DE69120018T2

DE69120018T2 - Druckwechseladsorption unter Verwendung hochreiner Spülung

Info

Publication number: DE69120018T2
Application number: DE69120018T
Authority: DE
Inventors: Ravi Jain
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1991-10-21
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2011-10-22
Also published as: JP3169647B2; IE913703A1; US5090973A; AU8589991A; ZA917673B; IE76737B1; JPH04265104A; DE69120018D1; EP0482863B1; EP0482863A1; CA2052174A1; AU654677B2

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein die Trennung und Reinigung von Gasen unter Verwendung von Druckschwingadsorptions-(PSA)-Techniken.
PSA-Verfahren arbeiten normalerweise durch abwechselnde Adsorption und Desorption von bestimmten gasförmigen Komponenten unter Verwendung eines Bettes aus einem geeigneten adsorbierenden Material. Wenn ein Behälter, der ein Adsorberbett enthält, mit einer gasförmigen Einspeisungsmischung unter Druck gesetzt wird, werden bestimmte Komponenten des Einspeisungsgases auf dem Bettmaterial adsorbiert und zurückgehalten, wenn die Restgasmischung als Produkt abgezogen wird. Die abgezogene Produktmischung ist reich an einem oder mehreren ausgewählten Gasen, abhängig von der Einspeisungsmischung und den Eigenschaften des Bettmaterials. Als nächstes wird das Bett regeneriert, gewöhnlich durch Entlüften zu der Umgebung gefolgt durch Säubern mit einem Säuberungsgas, um die rückgehaltenen Komponenten zu desorbieren und das Bett für einen anderen Adsorptions-Desorptions-Zyklus vorzubereiten.
Der Gewinn eines PSA-Verfahrens ist als das Verhältnis der Menge von ausgewähltem Gas in dem PSA-Produkt zu der in der Einspeisung definiert. Die Produktivität des adsorbierenden Materials, das siebspezifische Produkt genannt, ist die Menge Gas, die pro Zeiteinheit produziert wird, dividiert durch die Menge von adsorbierendem Material.
In einem herkömmlichen PSA-Verfahren wird das Bett typischerweise mit einem Teil des Gases gesäubert, das vorher als Produkt abgezogen wurde. Somit können die Unreinheitspegel in dem Bett nicht unter jene des PSA-Produktes selbst reduziert werden. Dies bildet eine Grenze für das Ausmaß, zu welchem das Bett regeneriert wird und somit für den Gewinn und die Produktivität des adsorbierenden Materials.
Das UK-Patent Nr. 1 586 961 von BOC Limited offenbart ein Luft-PSA-Verfahren, in welchem das Produkt kryogen getrennt wird, um Sauerstoff höherer Reinheit und ein Stickstoffabfallgas zu produzieren. Das Stickstoffabfallgas, welches eine geringere Sauerstoffkonzentration als das PSA-Produkt aufweist, wird verwendet, um die adsorbierenden Betten zu säubern.
EP-A-0 453 202 von THE BOC GROUP INC, die am 15. April 1991 eingereicht wurde und eine Priorität vom 20. April 1990 beansprucht, offenbart ein PSA-Verfahren, in welchem Luft gereinigt und das Säuberungsgas aus einer Quelle entnommen wird, deren Unreinheitenpegel kleiner als jene des Produktgases des PSA-Systems sind. US 4 761 167 von Air Products and Chemicals Inc. offenbart ein PSA-Verfahren zur Regenerierung hochreinen Methans aus einem Kraftstoffgasstrom und in welchem Stickstoff aus dem PSA-Produkt in einer Stickstoffzurückweisungseinheit entfernt wird, so daß Stickstoff als das Säuberungsgas in dem PSA-Verfahren verwendet werden kann.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein verbessertes Druck- Schwing-Adsorptionsverfahren und eine verbesserte Druck- Schwing-Adsorptionsvorrichtung zu schaffen, welche gründlichere Regenerierung und somit einen höheren Gewinn von einem oder mehreren ausgewählten Gasen und eine höhere Produktivität des adsorbierenden Materials ermöglichen. Die Verbesserung tritt auf, weil ein gründlicher desorbiertes Bett eine höhere Adsorptionskapazität für den nächsten Adsorptionsschritt aufweist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Druckschwingadsorptionsverfahren zum Erhalten eines ausgewählten Gases in der Form von Sauerstoff oder Stickstoff aus einer Einspeisungsgasmischung, die das ausgewählte Gas enthält, die Schritte, daß:
a) die Einspeisungsgasmischung unter Druck gesetzt wird;
