für den hohen Energieverbrauch in PSA-Anlagen sind:
(1) Die O&sub2;-Wiedergewinnung aus diesem Verfahren ist gering, und
(2) der gesamte Speise- bzw. Rohgasstrom muss bis auf den Adsorptionsdruck komprimiert werden.
Diese Unzulänglichkeiten werden bei Vakuumwechsel-Adsorptions(VSA)-Verfahren im gewissen Maße umgangen. Bei diesem Verfahren wird die Adsorption bei einem Druck ausgeführt, der etwas über dem Umgebungsdruck liegt, und die Regeneration des Adsorptionsmittels wird bei Druckwerten unterhalb des Atmosphärendrucks ausgeführt. Die Adsorptionsmittel-Betten durchlaufen mehrere sekundäre Schritte mit dem Hauptziel, die Sauerstoff-Rückgewinnung zu erhöhen und den Bestand an Adsorptionsmittel pro Einheit Produktgas zu reduzieren. Die meisten kommerziellen Sauerstoff-VSA-Verfahren verwenden zwei oder drei Adsorber, ein Speisegas-Gebläse, ein Vakuum-Gebläse und möglicherweise einen Produkt-Druckausgleichsbehälter (surge tank).
Die US-A-4,917,710 beschreibt ein O&sub2;-VSA-Verfahren mit zwei Betten und mit einem Produkt-Speicherbehälter. Die Verfahrenszyklus-Schritte sind: Adsorption, Druckabsenkung im Gleichstrom, gleichzeitige Druckabsenkung im Gleichstrom und Evakuierung, Evakuierung, Vakuum-Spülung durch das Produkt, Vakuum-Spülung durch Gas, das in einem Gleichstrom-Druckabsenkungsschritt erhalten wurde, gleichzeitige Druckausgleichung und erneute Druckbeaufschlagung des Produktes und gleichzeitige erneute Speise- und Produkt-Druckbeaufschlagung. Das Gas für die erneute Produkt- Druckbeaufschlagung und das Produktspülen wird aus dem Produktspeicherbehälter erhalten. Das Gas für die Druckausgleichung wird von dem Bett erhalten, das sich auf dem gleichzeitigen Gleichstrom-Druckabsenkung- und Evakuierungs-Schritt befindet.
Die US-A-4,781,735 offenbart ein O&sub2;-VSA-Verfahren mit drei Betten und den folgenden Schritten: Adsorption, Speisung-zu-Speisung- oder duale End-Druckausgleichung, Druckabsenkung im Gleichstrom, Evakuierung, Vakuumspülen durch Gas, das in dem Gleichstrom-Druckabsenkungs-Schritt erhalten wurde, erneute Produkt- Druckbeaufschlagung von einem Bett, das sich auf dem Zuführschritt befindet, gleichzeitige Speise-Wiederbedruckung und Speisung-zu-Speisung- oder dualer End-Druckausgleich.
Die EP-A-0 354 259 umreißt verschiedene Optionen für ein O&sub2;-VSA-Verfahren mit zwei Betten: Adsorption, Druckabsenkung im Gleichstrom, Evakuierung, Druckausgleich mit Gas, das in dem Gleichstrom-Druckabsenkungsschritt und bei der erneuten Bedruckung des Zuführgases erhalten wurde. Eine Option umfasst das Vakuum-Spülen durch Produktgas von dem Bett beim Adsorptions-Schritt.
Die US-A-5,015,271 beschreibt ein O&sub2;-VSA-Verfahren mit den Schritten: Adsorption, gleichzeitige Gleichstrom-Druckabsenkung und Gegenstrom-Evakuierung oder Speisung, Gegenstrom-Evakuierung, gleichzeitiger Produkt-zu-Produkt-Druckausgleich und erneutes Wiederbedrucken der Speisung, oder Vakuum-Spülung, gleichzeitige Speisung und erneute Produkt-Bedruckung und Speisung-Wiederbedruckung.
Die US-A-5,122,164 beschreibt ein O&sub2;-VSA-Verfahren mit den Schritten: Adsorption, gleichzeitige Gleichstrom-Druckabsenkung und Gegenstrom-Evakuierung, Gegenstrom- Evakuierung, Vakuum-Spülen, Druckabgleichen mit Gas von einem Bett, das die Gleichstrom-Druckabsenkung und die erneute Produkt-Wiederbedruckung durchläuft.
Die US-A-5,223,004 beschreibt ein O&sub2;-VSA-Verfahren mit den Schritten: Adsorption, gleichzeitige Gleichstrom-Druckabsenkung und Gegenstrom-Evakuierung, Gegenstrom- Evakuierung, Spülen bzw. Reinigen, erneutes Unterdrucksetzen mit dem Produkt und Gleichstrom-Druckabsenkungsgas von einem anderen Bett sowie Wiederunterdrucksetzen mit Produkt und Speisung.
Die US-A-5,429,666 beschreibt ein Zweibett-O&sub2;-VSA-Verfahren mit den Schritten: Adsorption, gleichzeitige Gleichstrom-Druckabsenkung und Gegenstrom-Evakuierung, Gegenstrom-Evakuierung, Spülen bzw. Reinigung, gleichzeitiges Wiederunterdrucksetzen mit Speisegas-Gemisch und Gleichstrom-Druckabsenkungsgas, und erneutes Unterdrucksetzen mit verschiedenen Kombinationen von Speisegas, Produktgas und Umgebungsluft.
Die oben beschriebenen Verfahren sind ideal zur Herstellung von bis zu 90 TPD (80 tpd) O&sub2; von einer einzigen Anlage. Es gibt jedoch einen Ansporn, nach alternativen Verfahren für Anlagen-Größen von mehr als 90 TPD (80 tpd) zu suchen, und zwar aufgrund der folgenden beiden Faktoren:
1. Maximale Vakuumpumpen-Größe. Gebläse vom Typ der Roots-Verdrängerpumpen, die üblicherweise für diese Anwendung eingesetzt werden, haben eine maximale Größe von effektiven 30.000 Kubikfuß/Minute ("ACFM" für actual cubic feet per minute) (850 m³/min). Dies reicht aus, um bis zu 90 TPD (80 tpd) O&sub2; zu erzeugen. Über diesen Grenzwert hinaus werden jedoch zwei Vakuumpumpen benötigt.
2. Adsorber-Größe. Typische O&sub2;-VSA-Verfahren erreichen eine Adsorptionsmittel- Produktivität von 1,0 bis 1,5 TPD (0,9-1,4 tpd) O&sub2; Produktion pro US-Tonne (0,9 t) Adsorptionsmittel. Auf diesem Produktivitäts-Niveau beträgt die maximale Produktion, die mit zwei oder drei Adsorbern mit einem Durchmesser von 15 Fuß (4,5 m) erreicht werden kann, 60 bis 90 TPD (55-80 tpd). Die Produktivität des Adsorptionsmittels ist eine Funktion der pro Zyklus erzeugten Menge an O&sub2; und der Länge der Zeit (T), die für die Beendigung jedes Zyklus benötigt wird. Für eine Anlage mit einer einzigen Vakuumpumpe beträgt der minimale Wert von T n mal E, wobei n die Zahl der Adsorber und E die minimale praktikable Evakuierungszeit sind. E beträgt üblicherweise 40 bis 45 s, während T für ein Zweibett-Verfahren im allgemeinen 80 bis 90 s und für ein Dreibett-Verfahren im allgemeinen 120 bis 135 s beträgt.
Die oben beschriebenen O&sub2;-VSA-Verfahren sind bis zu 90 TPD (80 tpd) wirtschaftlicher als die Kryogen-Technologie. Über 90 TPD (80 tpd) hinaus nehmen jedoch die Vorteile der O&sub2; VSA ab. Hierfür gibt es zwei Gründe:
1. Über 90 TPD (80 tpd) hinaus sind zwei parallele VSA-Anlagen des oben beschriebenen Typs erforderlich. Die Kosten hierfür betragen im allgemeinen im wesentlichen das Doppelte der Kosten für eine einzige Anlage. Im Gegensatz hierzu ist der Kosten- Multiplikator für eine Kryogen-Anlage doppelter Größe das 1,5-fache.
2. Der Einheits-Energieverbrauch einer Kryogen-Anlage sinkt mit einer Erhöhung der Anlagengröße, da effizientere Kompressoren verwendet und die Gelegenheiten für die Wärme-Integration und die Energie-Rückgewinnung ausgenutzt werden. Die Einheits- Energie paralleler VSA-Anlagen sinkt jedoch typischerweise nicht ab trotz signifikanter Gelegenheiten in dem Verfahren für die Energie-Optimierung. Die folgende Tabelle 1 stellt die Resultate einer Exergie-Analyse für das Zweibett-Verfahren zusammen, das in der US-A-5,429,666 beschrieben wird.

