CH620594A5 - Process and apparatus for separating the components of a gas mixture - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren 35 und eine Vorrichtung zum Trennen eines Gasgemisches, insbesondere zur Erhöhung des Anteils einer der Gaskomponenten im gasförmigen Gemisch. The present invention relates to a method 35 and an apparatus for separating a gas mixture, in particular for increasing the proportion of one of the gas components in the gaseous mixture.
Bei der herkömmlichen Gastrennung unter Verwendung von Adsportionsmethoden ist es üblich, das Gasgemisch unter 40 Druck in ein Adsorbensbett zu leiten und aus dem Bett ein angereichertes Gasgemisch zu erhalten, welches das gewünschte Produkt darstellt und noch unter einem kleinen positiven Druck steht. Wenn das Produkt mit einem höheren Druck erhalten werden soll, muss es getrennt komprimiert 45 werden. Das Adsorbensbett wird normalerweise vor seiner vollständigen Sättigung regeneriert, indem man an das Bett ein Vakuum anlegt, das die Wirkung hat, die adsorbierten Bestandteile des Gasgemisches abzuziehen, so dass das Bett für eine weitere Zufuhr des zu trennenden Ausgangsgasgemisches 50 bereit ist. Es ist einzusehen, dass derartige Anlagen drei getrennte Pumpen benötigen können, um Produktgas unter höheren positiven Drücken zu erzeugen, und demzufolge ziemlich komplizierte Anlagen mit verhältnismässig hohem Kapitalbedarf und Energieverbrauch darstellen können, insbe- 55 sondere da der zum Komprimieren des Ausgangsgasgemisches erforderliche Druck eine signifikante Menge Energie verbrauchen kann. In conventional gas separation using adsorption methods, it is customary to pass the gas mixture under 40 pressure into an adsorbent bed and to obtain from the bed an enriched gas mixture which is the desired product and is still under a small positive pressure. If the product is to be obtained at a higher pressure, it must be compressed 45 separately. The adsorbent bed is normally regenerated prior to its full saturation by applying a vacuum to the bed which has the effect of withdrawing the adsorbed components of the gas mixture, so that the bed is ready for further supply of the starting gas mixture 50 to be separated. It will be appreciated that such plants may require three separate pumps to produce product gas under higher positive pressures and, consequently, may be rather complex plants with relatively high capital requirements and energy consumption, particularly since the pressure required to compress the starting gas mixture is significant Can consume a lot of energy.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Eliminierung dieser Nachteile. Sie schlägt zu diesem Zweck ein Ver- 60 fahren vor, dessen Merkmale durch den Patentanspruch 1 gekennzeichnet sind. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist durch den Patentanspruch 23 definiert. The object of the invention is therefore to eliminate these disadvantages. For this purpose, it proposes a method, the features of which are characterized by patent claim 1. A device for performing this method is defined by claim 23.
Es wurde gefunden, dass das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise für die Herstellung von sauerstoffreichem Gas 65 aus Luft gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil haben kann, dass bei einem gleich hohen Vakuum für die Regenerierung und bei dem gleichen Druck des Produktgases grössere It has been found that the method according to the invention, for example for the production of oxygen-rich gas 65 from air, can have the advantage over the prior art that larger ones with an equally high vacuum for regeneration and at the same pressure of the product gas
Sauerstoffausbeuten erhältlich sind und eine bessere Reinheit des Sauerstoffes leichter erreicht werden kann. Ausserdem kann der Bedarf an elektrischer Energie für die Erzeugung einer gegebenen Menge Sauerstoff reduziert werden. Oxygen yields are available and better oxygen purity can be achieved more easily. In addition, the need for electrical energy to generate a given amount of oxygen can be reduced.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders für die Erzeugung von sauerstoffreichen oder stickstoffreichen Gasen aus Luft, aber auch für die Trennung vieler anderer Gasgemische. Wenn ein sauerstoffreiches Gas benötigt wird, ist das Bett normalerweise mit einem Zeolith-Molekularsieb gefüllt, und wenn ein stickstoffreiches Gas benötigt wird, ist das Bett normalerweise mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb gefüllt. The method according to the invention is particularly suitable for the generation of oxygen-rich or nitrogen-rich gases from air, but also for the separation of many other gas mixtures. When an oxygen-rich gas is needed, the bed is usually filled with a zeolite molecular sieve, and when a nitrogen-rich gas is needed, the bed is usually filled with a carbon molecular sieve.