b) die unter Druck gesetzte Einspeisungsgasmischung zu einem Behälter (32, 34) geleitet wird, der ein Adsorptionsmittel (36, 38) enthält, welches bevorzugt eine oder mehrere Komponenten der Einspeisungsgasmischung relativ zu dem ausgewählten Gas adsorbiert, wodurch erlaubt wird, daß ein Produktgas, das reich an dem ausgewählten Gas ist, den Behälter (32, 34) verläßt;
c) der Behälter (32, 34) entlüftet wird;
d) der Behälter (32, 34) mit einem Säuberungsgas gesäubert wird;
dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens der Endstufe des Säuberungsschrittes d) das Säuberungsgas eine höhere Konzentration des gewünschten ausgewählten Gases als das Produktgas enthält, wobei das Produktgas zum Säubern einer vorhergehenden Säuberungsstufe verwendet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt eine Druckschwingvorrichtung zum Erhalten eines ausgewählten Gases in der Form von Sauerstoff oder Stickstoff aus einer Einspeisungsgasmischung, die das ausgewählte Gas enthält, einen Behälter, einen Adsorber, der in dem Behälter enthalten ist, Mittel zum Abziehen eines Produktgases aus dem Behälter und Mittel zum Säubern des Adsorbers mit einem Säuberungsgas, gekennzeichnet durch Mittel zum Vorsehen einer Quelle von Säuberungsgas mit einer höheren Konzentration des ausgewählten Gases als das Produktgas.
Es können verschiedene Quellen für Säuberungsgas mit höherer Reinheit abhängig von dem Gesamtverfahren verwendet werden. Dieses Gas kann gereinigtes PSA-Produktgas sein, wie es durch katalytische oder kryogene Trennung erhalten wird. Alternativ kann das Gas aus einer externen Zufuhr, wie einem Speichertank von verflüssigtem Gas erhalten werden.
Es können verschiedene Quellen für Säuberungsgas mit höherer Reinheit abhängig von dem Gesamtverfahren verwendet werden. Dieses Gas kann gereinigtes PSA-Produktgas sein, wie es durch katalytische oder kryogene Trennung erhalten wird. Alternativ kann das Gas aus einer externen Zufuhr, wie einem Speichertank von verflüssigtem Gas erhalten werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beispielhaft beschrieben, wobei Bezug auf die Figuren der begleitenden diagrammartigen Zeichnungen genommen wird, in welchen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer PSA-Vorrichtung für die Trennung einer Gasmischung durch Druck-Schwing-Adsorption gemäß dieser Erfindung ist; und
Fig. 2 ein Graph ist, welcher Konzentrationsprofile in dem Adsorptionsbehälter am Ende der Regenerierung für ein herkömmliches PSA-Verfahren und für ein PSA-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vergleicht.
Herkömmliche PSA-Verfahren werden normalerweise durch abwechselnde Adsorption und Regeneration in einem Bett auf eine zyklische Weise betrieben. In Zweibett-PSA-Systemen erfährt jedes Bett die Schritte von Unterdrucksetzung, Produktion, Druckausgleich, Entlüftung, Säuberung und Druckausgleich in Folge, und ein Bett erfährt Unterdrucksetzung und Produktion, während das andere entlüftet und gesäubert wird.
In der in Fig. 1 gezeigten Zweibett-PSA-Vorrichtung wird das Einspeisungsgas, das die zu trennenden Komponenten enthält, über Leitung 2 zu einem Kompressor 4 geleitet. Das komprimierte Gas bei Leitung 6 wird zu einer Kühler/Wasser- Trenneinrichtung 8 geleitet, wo die Temperatur des komprimierten Gases reduziert wird und jegliches flüssige Wasser, das in dem gekühlten Gas enthalten ist, entfernt wird. Das Gas, das die Kühler/Trenneinrichtung 8 bei Leitung 10 verläßt, tritt in einen Einspeisungspuffer 12 ein und wird dann zu einem Rohrleitungsverteiler 14 geschickt. Das Gas bei dem Verteiler 14 wird entweder zum Behälter 32, der Adsorptionsmittel 36 enthält, durch das offene Ventil 16 und Rohrleitungsverteiler 20, oder zu Behälter 34, der Adsorptionsmittel 38 enthält, durch ein offenes Ventil 18 und den Rohrleitungsverteiler 22 geschickt, abhängig davon, welcher der zwei Behälter zur Produktion bereit ist.