Tabelle 1

Verteilung der Verlustarbeit

Zyklus/Sieb/Betten 34%
Vakuumgebläse 32%
Speisegasgebläse 18%
Abgasstrom 7%
Vakuumleitung, DP, DT 6%
Zuführleitung, DP, DT 3%
Die theoretische Trennarbeit stellt nur 15% des gesamten Energieverbrauchs dar. Vakuum- und Speisegas-Gebläse-Unzulänglichkeiten bzw. Leistungsmängel tragen nur zur Hälfte der Verlustarbeit in dem System bei. Die verlorene Expansionsenergie trägt weitere 33% bei.
Es sind verschiedene Verfahren, die zwei integrierte Vakuumpumpen und vier oder mehr Adsorber verwenden, vorgeschlagen worden, um die 90 TPD (80 tpd) Beschränkung für eine einzige Produktions-Strecke zu überwinden.
Die US-A-5,393,326 beschreibt ein Sauerstoff-VSA-Verfahren, das zwei Evakuierungsstufen enthält. Jede Stufe wird durch eine getrennte Vakuum-Maschine durchgeführt. Diese Maschinen könnten vom gleichen Typ oder von unterschiedlichen Typen sein, beispielsweise volumetrische oder zentrifugale Maschinen.
Die US-A-5,330,561 beschreibt ein Vierbetten-O&sub2;-VSA-Verfahren mit zwei Vakuumpumpen und den Schritten: Adsorption, Gleichstrom-Druckabsenkung, um Spülgas zu liefern, gleichzeitige Gegenstrom-Evakuierung und Gleichstrom-Druckabsenkung, um ein Druckausgleichsgas zu liefern, Gegenstrom-Evakuierung in zwei aufeinanderfolgenden Pump-Unterschritten, Gegenstrom-Spülung, Empfang des oben erwähnten Druckausgleichsgases und erneutes Unterdrucksetzen mit verschiedenen Kombinationen von Produktgas, Speisegas oder Umgebungsluft.
Die US-A-5,411,578 beschreibt ein Vierbetten-O&sub2;-VSA-Verfahren mit zwei Vakuumpumpen und den Schritten: Adsorption, Gleichstrom-Druckabsenkung, um Produktgas zu liefern, Gleichstrom-Druckabsenkung, um Spülgas zu liefern, zwei aufeinanderfolgende Unterschritte einer Gegenstrom-Evakuierung, Gegenstrom-Spülung, teilweise Druckerhöhung mit Produktgas, gefolgt von einer weiteren Druckerhöhung mit Speisegas. Zu den Optionen gehören gleichzeitige Gleichstrom-Druckabsenkung, um Druckausgleichsgas zu liefern, nach dem Spül-Schritt, und gleichzeitige Unterdrucksetzung mit Umgebungsluft während des teilweisen Produkt-Druckerhöhungs-Schrittes.
Die US-A-5,246,676 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff aus Luft unter Verwendung von drei Betten, wobei die Luft den folgenden Schritten unterworfen wird: Adsorption, Gegenstrom-Evakuierung einschließlich wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Pump-Unterschritten, und erneute Unterdrucksetzung des Produktes. Zu den verschiedenen Optionen dieses Zyklus gehören: Gleichstrom-Druckabsenkung, um Spülgas für das unter Vakuum befindliche Bett zu liefern, weitere Gleichstrom-Druckabsenkung zur Lieferung eines teilweise erneut unter Druck gesetzten Gases und Gleichstrom-Druckabsenkung zu einem Speichertank, aus dem ein Teil des Spülgases abgezogen wird.
Die oben beschriebenen dualen Vakuum-Zyklen haben die Fähigkeit, die Kapazität einer einzigen Verfahrensstrecke über 90 TPD (80 tpd) hinaus zu erhöhen und den Energieverbrauch zu reduzieren, indem mehr Zeit für die Evakuierungs-Phase zugestanden wird und effizientere Maschinen in dem Hochvakuum-Bereich benutzt werden können. Sie bieten jedoch keine signifikante Verbesserung in der Adsorptionsmittel-Produktivität in Bezug auf die Zyklen mit zwei oder drei Betten.
Der Markt hat deshalb einen eindeutigen Bedarf für ein O&sub2;-VSA-Verfahren, das den Größenbereich eines einzigen Apparates (skid) oder einer Produktionsanlage (d. h. eine Plattform, die typischerweise nicht breiter als die Abmessung ist, die auf einen Lastwagen oder einen Zug passen könnte) über 90 TPD (80 tpd) hinaus erweitert, wodurch die Adsorptionsmittel-Produktivität wesentlich erhöht wird; außerdem sollte dieses Verfahren den Maschinenpark mit den internen Verfahrensströmen integrieren, um die Energie- Vergeudung zu reduzieren. Die folgende Erfindung umreißt ein solches Verfahren.
Die vorliegende Erfindung schafft ein VSA-Verfahren zur selektiven Trennung einer stärker adsorbierbaren Komponente von einer weniger stark adsorbierbaren Komponente einer Speisegasmischung in mehreren Adsorptionsbetten, die ein Adsorptionsmittel enthalten, das selektiv für die stärker adsorbierbare Komponente ist, wobei zwei Vakuumpumpen verwendet werden und jedes Bett die aufeinanderfolgenden, phasenverschobenen Schritte aufweist:
(a) Einführung der Speisegasmischung bei erhöhtem Druck in einen Einlass des ("ersten") Bettes, um die stärker adsorbierbare Komponente auf dem Adsorptionsmittel zu adsorbieren, während die weniger stark adsorbierbare Komponente das erste Bett unadsorbiert als Produkt und als Spülgasquelle für ein Bett durchströmt, das den jeweiligen Schritt (e) durchläuft, Weiterführung bis zu einer vorgegebenen Grenze und Beendigung der Einführung der Speisegasmischung in das erste Bett;
(b) nach der Beendigung der Einführung der Speisegasmischung in das erste Bett Gleichstrom-Druckabsenken des ersten Bettes auf einen Zwischendruck, um Gas an einem Auslass eines Bettes abzunehmen, das ein erneutes Unterdrucksetzen im jeweiligen Schritt (f) durchläuft, um die beiden Betten wenigstens teilweise auf den gleichen Druck zu bringen, während der Druck im ersten Adsorptions-Bett im Gegenstrom durch expandierendes Gas in dem ersten Bett durch eine erste Vakuumpumpe abgesenkt wird, um Energie aus dem Gas wiederzugewinnen;
(c) Evakuieren des ersten Bettes im Gegenstrom durch die erste Vakuumpumpe, um einen Teil der stärker adsorbierbaren Komponente zu entfernen;
(d) Fortsetzung der Evakuierung des ersten Bettes durch eine zweite Vakuumpumpe, um einen zusätzlichen Anteil der stärker adsorbierbaren Komponente zu entfernen;
(e) Spülen des ersten Bettes im Gegenstrom mit einem Teil der weniger stark adsorbierbaren Komponente aus einem Bett, das den jeweiligen Schritt (a) durchläuft, um den letzten Anteil der stärker adsorbierbaren Komponente aus dem ersten Bett zu entfernen;