Beim erfindungsgemässen Verfahren und der erfindungs-gemässen Vorrichtung wird vorzugsweise eine Mehrzahl von Adsorbensbetten, z. B. zwei oder drei Adsorbensbetten, verwendet, wobei jedes Bett einen ähnlichen Zyklus durchläuft, aber nicht in Phase mit dem anderen Bett oder den anderen Betten, so dass eine praktisch kontinuierliche Zufuhr von Produktgas hervorgerufen wird. In the method according to the invention and the device according to the invention, a plurality of adsorbent beds, e.g. B. two or three adsorbent beds, each bed going through a similar cycle, but not in phase with the other bed or beds, so that a practically continuous supply of product gas is caused.
Vorzugsweise wird das Adsorbensbett oder jedes der Adsorbensbetten nach der Adsorption durch Evakuieren des Bettes regeneriert. Es wird auch bevorzugt, dass nach dieser Evakuierung und vor dem nächsten Einlass von gasförmigem Gemisch in das Bett ein an dem Produktgas angereichertes gasförmiges Gemisch in das Bett eingelassen wird, wobei der Druck in dem Bett nach diesem Einlass von gasförmigem Gemisch unter Atmosphärendruck liegt. Ein derartiger verminderter Druck in dem Bett trägt dazu bei, beim nächsten Einlassen von gasförmigem Gemisch in das Bett das gasförmige Gemisch in das Bett zu saugen. Ferner kann das angereicherte gasförmige Gemisch eingelassen werden, ehe die Evakuierung des Bettes beendet ist, sogar möglicherweise während der ganzen Evakuierung, so dass es als reinigendes Gas wirkt, das zur Regenerierung des Adsorbens beiträgt. Auf diese Weise Preferably, the adsorbent bed or each of the adsorbent beds is regenerated after the adsorption by evacuating the bed. It is also preferred that after this evacuation and before the next entry of gaseous mixture into the bed, a gaseous mixture enriched in the product gas is admitted into the bed, the pressure in the bed after this inlet of gaseous mixture being below atmospheric pressure. Such reduced pressure in the bed helps to draw the gaseous mixture into the bed the next time gaseous mixture is admitted into the bed. Furthermore, the enriched gaseous mixture can be admitted before the bed is evacuated, possibly even during the entire evacuation, so that it acts as a cleaning gas that contributes to the regeneration of the adsorbent. In this way
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kann ein geringeres Vakuum zur Regenerierung des Adsorbens verwendet werden. In einer erfindungsgemässen Vorrich-tun, in der mehrere Betten vorgesehen sind, wird das in der vorstehend beschriebenen Weise in das Bett eingelassene angereicherte gasförmige Gemisch vorzugsweise aus dem Produktauslass des anderen oder eines anderen Bettes entnommen. a lower vacuum can be used to regenerate the adsorbent. In a device according to the invention, in which several beds are provided, the enriched gaseous mixture let into the bed in the manner described above is preferably removed from the product outlet of the other or another bed.
Die Ausbeute an Produkt kann, gewöhnlich in einer Vorrichtung mit drei Betten, verbessert werden, indem man als Produkt nur einen ersten Teil des aus jedem Bett abgezogenen Gases (der gewöhnlich als «erste Faktion» bezeichnet wird) auffängt und den Rest dieses Gases «(zweite Fraktion») als Teil des Aufgabegutes für ein weiteres Bett verwendet. Die zweite Fraktion ist gewöhnlich nicht so reich an dem gewünschten Gas wie die erste Fraktion, ist aber reicher an diesem Gas als das gasförmige Gemisch, das den Rest des Aufgabegutes für die Betten darstellt. The yield of product, usually in a three bed device, can be improved by collecting only a first part of the gas withdrawn from each bed (commonly referred to as the "first fraction") and the rest of this gas "( second fraction ») used as part of the feed for another bed. The second fraction is usually not as rich in the desired gas as the first fraction, but is richer in this gas than the gaseous mixture that is the rest of the bed feed.