Wenn Behälter 32 zur Produktion verwendet wird, wird dieser Behälter zuerst unter Druck gesetzt, indem Ventil 16 auf der Einlaßseite des Bettes geöffnet wird, während Ventile 44, 48 und 52 auf der Auslaßseite des Bettes geschlossen bleiben. Die zu trennende Gasmischung tritt in Behälter 32 über Verteiler 20 ein. Für den Produktionsschritt wird Ventil 52 geöffnet und die getrennte Gasmischung, die eine oder mehrere ausgewählte Gase enthält und im wesentlichen frei von unerwünschten Komponenten ist, wird über Verteiler 40, das offene Ventil 52 und Verteiler 54 zu dem Produktempfänger 58 geleitet, während die zu trennenden Komponenten aus der Gasmischung auf Adsorptionsmitteln 36 zurückgehalten werden, die in dem Behälter 32 enthalten sind. Das Produkt in dem Produktempfänger 58 kann über Leitung 60 entnommen werden und stromabwärts zur weiteren Verarbeitung geschickt werden, oder es kann verwendet werden, wie es ist.
Während Behälter 32 zur Unterdrucksetzung und Produkten verwendet wird, erfährt Behälter 34 Regenerierung durch Entlüften und Säubern. Zu diesem Zweck wird Behälter 34 zuerst über Verteiler 22, das offene Ventil 30 und den Verteiler 26 entlüftet, um seinen Druck nahe zu Atmosphärendruck zu reduzieren. Wahlweise kann der Behälter 34 mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) evakuiert werden, die mit dem Verteiler 26 verbunden ist. Nach dem Entlüften wird Behälter 34 unter Verwendung von Niederdrucksäuberungsgas gesäubert, das typischerweise von dem Produktempfänger 58 über Verteiler 60, das offene Ventil 62 und Rohrleitungsverteiler 64 zugeführt wird. Das Säuberungsgas tritt durch Verteiler 46 und das offene Ventil 50 und tritt in das Oberteil des Behälters 34 durch Verteiler 42 ein. Während des Durchtritts des Säuberungsgases durch Behälter 34 werden unerwünschte Komponenten, die vorher auf Adsorptionsmitteln 38 adsorbiert wurden, desorbiert. Das Säuberungsgas, das diese Komponenten enthält, tritt zu Verteiler 26 über Verteiler 22 und das offene Ventil 30. Wieder, wie in dem Fall des Entlüftungsschritts, kann eine Vakuumpumpe bei Verteiler 26 verwendet werden, um Säuberung unter Vakuum vorzusehen und zusätzliche Regenerierung zu erhalten.
Nach dem Ende des Produktionsschritts für Behälter 32 und des Säuberungsschrittes für Behälter 34 werden die Drücke in Behältern 32 und 34 durch Öffnen von Ventil 44, das die Verteiler 40 und 42 verbindet, und Ventil 24, das die Verteiler 20 und 22 verbindet, ausgeglichen. Nach der Vervollständigung des Druckausgleichschritts, erfährt Behälter 32 die Schritte des Entlüftens und Säuberns wie vorher für Behälter 34 beschrieben, und Behälter 34 erfährt den Schritt der Unterdrucksetzung und Produktion, wie vorher für Behälter 32 beschrieben. Behälter 32 wird über Verteiler 20, das offene Ventil 28 und Verteiler 26 entlüftet. Zum Säubern von Behälter 32 tritt Säuberungsgas, typischerweise aus dem Produktempfänger 58, zu Behälter 32 über Verteiler 60, das offene Ventil 62, den Verteiler 64, Verteiler 46, das offene Ventil 48 und Verteiler 40 und tritt aus dem Behälter 32 über Verteiler 20, das offene Ventil 28 und Verteiler 26 aus. Für das Unterdrucksetzen von Behälter 34 wird Ventil 18 geöffnet, während Ventile 44, 50 und 56 geschlossen bleiben. Zur Produktion unter Verwendung des Behälters 34 verläßt die getrennte Gasmischung den Behälter und tritt zu dem Produktempfänger 58 über Verteiler 42, das offene Ventil 56 und Verteiler 54. Die Adsorptionsmittel 38 in Behälter 34 sind identisch mit den Adsorptionsmitteln 36 in Behälter 32.
Nach dem Ende des Produktionsschritts für Behälter 34 und des Säuberungsschrittes für Behälter 32 werden die Drücke in Behältern 32 und 34 durch Öffnen der Ventile 44 und 24 wie vorher beschrieben ausgeglichen. Nach diesem Schritt wird der gesamte Zyklus, beginnend mit Unterdrucksetzung und Produktion von Behälter 32 und mit Regenerierung durch Entlüften und Säubern von Behälter 34 wiederholt. Das Verfahren kann auf diese Weise kontinuierlich arbeiten.
Das Verfahren und die Vorrichtung, die bis zu diesem Punkt beschrieben worden sind, sind herkömmlich. Der Hauptunterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik ist die Verwendung eines Säuberungsgases mit einer Konzentration des ausgewählten Gases, die höher als das PSA-Produkt selbst ist. Verschiedene Quellen für Gas höherer Reinheit können abhängig von dem Gesamtverfahren verwendet werden.