(f) erneutes Unterdrucksetzen des ersten Bettes mit Gas von einem Bett, das die Druckabsenkung im Gleichstrom des jeweiligen Schrittes (b) durchläuft, und mit Speisegasmischung, die durch ein Speisegasgebläse expandiert wird, um Energie aus dieser Mischung vor ihrem Eintritt in das erste Bett zurückzugewinnen; und
(g) weitere erneute Unterdrucksetzung des ersten Bettes mit der Speisegasmischung bei erhöhtem Druck; und
wobei die Energie, die in den Schritten (b) und (f) wiedergewonnen wird, dazu verwendet wird, die Energieanforderungen eines Bettes, das den jeweiligen Schritt (d) durchläuft, zu reduzieren.
Das Bett kann gleichzeitig mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente und der Speisegasmischung nach Schritt (g) erneut unter Druck gesetzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der Druckausgleich in Schritt (b) durchgeführt, um die Gleichmachung der Drücke in den beiden Betten zu Ende zu bringen, die den Druck-Gleichmachungsschritt durchlaufen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind beide Vakuumpumpen und das Luftgebläse auf der gleichen Motorwelle montiert, um die Übertragung der wiedergewonnenen Energie zu vereinfachen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Luftgebläse um eine Verdrängerpumpe vom Roots-Typ.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Vakuumpumpe eine einstufige Verdrängerpumpe vom Roots-Typ.
Nach einer bevorzugten Ausführungform ist die zweite Vakuumpumpe eine zweistufige, wasser-injizierte Verdränger-Pumpe vom Roots-Typ.
Das Spülgas kann durch eine Expansionsvorrichtung expandiert werden, um die darin enthaltene Druckenergie wiederzugewinnen und sie dazu zu verwenden, die Energieanforderungen der Gegenstrom-Spülung nach Schritt e) zu reduzieren.
Das Gleichstrom-Druckabsenkungsgas nach Schritt b) kann durch einen Expander bzw. eine Expansionsmaschine expandiert werden, um Energie wiederzugewinnen und damit um die Energieanforderungen an die Gegenstrom-Evakuierung nach Schritt (d) weiter zu verringern.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Speisegasgemisch Luft, wobei die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff und die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren in drei Adsorbern ausgeführt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur selektiven Trennung des Stickstoffs von Sauerstoff in Luft, wobei zwei Vakuumpumpen und drei Adsorptionsbetten verwendet werden, die ein Adsorptionsmittel enthalten, das für Stickstoff selektiv ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
(a) Einführung von Speiseluft bei erhöhtem Druck in einen Einlass eines ersten Adsorptionsbettes, das ein Adsorptionsmittel enthält, das für Stickstoff selektiv ist, und Stickstoff auf dem Adsorptionsmittel adsorbiert, während Sauerstoff das erste Bett unadsorbiert als Produkt und als Spülgas-Quelle für ein zweites Bett passiert, das den Spülschritt (e) durchläuft, bis die Adsorptions-Front des Stickstoffs sich einem Auslass des ersten Bettes nähert und die Einführung der Luft in das erste Bett beendet wird;
(b) nach der Beendigung der Einführung der Luft in das erste Bett das Gleichstrom- Druckabsenken des ersten Bettes, um ein Gleichstrom-Druckabsenkungsgas von dem ersten Bett abzunehmen und das Gleichstrom-Druckabsenkungsgas zu dem Auslass eines zweiten Bettes bei niedrigem Druck zu führen, das ein erneutes Unterdrucksetzen nach Schritt (f) durchläuft, um das erste Bett und das zweite Bett wenigstens teilweise auf den gleichen Druck zu bringen, während das erste Bett durch Expansion des Stickstoffs bei erhöhtem Druck in dem ersten Adsorptionsbett im Gleichstrom eine Druckabsenkung durchläuft, um Energie aus dem Stickstoff wiederzugewinnen und dadurch die Energieanforderungen der Gegenstrom-Evakuierung nach Schritt (d) zu reduzieren;
(c) Evakuieren des ersten Bettes im Gegenstrom durch die erste Vakuumpumpe, um einen Teil des Stickstoffs von dem ersten Bett zu entfernen;
(d) Weiterführung der Evakuierung des ersten Bettes durch die zweite Vakuumpumpe, um einen zusätzlichen Anteil des Stickstoffs zu entfernen;
(e) Spülen des ersten Bettes im Gegenstrom mit Sauerstoff von einem zweiten Bett, das den Schritt (a) durchläuft, um einen letzten Anteil des Stickstoffs von dem zweiten Bett zu entfernen;
(f) erneutes Unterdrucksetzen des ersten Bettes mit Gleichstrom-Druckabsenkungsgas von einem zweiten Bett bei höherem Druck, das die Gleichstrom-Druckabsenkung nach Schritt (b) durchläuft, und mit Speisegas bei Umgebungsdruck, das sich durch ein Speisegasgebläse expandiert, bevor es in das erste Adsorptionsbett eintritt, wobei die wiedergewonnene Energie dazu verwendet wird, zusätzlich die Energieanforderungen der Gegenstrom-Evakuierung von Schritt (d) zu reduzieren;
(g) weitere erneute Unterdrucksetzung des ersten Bettes mit Speiseluft bei erhöhtem Druck; und
(h) Durchführen der Schritte (a) bis (f) in jedem der beiden Adsorptionsbetten in einer Phasen verschobenen Sequenz bzw. Folge.
Als Alternative wird das erste Bett in Schritt (g) gleichzeitig mit Produkt-Sauerstoff und mit der Speiseluft bei erhöhtem Druck erneut unter Druck gesetzt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Speiseluft bei einem Druck im Bereich von 15-30 psia (100-200 kPa).
Besonders bevorzugt befindet sich die Speiseluft bei einem Druck im Bereich von 15-24 psia (100-165 kPa).
Es folgt nun eine Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von drei parallelen Adsorptions-Betten, zwei Vakuumpumpen und entsprechenden zugehörigen Rohr- und Ventilanordnungen für das Zuführgas, die Evakuierung, das Reinigen bzw. Spülen, den Druckausgleich und das erneute Unterdrucksetzen. Sie ermöglicht Wiedergewinnung der Druckenergie, die in den Strömen der Gegenstrom- Druckabsenkung und Umgebungsluft-Wiederunterdrucksetzung enthalten ist.
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von drei Adsorptionsbetten, zwei Vakuumpumpen, einer Expansionsvorrichtung und entsprechenden zugehörigen Rohr- und Ventilanordnungen. Sie ermöglicht die zusätzliche Wiedergewinnung der Druckenergie, die in den Strömen der Gleichstrom-Druckabsenkung/Druck- Ausgleich und Produktspülung enthalten sind.
Beide bevorzugte Ausführungsformen haben die folgenden Schritte:
1. Adsorption (A) zur Erzeugung von Produkt- und Spülgas,
2. Gleichstrom-Druckabsenkung (PPE) zur Erzeugung des Druckausgleichs-Gases und der gleichzeitigen Einleitung der Gegenstrom-Druckabsenkung (DP) mit Wiedergewinnung der Expansionsenergie, die sich aus dem DP-Gas ergibt, das durch die erste Vakuumpumpe zur Atmosphäre expandiert wird,
3. Gegenstrom-Evakuierung durch die erste Vakuumstrecke (E1),
4. Gegenstrom-Evakuierung durch die zweite Vakuumstrecke (E2),
5. Gegenstrom-Spülung (PU) mit Produkt von (A),
6. Druckausgleich (RPE) mit Gleichstrom-Druckabsenkungsgas vom (PPE) und erneute Unterdrucksetzung mit Zuführgas unter Umgebungsdruck (ARP) unter Wiedergewinn der Expansionsenergie, die sich aus der Expansion des Umgebungs-Zuführgases durch das Zuführgasgebläse in die subatmosphärische Druckumgebung des Adsorbers ergibt, und
7. erneute Unterdrucksetzung des Zuführgases (RP) mit Speisegas unter erhöhtem Druck, möglicherweise in Kombination mit Produktgas.
Ein Diagramm des Prozesszyklus ist in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2 Dreibett-O&sub2;-VSA mit Leistungsrückgewinnung
A - Adsorption zur Erzeugung von Produkt (Speisegasmischung)
PPE/DP - Gleichstromdruckabsenkung zur Erzeugung von Druckausgleichsgas und gleichzeitige Gegenstrom-Druckabsenkung
E1 - Gegenstromevakuierung durch erste Vakuumpumpe
E2 - Gegenstromevakuierung durch zweite Vakuumpumpe
PU - Gegenstromvakuumspülung mit Produkt
RPE/ARP - Druckausgleich mit Gleichstrom-Druckabsenkungsgas und Wiederunterdrucksetzen mit Speisegasmischung bei Umgebungsdruck
RP - Wiederunterdrucksetzung mit Speisegasgemisch bei erhöhtem Druck und optional mit Produktgas.
Verfahrensschritte für die bevorzugte Ausführungsform werden nun im Detail beschrieben werden:
1. Adsorptionsschritt (A), der aufweist:
a. Strömen des Speisegasgemisches bei erhöhtem Druck, beispielsweise von Luft bei einem Druck von 15 bis 30 psia (100-200 kPa), durch ein Bett, das mit einem oder mehreren Adsorptionsmitteln gepackt ist, das bzw. die selektiv Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff aus Luft adsorbieren kann bzw. können.
b. Abziehen eines Abstroms, der aus Produkt-Sauerstoff bei Speisedruck besteht. Ein Teil dieses Stroms wird als Spülgas für das Bett beim Schritt S verwendet, und der Rest bildet das Sauerstoff-Produkt.
c. Fortsetzung der Schritte 1(a) und 1(b) für eine vorbestimmte Zeitspanne oder bis die Konzentration der Stickstoff-Verunreinigung in dem Abstrom eine vorgegebene Grenze erreicht. Das Bett wird nun als "verbraucht" ("spent") bezeichnet, weil es seine Fähigkeit für die Entfernung von Stickstoff aus dem Speisegas erschöpft hat.
2. Gleichstrom- und Gegenstrom-Druckabsenkungsschritt (PPE/DP), der aufweist:
a. Beendigung der Speiseströmung durch das verbrauchte Bett und Umschaltung der Speiseströmung zu einem anderen VSA-Bett.
b. Reduzieren des Drucks in dem verbrauchten VSA-Bett von dem Adsorptions- Druckpegel auf einen "Zwischen-"Pegel (10-15 psia; 70-100 kPa) durch Verbinden des Produkt-Endes dieses Bettes mit dem Produkt-Ende des VSA-Bettes von Schritt 6 seines Zyklus, während gleichzeitig die Gegenstrom-Druckabsenkung des verbrauchten VSA- Bettes durch die erste Vakuumpumpe eingeleitet wird. Das Gegenstrom-Druckabsenkungsgas befindet sich ursprünglich bei einem superatmosphärischen Druck, und die Energie, die freigegeben wird, wenn sich das Gas durch die erste Vakuumpumpe auf den Atmosphärendruck expandiert, wird wiedergewonnen und dazu verwendet, den Energieverbrauch der zweiten Vakuumpumpe zu reduzieren. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform wird die in dem Gleichstrom-Druckabsenkungs-Strom enthaltene Expansionsenergie unter Verwendung einer Expansionsvorrichtung wiedergewonnen und dazu eingesetzt, den Energieverbrauch der zweiten Vakuumpumpe weiter zu reduzieren.
c. Beendigung des obigen Schrittes, wenn der Druck in dem verbrauchten VSA-Bett den vorgegebenen Zwischendruckpegel erreicht hat.
3. Gegenstrom-Evakuierungsschritt (E1), der aufweist:
a. Weitere Verringerung des Drucks in dem verbrauchten Bett von dem Zwischenpegel auf einen "niedrigeren" Pegel (6,0-10,0 psia; 41-69 kPa) durch Verbinden des Speisegasendes des verbrauchten VSA-Bettes mit der ersten Vakuumpumpe.
b. Fortsetzung des obigen Schrittes, bis der Druck in dem VSA-Bett den vorgegebenen, unteren Druckpegel erreicht hat.
4. Gegenstrom-Evakuierungsschritt (E2), der aufweist:
a. Weitere Reduktion des Drucks in dem verbrauchten Bett von dem unteren Pegel auf den "niedrigsten" Pegel (1,0-6,0 psia; 7-41 kPa) durch Verbinden des Speisegasendes des verbrauchten VSA-Bettes mit der zweiten Vakuumpumpe.
b. Fortsetzung des obigen Schrittes, bis der Druck in dem VSA-Bett den vorgegebenen, untersten Druckpegel erreicht hat.
5. Gegenstrom-Spülschritt (PU), der besteht aus:
a. Fortsetzung der Evakuierung des VSA-Bettes von dem Speisegasende her unter Verwendung der zweiten Vakuumpumpe.
b. Verbinden des Produktendes dieses Bettes mit dem Produktende eines weiteren VSA- Bettes auf Schritt 1 seines Zyklus. Als Alternative könnte Spülgas von einem Produkt- Druckausgleichsbehälter erhalten werden, falls ein solcher Behälter eingesetzt wird. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform strömt das Spülgas durch eine Expansionsvorrichtung, um seine Druckenergie wiederzugewinnen und den Energieverbrauch der zweiten Vakuumpumpe zu reduzieren.
c. Fortsetzung der obigen Schritte, bis der Druck in diesem Bett einen "unteren" Pegel (1- 10 psia; 5-70 kPa) erreicht hat.
6. Schritt des Druckausgleichs und der Wiederunterdrucksetzung auf Umgebungsdruck (RPE/ARP), der besteht aus:
a. Beendigung der Evakuierung des obigen Bettes und Beginn der Evakuierung eines weiteren VSA-Bettes. Dieses Bett wird nun als "regeneriert" bezeichnet, da seine Kapazität für die stärker adsorbierten Komponenten, wie beispielsweise die Entfernung von N&sub2;, H&sub2;O und CO&sub2; aus Luft, wieder hergestellt worden ist.