Zuerst kann eine Gasreinigungseinrichtung 70 stromabwärts von dem Produktempfänger 58 eingebaut werden. Die Reinigungseinrichtung kann eine kryogener Trenneinrichtung oder ein katalytischer Konverter sein, worin das Produktgas, das Verteiler 60 verläßt, in ein Produkt höherer Reinheit bei Leitung 74 und ein Abfallprodukt bei Leitung 72 konvertiert wird. Ein Teil des Produktes höherer Reinheit wird über ein offenes Ventil 66 zu einer Verbindung 68 mit dem Säuberungsverteiler 64 zurückgeführt.
Alternativ kann eine Quelle 76 von Gas höherer Reinheit mit Verbindung 68 über ein Ventil 78 verbunden werden. Die Quelle 76 kann einen Verdampfer und einen Speichertank oder Reservoir von verflüssigtem Gas umfassen, so daß es häufig versorgt wird, um eine ununterbrochene Zufuhr im Fall von Ausrüstungsversagen in dem PSA-Verfahren sicherzustellen. Der normale Verdampfungsverlust von einem derartigen Speichertank kann verwendet werden, um ein Teil oder alles von dem Säuberungsgas höherer Reinheit zu liefern. Der Verdampfer kann wie benötigt ein zusätzliches Säuberungsgas liefern.
Der Unterschied zwischen dem Verfahren der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik kann besser durch Vergleich eines vollständigen Verfahrenszyklus verstanden werden. Ein typischer vollständiger Zyklus für ein Zweibett-Verfahren, das Techniken nach dem Stand der Technik anwendet, ist in Tabelle 1 unten angegeben. Tabelle I Herkömmlicher Zweibett-PSA-Zyklus Schritt Offene Ventile Zeit a. Unterdrucksetzen Behälter 32, Entlüften Behälter 34 zur Atmosphäre b. Produzieren unter Verwendung von Behälter 32, Entlüften Behälter 34 zur Atmosphäre c. Produzieren unter Verwendung von Behälter 32, Säubern Behälter 34 von Produktempfänger 58 d. Druckausgleich Behälter 32 und 34 e. Unterdrucksetzen Behälter 34, Entlüften Behälter 32 zur Atmosphäre f. Produzieren unter Verwendung von Behälter 34, Entlüften Behälter 32 zur Atmosphäre g. Produzieren unter Verwendung von Behälter 34, Säubern Behälter 32 von Produktempfänger 58 h. Druckausgleich Behälter 32 und34 GESAMT 4,0 min
In dem Verfahren von Tabelle I wird das in Schritten c und g verwendete Säuberungsgas aus dem Produktempfänger 58 entnommen, indem Ventil 62 geöffnet und das Säuberungsgas zu Verteiler 64 geschickt wird.
Ein typischer Zyklus für ein verbessertes Verfahren, das Säuberung höherer Reinheit einbezieht, was das Hauptziel dieser Erfindung ist, ist in Tabelle 11 unten angegeben. Tabelle II Erweiterter PSA-Zyklus unter Verwendung von Säuberungsgas höherer Reinheit Schritt Offene Ventile Zeit (sec) a. Unterdrucksetzen Behälter 32, Entlüften Behälter 34 zur Atmosphäre b. Produzieren unter Verwendung von Behälter 32, Entlüften Behälter 34 zur Atmosphäre c1. Produzieren unter Verwendung von Behälter 32, Säubern Behälter 34 von Produktempfänger 58 c2. Produzieren unter Verwendung von Behälter 32, Säubern Behälter 34 mit Säuberungsgas höherer Reinheit von Quelle 76 d. Druckausgleich Behälter 32 und 34 e. Unterdrucksetzen Behälter 34, Entlüften Behälter 32 zur Atmosphäre f. Produzieren unter Verwendung von Behälter 34, Entlüften Behälter 32 zur Atmosphäre g1. Produzieren unter Verwendung von Behälter 34, Säubern Behälter 32 von Produktempfänger 58 g2. Produzieren unter Verwendung von Behälter 34, Säubern Behälter 32 mit Säuberungsgas höherer Reinheit von Quelle 76 h. Druckausgleich Behälter 32 und 34 GESAMT 4,0 min
Für den Zyklus in Tabelle II ist der Säuberungsschritt in zwei Stufen aufgespalten worden. Die erste Säuberungsstufe (Schritt c1 oder g1) ist die gleiche wie in dem herkömmlichen PSA-Verfahren von Tabelle I. Die zweite Säuberungsstufe (c2 oder g2) verwendet Säuberungsgas von höherer Reinheit, wie direkt von Produktempfänger 58 erhalten. Säuberungsgas höherer Reinheit von einer Quelle 76 tritt in Verbindung 68 und Rohrleitungsverteiler 64 durch ein offenes Ventil 78 ein. Vorzugsweise bleibt Ventil 62 während dieses Säuberungsschrittes höherer Reinheit geschlossen, so daß der Gasfluß von Produktempfänger 58 blockiert ist. Abhängig von dem Ausmaß erhältlichen Säuberungsgases höherer Reinheit können Schritte c2 und g2 ein Teil oder alles des gesamten Säuberungsschrittes bilden. Im letzteren Fall werden Schritte c1 und g1 eliminiert.
Eine mögliche Erläuterung der Verbesserung der vorliegenden Erfindung kann aus einer Betrachtung der erwarteten Variation der Adsorbatkonzentration längs des Adsorberbetts von den Eingangs- zu den Ausgangsenden ersichtlich werden. Fig. 2 stellt zwei typische Adsorbatkonzentrationsprofile am Ende des Säuberungsschrittes dar. Kurve 2A stellt den Fall dar, wo nur das PSA-Produkt zur Säuberung verwendet wird. Die Adsorbatkonzentration nimmt von Xe am Eingang zu Xp am Ausgang ab. Kurve 2B stellt den Fall dar, wo wenigstens etwas von dem Säuberungsgas eine Reinheit aufweist, die höher als die des PSA-Produktes ist. Weil das Ausgangsende des PSA- Behälters gründlicher regeneriert wird, nimmt die Adsorbatkonzentration von Xe zu einem Pegel Xo ab, der kleiner ist als Xp Die gründlichere Säuberung produziert einen Bereich der Länge 80, wo eine Adsorbatkonzentration kleiner als Xp ist und verbessert die PSA-Verfahrensleistungsfähigkeit, da das Bett eine höhere Adsorptionskapazität für jeden Adsorptionszyklus aufweist.
Die Betriebsbedingungen und die verwendeten Adsorptionsmittel in dem PSA-Verfahren hängen von der zu trennenden Gasmischung und von dem gewünschten Endprodukt ab.
Für die Trennung von Luft, um ein sauerstoffangereichertes Produkt (90-95% Sauerstoff) zu liefern, findet die Einspeisung typischerweise bei einem Druck zwischen 110 bis 276 kPa (16 bis 40 psia) statt, während die Entlüftungs- und Säuberungsschritte bei einem Druck zwischen 28 kPa (4 psia) und Atmosphärischem ausgeführt werden. Kommerziell erhältliche Zeolithe des Typs A oder X werden als Adsorptionsmittel verwendet. Für die Trennung von Luft, um stickstoffangereichertes Produkt (95-99,99% Stickstoff) zu liefern, findet die Einspeisung typischerweise bei einem Druck zwischen 276 bis 1034 kPa (40 und 150 psia) statt, während die Entlüftungs- und Säuberungsschritte bei Drücken zwischen 28 kPa (4 psia) und Atmosphärischem ausgeführt werden. Kohlenstoffmolekularsiebe, die von der Bergwerksverband GmbH in Deutschland, Kuraray Chemical Oompany in Japan und Calgon Corporation in den Vereinigten Staaten hergestellt werden, werden typischerweise als Adsorptionsmittel für Stickstoffanreicherung verwendet. In vielen Fällen erfordert die zu trennende Gasmischung ein Trockenen vor der Trennung, und ein Adsorptionsmittel, wie Silikagel oder aktiviertes Aluminiumoxid können für diesen Zweck verwendet werden, entweder in dem gleichen oder einem getrennten Behälter.
Eine Liste von Adsorptionsmitteln, die in verschiedenen kommerziellen PSA-Verfahren verwendet werden, wird von Keller (in "Industrial Gas Separations", T. E. Whyte; C. M. Yon und E. H. Wagener eds., ACS Symp. Ser. Nr. 223, ACS, Washington 1983, Seite 148) angegeben. Die meisten PSA-Verfahren arbeiten bei Temperaturen, die dicht an der Umgebung liegen, obwohl PSA-Verfahren, die bei Temperaturen arbeiten, die höher oder niedriger als die Umgebung sind, im Stand der Technik bekannt sind. Einige PSA-Verfahren, wie zur Trennung von Wasserstoff, arbeiten bei Drücken, die so hoch sind, wie 4,2 MPa (600 psia)
Das PSA-Produkt wird manchmal weiterverarbeitet, um ein Produkt höherer Reinheit zu liefern. Als ein Beispiel, kann ein Stickstoff PSA-Produkt, das 0,1 bis 1,0% Sauerstoff enthält, katalytisch gesäubert werden, um die Stickstoffkonzentration durch Entfernen von im wesentlichen dem gesamten Sauerstoff zu vergrößern. Geeignete Katalysatoren, wie DeOxo D von Engelhard Corporation in den Vereinigten Staaten sind kommerziell erhältlich. Beaver et al beschreiben ein katalytisches System für die Reinigung von einem Stickstoffstrom, der 2% Sauerstoff enthält, in Energy Progress, Band 6, Nr. 3, September 1986, Seite 152. Als ein zweites Beispiel beschreiben die United States Patente 4 732 580 und 4 861 361 ein System zum Reinigen eines PSA-Produktes durch kryogene Destillation. Ein Teil des Produktes höherer Reinheit von der katalytischen Reinigung oder der kryogenen Destillation kann verwendet werden, um die Säuberung höherer Reinheit in Schritten c2 und g2 von Tabelle II zu liefern.