b. Verbindung des Produktendes des regenerierten Bettes mit dem Produktende des Bettes auf Schritt 2 seines Zyklus und Verbindung des Speiseendes des Bettes mit dem Speisegasgebläse. Umgebungsluft expandiert durch das Speisegasgebläse, bevor sie in den Adsorber eintritt, dessen Druck unter dem Umgebungsdruck liegt. Energie aus dieser Expansion wird wiedergewonnen und zur Verringerung des Energieverbrauchs der zweiten Vakuumpumpe verwendet.
c. Fortsetzung des obigen Schrittes für eine vorbestimmte Zeitspanne oder bis der Druck in dem regenerierten Bett den vorher bestimmten Zwischenpegel erreicht hat. Am Ende von RPE/ARP beträgt die Druckdifferenz zwischen den beiden Betten im allgemeinen weniger als 2 psia (14 kPa) und nach einer bevorzugten Ausführungsform weniger als 1 psia (7 kPa).
7. Wiederunterdrucksetzungsschritt, der besteht aus:
a. Beendigung des Druckausgleichs des regenerierten Bettes.
A. Wiederunterdrucksetzung (RP), bestehend aus:
i) Verbinden des Speisegasendes des regenerierten, druckausgeglichenen Bettes mit dem Speisegasgemisch bei erhöhtem Druck.
ii) Fortsetzung des obigen Schrittes, bis der Druck in dem regenerierten Bett nahe bei oder gleich dem vorher bestimmten Adsorptionsdruck ist.
ODER
B. Schritt der gleichzeitigen Produkt- und Speisegas-Wiederunterdrucksetzung (PRP/FRP), der besteht aus:
i) Verbinden des Produktendes des regenerierten Bettes mit dem Produkt- Vorratsbehälter und Öffnen des Speisegasendes des regenerierten Bettes zu dem Speisegasgebläse.
ii) Fortsetzung des obigen Schrittes, bis der Druck in dem regenerierten Bett gleich dem vorher bestimmten Adsorptionsdruck ist.
Das Fließ-Schema und die Hardware werden für jede der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung etwas unterschiedlich sein. Fig. 1 zeigt ein Fließ-Schema für die erste bevorzugte Ausführungsform mit Wiedergewinnung der Expansionsenergie aus dem Gegenstrom-Druckabsenkungsstrom von Schritt (2) und dem Wiederunterdrucksetzungsstrom der Umgebungsluft von Schritt (6). Die Tabelle 3 umreißt die entsprechende Ventil-Folge für eine typische Zyklus-Zeit. Eine detaillierte Prozessbeschreibung des Zyklus bei typischen Betriebsbedingungen für die in Fig. 1 und in Tabellen 2 und 3 beschriebene Prozess-Option wird unten gegeben: Tabelle 3 Ventilfolge: Dreibett-O&sub2;-VSA-Ausführungsform 111
o = offen, sonst geschlossen
Umgebungsluft, die auf Speisedruck (21 psia; 145 kPa) durch ein Speisegasgebläse 110 komprimiert wurde, das durch einen Motor 108 angetrieben wird, bildet das Speisegasgemisch bei erhöhtem Druck und tritt durch die Rohrleitung 100 und das offene Ventil 1 in das erste Bett A ein, das bereits auf dem Adsorptionsdruck unter Druck gesetzt worden ist. Die Betten A, B und C sind mit Adsorptionsmittel(n) gepackt, die für die Entfernung von Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff aus Luft selektiv sind. Produkt- Sauerstoff wird über das offene Ventil 10 und die Rohrleitungen 104 zu dem Produktreservoir 109 abgezogen. Ein Teil des Produkt-Sauerstoffs wird durch die Rohrleitung 103 und die offenen Ventile 11 und 13 als Spülgas für das Bett B abgezogen. Die Speisegasströmung wird nach einer vorgegebenen Grenze beendet, die durch eine vorgegebene Zeitspanne oder die Stickstoff-Konzentration in dem Abstrom von dem Bett A oder die Annäherung der Adsorptions-Front an den Bett-Auslass festgelegt wird. Der Druck in dem Bett A wird auf ungefähr 15 psia (100 kPa) reduziert, indem die Ventile 1 und 10 geschlossen und die Ventile 11 und 13 geöffnet und das Bett A mit dem Bett B über die Rohrleitung 103 verbunden werden. Das Bett A wird gleichzeitig in seinem Druck über das offene Ventil 2 und die Rohrleitung 101 durch die Vakuumpumpe 111 abgesenkt. Die aus diesem expandierenden Strom wiedergewonnene Energie wird dazu verwendet, die Energieanforderungen der Vakuumpumpe 112 zu reduzieren. Das Ventil 11 wird dann geschlossen, und das Ventil 13 bleibt geöffnet, bis das Bett A einen Evakuierungsdruckpegel von ungefähr 7 psia (50 kPa) erreicht. Das Ventil 2 schließt dann, und das Bett A setzt die Evakuierung auf ungefähr 4 psia (30 kPa) über das offene Ventil 3 und die Rohrleitung 102 durch die Vakuumpumpe 112 fort. Das Ventil 3 wird für eine vorbestimmte Zeitspanne offen gehalten, während das Ventil 11 zu dem Vakuumspülbett A durch die Rohrleitung 103 mit Produkt-Sauerstoff von dem Bett C über das offene Ventil 15 geöffnet wird. Das Ventil 3 wird dann geschlossen, und die Ventile 1, 11 und 15 werden geöffnet für die gleichzeitige erneute Unterdrucksetzung der Umgebungsspeiseluft- und Bett C Gleichstrom-Druckabsenkungsgases durch die Rohrleitungen 100 bzw. 103. Die Energie, die aus der Umgebungszuführluft wiedergewonnen wird, wenn sie sich durch das Speisegasgebläse expandiert, bevor sie in den subatmosphärischen Druck des Adsorbers eintritt, wird dazu verwendet, die Energieanforderungen für die Vakuumpumpe 112 zu reduzieren. Die Ventile 11 und 15 werden offen gehalten, bis die Drücke in den Betten A und C ausgeglichen sind. Dann schließen die Ventile 11 und 15, und das Bett A wird auf einen Adsorptionsdruck von ungefähr 21 psia (145 kPa) mit Speiseluft bei erhöhtem Druck von der Rohrleitung 111 unter Druck gesetzt. Das Ventil 10 wird geöffnet, um Produkt- Sauerstoff durch die Rohrleitung 104 zu entnehmen. Das Bett A ist nun bereit, einen neuen Zyklus zu beginnen. Alle drei Betten durchlaufen eine ähnliche Betriebsfolge, die jeweils um 120º zueinander außer Phase sind, wobei der Betrieb des Bettes B, das den Ventilen 4, 5, 6, 12 und 13 zugeordnet ist, und des Bettes C, das den Ventilen 7, 8, 9, 14 und 15 zugeordnet ist, vergleichbar der Betriebsweise ist, die für das Bett A beschrieben wurde. Das Speisegasgebläse 110 und die Vakuumpumpen 111 und 112 laufen kontinuierlich, getrieben durch dieselbe Motorwelle, was eine Vereinfachung des Betriebs und der Übertragung der wiedergewonnenen Energie ermöglicht.
Fig. 2 zeigt eine Schema-Darstellung für eine zweite, bevorzugte Ausführungsform. Sie ermöglicht die zusätzliche Wiedergewinnung der Expansionsenergie von dem Gleichstrom- Druckausgleichsstrom von Schritt (2) und des Produktspülstrom von Schritt (5). Die Tabelle 4 umreißt die entsprechende Ventilfolge für eine typische Zykluszeit. Eine detaillierte Prozessbeschreibung des Zyklus bei typischen Betriebsbedingungen für die in Fig. 2 und Tabelle 2 und 4 beschriebene Prozess-Option wird unten gegeben: Tabelle 4 Ventilfolge: Dreibett-O&sub2;-VSA - Ausführungsform #2
o = offen, sonst geschlossen.
Umgebungsluft, die durch ein Speisegasgebläse 110', das über einen Motor 108' angetrieben wird, auf Speisedruck (21 psia; 145 kPa) komprimiert wurde, bildet das Speisegasgemisch bei erhöhtem Druck und tritt durch die Rohrleitung 100' und das offene Ventil 1' in das erste Bett A' ein, das bereits auf dem Adsorptionsdruck gebracht worden ist. Die Betten A', B' und C' sind mit Adsorptionsmittel(n) gepackt, das bzw. die selektiv für die Abtrennung von Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff aus Luft ist bzw. sind. Produkt-Sauerstoff wird über das offene Ventil 10' und die Rohrleitung 104' zu einem Produktreservoir 109' entzogen. Ein Teil des Produkt-Sauerstoffs wird durch Rohrleitungen 105 und 103' und offene Ventile 16 und 13' als Spülgas für das Bett B' abgezogen. Aus dem Spülgasstrom wird Energie wiedergewonnen, wenn er durch die Expansionsvorrichtung 113 strömt. Die Speisegasströmung wird nach einem vorgegebenen Grenzwert unterbrochen, der durch eine vorher bestimmte Zeitspanne oder die Stickstoffkonzentration in dem Abstrom von dem Bett A' oder die Annäherung der Adsorptions-Front an den Bett-Auslass festgelegt wird. Der Druck in dem Bett A' wird durch Schließen der Ventile 1' und 10' und Öffnen der Ventile 16 und 13' und Verbinden des Bettes A' mit dem Bett B' über Rohrleitungen 105 und 103' reduziert. Energie wird aus dem Druckausgleichstrom wiedergewonnen, wenn er durch die Expansionsvorrichtung 113 strömt. Der Druck in dem Bett A' wird gleichzeitig über das offene Ventil 2' und die Rohrleitung 101 durch die Vakuumpumpe 111' abgesenkt. Die Energie, die aus dem Gleichstrom-Druckabsenkungs/Druckausgleich-Strom wiedergewonnen wird, wird dazu verwendet, die Energieanforderung der Vakuumpumpe 112' zu verringern. Das Ventil 16 wird geschlossen, und das Ventil 2' bleibt geöffnet, bis das Bett A' einen Evakuierungsdruckpegel von ungefähr 7 psia (50 kPa) erreicht. Das Ventil 2' schließt dann, und das Bett A' setzt die Evakuierung auf ungefähr 4 psia (30 kPa) über das offene Ventil 3' und die Rohrleitung 102' durch die Vakuumpumpe 112 fort. Das Ventil 3' wird für eine vorbestimmte Zeitspanne offen gehalten, während das Ventil 11' geöffnet wird, um das Bett A' durch die Rohrleitungen 103' und 105 mit Produkt-Sauerstoff von dem Bett C' über das offene Ventil 18 einer Vakuum- bzw. Unterdruck-Spülung zu unterziehen. Das Ventil 3' wird dann geschlossen, und die Ventile 1', 11' und 18 werden für die gleichzeitige Wiederunterdrucksetzung mit Speisegas bei Umgebungsdruck und Gleichstrom- Druckabsenkungsgas von dem Bett C' durch Rohrleitungen 100', 103' bzw. 105' geöffnet. Die Energie, die aus der Speiseluft bei Umgebungsdruck wiedergewonnen wird, wenn sie sich durch das Speisegasgebläse vor dem Eintritt in den subatmosphärischen Druck des Adsorbers expandiert, wird dazu verwendet, die Energieanforderungen für die Vakuumpumpe 112' zu verringern. Die Ventile 11' und 18 werden offen gehalten, bis die Drücke in den Betten A' und C' ausgeglichen sind. Dann schließen die Ventile 11' und 18, und das Bett A' wird unter Druck gesetzt, und zwar bis zu dem Adsorptionsdruck von ungefähr 21 psia (145 kPa) mit Speiseluft bei erhöhtem Druck von der Rohrleitung 100'. Das Ventil 10' wird geöffnet, um Produkt-Sauerstoff durch die Rohrleitung 104' zu entnehmen. Das Bett A' ist nun bereit, einen neuen Zyklus zu beginnen. Alle drei Betten durchlaufen eine ähnliche Betriebsfolge, die jeweils um 120º zueinander außer Phase ist, wobei dem Bett B' die Ventile 4', 5', 6', 12', 13' und 17 und dem Bett C' die Ventile 7', 8', 9', 14' und 18 zugeordnet sind. Das Speisegasgebläse 110', die Vakuumpumpen 111' und 112' sowie die Expansionsvorrichtung 113 laufen kontinuierlich, getrieben von derselben Motorwelle, was eine Vereinfachung des Betriebs und der Übertragung der wiedergewonnenen Energie ermöglicht.
Jedes Adsorptionsmittel bzw. alle Adsorptionsmittel, das bzw. die selektiv stärker adsorbierte Komponenten und weniger stark adsorbierte Komponenten eines bestimmten Speisegasgemisches trennen kann bzw. können, kann bzw. können benutzt werden, und die Auswertung bzw. Überprüfung solcher Adsorptionsmittel für ein bestimmtes Speisegasgemisch liegt im Bereich der üblichen Fähigkeiten eines Fachmannes auf diesem Gebiet. Bei der bevorzugten Ausführungsform gehörten zu den Adsorptionsmitteln, die selektiv Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff aus Luft entfernen können, Molekularsiebe vom Zeolit-Typ, wie beispielsweise NaX, NaA, LiX, MgA, CaX, CaA und andere Adsorptionsmittel mit binären Kationen. Beispiele für Adsorptionsmittel, die Wasser und Kohlendioxid aus Luft entfernen können, sind Aluminiumoxide bzw. Tonerde, Kiesel- bzw. Silikagel, und Zeolite. Andere gewünschte Eigenschaften der Adsorptionsmittel sind (i) hohe Druckfestigkeit (gegen Zusammendrücken), (ii) hohe Abriebfestigkeit, (iii) hohe Schütt- bzw. Fülldichte, (iv) wenige Hohlräume zwischen den Partikeln (low interparticle void), (v) hohe Wärmekapazität, (vi) große Wärmeleitfähigkeit, (vii) hohe N&sub2;/O&sub2;- Selektivität, (viii) niedrige Sauerstoffkapazität und (ix) kleine Partikelgröße. Der Druckabfall durch die Adsorptionsmittel-Betten während der Adsorptions- und Evakuierungs-Schritte ist ebenfalls wichtig für die Auswahl der Adsorptionsmittel.