BEISPIELE

Experimente mit einer Zweibett-Stickstoff-PSA-Einheit wurden ausgeführt, um die Wirkung von Säuberung höherer Reinheit auf PSA-Verfahrensleistungsfähigkeit zu bestimmen. Der Verfahrenszyklus für alle Experimente ist der, der in Tabelle III gezeigt ist. Für Vergleichsbeispiel 1 war das gesäuberte Gas für Schritte c und f das stickstoffreiche PSA-Produktgas aus einem Produktempfänger 58. Für Beispiele 2 und 3 war das Säuberungsgas ein Stickstoff höherer Reinheit aus einem Speichertank 76. Die volle Zykluszeit betrug 6,0 Minuten in allen Fällen. Die Stickstoff-PSA-Betten enthielten eine Gesamtmenge von 196,5 Litern Kohlenstoffmolekularsieb (CMS), das von Kuraray Chemical Company in Japan hergestellt wird. Das Einspeisungsgas für alle Experimente war trocken komprimierte Luft bei einem Betteinlaßdruck von 846 kPa (122,7 psia) und einer Betteinlaßtemperatur 20ºC (68ºF). TABELLE III Schritt Offene Ventile Zeit (sec) a. Druckausgleichbehälter 32 und 34 b. Unterdrucksetzen Behälter 32 Entlüften Behälter 34 zur Atmosphäre c. Produzieren unter Verwendung von Behälter 32, Säubern Behälter 34 d. Druckausgleich Behälter 32 und 34 e. Unterdrucksetzen Behälter 34, Entlüften Behälter 32 zur Atmosphäre f. Produzieren unter Verwendung von Behälter 34, Säubern Behälter32 GESAMT 6,0 min
Bestimmte Parameter und Ergebnisse der drei Beispiele sind in Tabelle IV angegeben. Standardbedingungen waren 1 atm und 21ºC (70ºF) TABELLE IV Beispiel Produktflußrate (Std. l/min) Produktunreinheitskonzentration Säuberung auf Einspeisungsverhältnis Säuberungskonzentration Stickstoffgewinn Siebspezifisches Produkt
Im Vergleich mit dem herkömmlichen PSA-Verfahren von Beispiel 1 betragen die relativen Verbesserungen im Stickstoffgewinn 8,1% und 11,8% für Beispiele 2 bzw. 3. Für siebspezifisches Produkt betragen die relativen Verbesserungen 15,2 bzw. 20,5%.
Ein Vergleich von Verfahren nach dem Stand der Technik mit der vorliegenden Erfindung stellt die Verfahrensverbesserungen dar, die durch die Verwendung eines Säuberungsgases höherer Reinheit erhalten werden.
In der vorangehenden Diskussion ist die Erfindung bezüglich spezifischer PSA-Verfahren und Vorrichtungen beschrieben worden. Viele Variationen von grundlegenden PSA-Zyklen sind im Stand der Technik bekannt und können angepaßt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, welcher durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Ein Druckschwingadsorptionsverfahren zum Erhalten eines ausgewählten Gases in der Form von Sauerstoff oder Stickstoff aus einer Einspeisungsgasmischung, die das ausgewählte Gas enthält, mit den Schritten, daß:

a) die Einspeisungsgasmischung unter Druck gesetzt wird;

b) die unter Druck gesetzte Einspeisungsgasmischung zu einem Behälter (32, 34) geleitet wird, der ein Adsorptionsmittel (36, 38) enthält, welches bevorzugt eine oder mehrere Komponenten der Einspeisungsgasmischung relativ zu dem ausgewählten Gas adsorbiert, wodurch erlaubt wird, daß ein Produktgas, das reich an dem ausgewählten Gas ist, den Behälter (32, 34) verläßt;

c) der Behälter (32, 34) entlüftet wird;

d) der Behälter (32, 34) mit einem Säuberungsgas gesäubert wird;

dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens der Endstufe des Säuberungsschrittes d) das Säuberungsgas eine höhere Konzentration des gewünschten ausgewählten Gases als das Produktgas enthält, wobei das Produktgas zum Säubern einer vorhergehenden Säuberungsstufe verwendet wird.

2. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, gekennzeichnet durch den Schritt, daß das Endstufensäuberungsgas durch Verdampfen der flüssigen Phase des ausgewählten Gases erhalten wird.

3. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, gekennzeichnet durch den Schritt, daß das Endstufensäuberungsgas durch Reinigen des Produktgases erhalten wird.

4. Ein Verfahren wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsschritt einen Schritt von kryogener Trennung des ausgewählten Gases von dem Produktgas umfaßt.

5. Ein Verfahren wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsschritt einen Schritt von katalytischer Trennung des ausgewählten Gases von dem Produktgas umfaßt.

6. Ein Verfahren wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, gekennzeichnet durch den Schritt, daß das Adsorptionsmittel mit dem Produktgas vor dem Säubern mit dem Säuberungsgas gesäubert wird.

7. Eine Druckschwingvorrichtung zum Erhalten eines ausgewählten Gases aus einer Einspeisungsgasmischung, die das ausgewählte Gas enthält, mit einem Behälter (32, 34), einem Adsorber (36, 38), der in dem Behälter enthalten ist, Mitteln zum Abziehen eines Produktgases, das reich an dem ausgewählten Gas ist, aus dem Behälter und Mitteln zum Säubern des Adsorbers mit einem Säuberungsgas, gekennzeichnet durch Mittel zum Vorsehen einer Quelle (76) von Säuberungsgas mit einer höheren Konzentration des ausgewählten Gases als das Produktgas.

8. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 7 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (76) des Säuberungsgases einen Verdampfer und ein Reservoir der flüssigen Phase des ausgewählten Gases umfaßt.

9. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 7 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle von Säuberungsgas ein Mittel (70) zum Reinigen des Produktgases umfaßt.

10. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 9 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsmittel eine kryogene Trenneinrichtung umfaßt.

11. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 9 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsmittel einen katalytischen Reaktor umfaßt.