BEISPIEL

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit Sauerstoff-VSA-Verfahren, die nicht die Energierückgewinnung und die hohe Adsorptionsmittel-Produktivität der vorliegenden Erfindung haben, werden aus einem Vergleich der ersten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit den Verfahren nach der US-A-5,429,666 und US-A-5,411,578 ersichtlich. Alle drei Prozesse wurden simuliert, im Maßstab vergrößert bzw. übertragen (scaled up) und in Bezug auf die anfallenden Kosten ausgewertet, wobei für jedes Verfahren die folgenden Parameter eingestellt wurden:
Anlagengröße = 110 TPDC (100 tpd)
Produktreinheit = 90% O&sub2;
Speisegasdruck = 20,4 psia (140 kPa)
Evakuierungsdruck = 4,9 psia (34 kPa)
Evakuierungszeit = 40-45 s pro Adsorber
Speisegastemperatur = 90ºF (32ºC)
Adsorberdurchmesser = 15 Fuß (4,5 m)
Gesamttiefe der Adsorptionsmittel = 7 Fuß (2,1 m)
Adsorptionsmittel = NaX am Speisegasende, gefolgt von CaX Zeolit
Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind in der unten angegebenen Tabelle 5 zusammengestellt, die bei der vorliegenden Erfindung niedrigere Adsorptionsmittel- Anforderungen und niedrigere Kosten für Sauerstoff zeigt. Tabelle 5
Die vorliegende Erfindung erreicht diese erstrebenswerten, geringeren Kosten für die Erzeugung von Sauerstoff unter Verwendung von drei einzigartigen Neuerungen. Zunächst ermöglicht die Verwendung von zwei Vakuumpumpen in einem Dreibett-Verfahren, dass ein Adsorber mit einer Vakuumpumpe für 2/3 der gesamten Zykluszeit (T) verbunden werden kann. Für eine minimale praktikable Evakuierungszeit (E) von 40 s ergibt dies eine minimale totale Zykluszeit von 60 s. Im Gegensatz hierzu beträgt die minimale totale Zykluszeit für die Verfahren nach der US-A-5,429,666 und US-A-5,411,578 (beide haben einen Adsorber, der mit einer Vakuumpumpe für eine Hälfte der gesamten Zykluszeit verbunden ist) 80 s. Die vorliegende Erfindung hat deshalb einen inhärenten 33%-igen Vorteil bei der minimalen totalen Zykluszeit, der sich direkt in einen 33%-igen Vorteil in der Adsorptionsmittel-Produktivität und den zugehörigen Kosten für Adsorber/Adsorptionsmittel umsetzt.
Zweitens muss durch Ausnutzung der Vakuumpumpen in einer stufenweisen Konfiguration (E1/E2) nur eine der Vakuumpumpen (die E2-Maschine) vom zweistufigen nass-injizierten Typ (d. h., 112, 112') sein, die typischerweise in Sauerstoff-VSA's verwendet wird. Die E1- Maschine evakuiert den Adsorber auf relativ geringe 7 psia (50 kPa), so dass es sich um eine einstufige, trockene Maschine handeln kann. Für eine gegebene ACFM (m³/min) Kapazität kostet eine einstufige, trockene Vakuumpumpe ungefähr 1/3 soviel wie eine zweistufige nasse Maschine.
Drittens kann die vorliegende Erfindung durch Ausnützung der Möglichkeiten für die Energie-Rückgewinnung Energie-Reduktionen von 2,5 bis 5% erreichen. Die erste bevorzugte Ausführungsform erzielt dies sehr einfach. Durch Montieren beider Vakuumpumpen und des Luftgebläses auf einer einzigen Motorwelle kann die Energie, die während der Gegenstrom-Wiederunterdrucksetzung von Schritt 2 und der Umgebungsluft- Wiederunterdrucksetzung von Schritt 6 erzeugt wird, direkt auf die zweite Vakuumpumpe übertragen werden, um ihren Energieverbrauch zu reduzieren. Keine spezielle Energierückgewinnungsausrüstung ist erforderlich, und die wiedergewinnbare Energie stellt näherungsweise 2,5% der gesamten Verfahrensanforderungen dar. Näherungsweise 5% der gesamten Energieanforderungen des Verfahrens werden bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform wiedergewonnen. Zusätzliche Kapitalausrüstungen in Form von drei Ventilen und einer speziell zugeordneten Expansionsvorrichtung sind erforderlich, um die Druckenergie abzufangen und auszunutzen, die in den Produkt-Spül- und Gleichstrom-DP- Strömen enthalten ist. Für eine 110 TPD (100 tpd) Anlage mit 5 Cent/KW Leistung wäre die erste bevorzugte Ausführungsform die ökonomischste Auslegung. Die zweite bevorzugte Ausführungsform wäre ökonomischer in einer sehr großen Anlage mit teurer Energie.
Die vorliegende Erfindung kann mit einem Vierbett-Verfahren unter Verwendung von drei Vakuumpumpen eingesetzt werden. Jedes Bett würde 3T/4 der gesamten Zykluszeit ausnutzen, die wenigstens einer der Vakuumpumpen zugeordnet ("hooked") ist. In der Tat wird jede Vakuumpumpe mit einem Bett für T/4 der Zeitperiode T verbunden werden. Ein Bett wird T/4 von T mit den Adsorptions Wiederunterdrucksetzungs-Schritten verbringen.
Die vorliegende Erfindung ist in Bezug auf verschiedene, zur Erläuterung dienende bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden; der volle Umfang der vorliegenden Erfindung wird jedoch durch die folgenden Ansprüche festgelegt.

Claims

1. Verfahren zum selektiven Abtrennen einer stärker adsorbierbaren Komponente von einer weniger stark adsorbierbaren Komponente einer Speisegasmischung in mehreren Adsorptionsbetten, die ein Adsorptionsmittel enthalten, das selektiv für die stärker adsorbierbare Komponente ist, wobei wenigstens zwei Vakuumpumpen verwendet werden und wobei für jedes Bett die folgenden, phasenverschobenen, aufeinanderfolgenden Schritte ablaufen:

a) Einführung der Speisegasmischung bei erhöhtem Druck in einen Einlass des ("ersten") Bettes, um die stärker adsorbierbare Komponente auf dem Adsorptionsmittel zu adsorbieren, während die weniger stark adsorbierbare Komponente das erste Bett unadsorbiert als Produkt und als Spülgasquelle für ein Bett durchströmt, das den jeweiligen Schritt (e) durchläuft, Weiterführung bis zu einer vorgegebenen Grenze und Beendigung der Einführung der Speisegasmischung in das erste Bett;

b) nach der Beendigung der Einführung der Speisegasmischung in das erste Bett Gleichstrom-Druckabsenken des ersten Bettes auf einen Zwischendruck, um Gas an einem Auslass eines Bettes abzunehmen, das ein erneutes Unterdrucksetzen im jeweiligen Schritt (f) durchläuft, um die beiden Betten wenigstens teilweise auf den gleichen Druck zu bringen, während der Druck im ersten Adsorptions-Bett im Gegenstrom durch expandierendes Gas in dem ersten Bett durch eine erste Vakuumpumpe abgesenkt wird, um Energie aus dem Gas wieder zu gewinnen;

c) Evakuieren des ersten Betts im Gegenstrom durch die erste Vakuumpumpe, um einen Teil der stärker adsorbierbaren Komponente zu entfernen;

d) Weiterführung der Evakuierung des ersten Bettes durch eine zweite Vakuumpumpe, um einen zusätzlichen Anteil der stärker adsorbierbaren Komponente zu entfernen;

e) Spülen des ersten Bettes im Gegenstrom mit einem Teil der weniger stark adsorbierbaren Komponente aus einem dritten Bett, das den jeweiligen Schritt (a) durchläuft, um den letzten Anteil der stärker adsorbierbaren Komponente aus dem ersten Bett zu entfernen;

f) erneutes Unterdrucksetzen des ersten Bettes mit Gas von einem Bett, das die Druckabsenkung im Gleichstrom des jeweiligen Schrittes (b) durchläuft, und mit Speisegasmischung, die durch ein Speisegasgebläse expandiert, um Energie von dieser Mischung vor ihrem Eintritt in das erste Bett zurückzugewinnen;

g) weitere erneute Unterdrucksetzung des ersten Bettes mit der Speisegasmischung bei erhöhtem Druck; und

wobei die Energie, die in den Schritten (b) und (f) wiedergewonnen wird, dazu verwendet wird, die Energieanforderungen eines Bettes, das den jeweiligen Schritt (d) durchläuft, zu reduzieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Bett gleichzeitig mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente und der Speisegasmischung auf erhöhtem Druck nach Schritt (g) erneut unter Druck gesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, wobei die Gleichmachung des Drucks nach Schritt (b) durchgeführt wird, um die Gleichmachung der Drücke in den beiden Betten zu Ende zu bringen, die in dem Druck-Gleichmachungsschritt engagiert sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Vakuumpumpen und das Speisegasgebläse auf der gleichen Motorwelle für die Übertragung der wiedergewonnenen Energie montiert sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speisegasgebläse eine Roots-Verdränger-Pumpe ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Vakuumpumpe eine einstufige Roots-Verdränger-Pumpe ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Vakuumpumpe eine zweistufige, Wasser-injizierte Roots-Verdränger-Pumpe ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Vakuumpumpe eine Zentrifugal-Maschine ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spülgas durch einen Expander expandiert wird, um zur Verringerung der Energieanforderungen des Bettes, das den Spülschritt (e) im Gegenstrom durchläuft, Energie zurückzugewinnen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gleichstrom- Druckabsenkungsgas durch einen Expander expandiert wird, um zur Verringerung der Energieanforderungen des Bettes, das die Gegenstrom-Evakuierung nach Schritt (d) durchläuft, Energie zurückzugewinnen.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, wobei das Verfahren in drei Betten ausgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speisegemisch Luft ist, wobei die stärker adsorbierbare Komponente Stickstoff ist, und wobei die weniger stark adsorbierbare Komponente Sauerstoff ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Speiseluft auf erhöhtem Druck sich bei einem Druck im Bereich von 100 bis 200 kPa (15 bis 30 psia) befindet.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Speiseluft auf erhöhtem Druck sich bei einem Druck im Bereich von 100 bis 165 kPa (15 bis 24 psia) befindet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei am Ende der Gegenstrom- Evakuierung von Schritt (c) das erste Adsorptionsbett einen Druck im Bereich von 40 bis 70 kPa (60 bis 10 psia) hat.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei am Ende der Gegenstromevakuierung von Schritt (d) das erste Adsorptionsbett bei einem Druck im Bereich von 5 bis 50 kPa (1 bis 7 psia) liegt.

17. Vorrichtung zur selektiven Trennung einer stärker adsorbierbaren Komponente von einer weniger stark adsorbierbaren Komponente eines Speisegasgemisches durch das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung aufweist:

mehrere Adsorptionsbetten, die ein Adsorptionsmittel enthalten, das selektiv für die stärker adsorbierbare Komponente ist;

eine Steueranordnung zum Betreiben der Betten in einer phasenverschobenen Folge;

ein Speisegasgebläse;

eine erste Vakuumpumpe;

eine zweite Vakuumpumpe;

eine Energierückgewinnungsanordnung, die das Speisegasgebläse und die erste Vakuumpumpe mit der zweiten Vakuumpumpe verbindet, um die Energieanforderungen der zweiten Vakuumpumpe zu verringern; und

jedem Bett zugeordnet eine Einlassanordnung zur selektiven Einführung der Speisegasmischung bei erhöhtem Druck in das ("erste") Bett, eine Auslassanordnung zur selektiven Entnahme von nicht-adsorbiertem Gas von dem ersten Bett und zur Förderung eines Teils dieses Gases zu einem Bett, das den Spülschritt durchläuft, und eine Ventilanordnung zur Beendigung der Einführung der Speisegasmischung zu dem ersten Bett bei einer vorgegebenen Grenze;

eine Gleichstrom-Druckabsenkanordnung zur selektiven Druckabsenkung des ersten Bettes im Gleichstrom auf einen Zwischendruck durch Transport des Gases von einem Auslass eines Bettes, das die erneute Unterdrucksetzung durchläuft, um wenigstens teilweise den Druck in den beiden Betten gleich zu machen, eine Gegenstrom- Druckabsenkanordnung zur selektiven Druckabsenkung des ersten Bettes im Gegenstrom durch expandierendes Gas durch die erste Vakuumpumpe während der Druckabsenkung über die Gleichstrom-Druckabsenkanordnung, und eine Gegenstrom- Evakuierungsanordnung zur selektiven Evakuierung des ersten Bettes im Gegenstrom durch die erste Vakuumpumpe, um einen Teil der stärker adsorbierbaren Komponente zu entfernen;

eine zusätzliche Evakuierungsanordnung zur Fortsetzung der Evakuierung des ersten Bettes durch die zweite Vakuumpumpe, um einen zusätzlichen Anteil der stärker adsorbierbaren Komponente zu entfernen;

eine Gegenstrom-Spülanordnung zur Spülung des ersten Bettes im Gegenstrom mit einem Teil der weniger stark adsorbierbaren Komponente aus einem Bett, das die Adsorption durchläuft, um den letzten Teil der stärker adsorbierbaren Komponente aus dem ersten Bett zu entfernen; und

eine Wieder-Unterdrucksetzanordnung, um das erste Bett mit nicht-adsorbiertem Gas von einem Bett, das die Gleichstrom-Druckabsenkung durchläuft, und mit Speisegasgemisch wieder unter Druck zu setzen, das durch das Speisegasgebläse expandiert wurde.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17 mit einer oder mehreren der folgenden Komponenten:

eine Motorwelle, auf der die erste und zweite Vakuumpumpe und das Speisegasgebläse montiert sind;

eine jeweilige Roots-Verdränger-Pumpe, die das Speisegasgebläse, die erste Vakuumpumpe und/oder die zweite Vakuumpumpe bildet;

eine Maschine vom Zentrifugaltyp, die die zweite Vakuumpumpe bildet;

eine Expanderanordnung zum Expandieren des Spülgases und zur Lieferung von Energie für die Energierückgewinnungsanordnung; und

eine Expanderanordnung zur Expandierung des Gleichstrom-Druckabsenkgases und zur Lieferung von Energie an die Energierückgewinnungsanordnung.