Bei vielen gasförmigen Gemischen kann es erforderlich sein, eine Vorreinigungsstufe vorzusehen, um Verunreinigungen, wie Wasserdampf, zu entfernen. Vorzugsweise ist die Strömungsgeschwindigkeit des Ausgangsgasgemisches, das in das Adsorbensbett gesaugt wird, nicht konstant. Diese Geschwindigkeit ist zu Beginn der Gaseinlassperiode relativ hoch und fällt gerade dann auf einen Mindestwert, wenn in einem Zweibettsystem Rückfüllgas in das nächste Bett geleitet werden soll oder bei einem Dreibettsystem Gas aus einer zweiten Fraktion in das nächste Bett geleitet werden soll. Die maximale Geschwindigkeit kann das Mehrfache der Mindestgeschwindigkeit betragen. Dieses Merkmal führt zu Vorteilen gegenüber Verfahren, bei dem das Ausgangsgas in die Anlage gepresst wird und eine variable Zufuhrgeschwindikgeit nicht leicht erzielt werden kann. Bei Ausgangsgas von Atmosphärendruck, das sich also nicht unter Druck befindet, wird das Ausgangsgas mit den durch den Zyklus benötigten Geschwindigkeiten in die Anlage gesaugt, während, falls das Ausgangsgas in dem Zyklus komprimiert wird, die Vorrichtung so angeordnet werden muss, dass sie entweder Gas in der Anlage in einem Speicher speichert oder die Arbeitsdrücke in der Anlage steuert, wodurch diese Drücke nach Bedarf variieren können. Ein Verfahren mit Zufuhr unter Atmosphärendruck hat somit die Vorteile, dass keine Gasspeichergefässe erforderlich sind und dass die Verfahrenszyklen so gewählt werden können, dass sie den grössten Wirkungsgrad ergeben, und zwar ohne den Zwang, dass man Drücke variieren muss oder Gas speichern muss, um die Gasströme auszugleichen. With many gaseous mixtures, it may be necessary to provide a pre-cleaning stage to remove contaminants such as water vapor. The flow rate of the starting gas mixture that is drawn into the adsorbent bed is preferably not constant. This speed is relatively high at the beginning of the gas inlet period and drops to a minimum value precisely when refilling gas is to be passed to the next bed in a two-bed system or gas from a second fraction is to be passed to the next bed in a three-bed system. The maximum speed can be several times the minimum speed. This feature leads to advantages over processes in which the source gas is forced into the plant and a variable feed rate cannot be easily achieved. For source gas at atmospheric pressure, i.e. not under pressure, the source gas is drawn into the plant at the speeds required by the cycle, while if the source gas is compressed in the cycle, the device must be arranged to either gas stores in the system in a memory or controls the working pressures in the system, whereby these pressures can vary as required. A process with supply under atmospheric pressure thus has the advantages that no gas storage vessels are required and that the process cycles can be selected in such a way that they result in the greatest efficiency, without the pressure that one has to vary pressures or gas must be stored in order to To balance gas flows.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung kann im Falle von gasförmigen Gemischen, welche eine bestimmte Gaskomponente und mindestens zwei andere Bestandteile enthalten, das Gemisch nacheinander durch ein erstes Adsorbensbett, das einen der anderen Bestandteile bevorzugt adsorbiert, und durch ein zweites Adsorbensbett, das den anderen oder die anderen Bestandteile bevorzugt adsorbiert, gesaugt werden, und zwar mindestens teilweise unter der Wirkung eines verminderten Druckes, der z. B. durch eine Pumpe erzeugt wird, die ein geringes Vakuum zu erzeugen und gleichzeitig das Gas auf einen Überdruck zu komprimieren vermag, die an einen Auslass des zweiten Adsorbensbettes angeschlossen ist, worauf man die Betten regeneriert, vorzugsweise mindestens teilweise durch Evakuieren, ehe man weiteres gasförmiges Gemisch in die Betten einlässt. According to one embodiment of the invention, in the case of gaseous mixtures which contain a certain gas component and at least two other constituents, the mixture can be passed in succession through a first adsorbent bed, which preferably adsorbs one of the other constituents, and through a second adsorbent bed, which the other or the other components are preferably adsorbed, sucked, at least partially under the effect of a reduced pressure, the z. B. is generated by a pump that can create a low vacuum and at the same time compress the gas to an excess pressure, which is connected to an outlet of the second adsorbent bed, whereupon the beds are regenerated, preferably at least partially by evacuation before any further gaseous mixture into the beds.
Wenn diese Ausführungsform gewählt wird, können die Adsorbensbetten getrennte Schichten von Adsorbensmateria-lien aufweisen, die in einem einzigen Gefäss enthalten sind. Vorzugsweise werden mindestens drei ähnliche Paare der Adsorbensbetten vorgesehen, wobei die Paare von Betten mit ähnlichen Zyklen, aber nicht in Phase miteinander betrieben werden, so dass ein praktisch kontinuierlicher Strom des gewünschten Gases erzeugt wird. If this embodiment is chosen, the adsorbent beds can have separate layers of adsorbent materials contained in a single vessel. At least three similar pairs of the adsorbent beds are preferably provided, the pairs of beds being operated with similar cycles but not in phase with one another, so that a practically continuous stream of the desired gas is generated.
Ein erfindungsgemässes Verfahren und eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche die ersten und zweiten Adsorbensbetten aufweisen, eignen sich für die Abtrennung von Argon aus einem gasförmigen Gemisch, das auch Sauerstoff und Stickstoff enthält, z. B. Luft oder sauerstoffreiches Aufgabegut, das aus der Rektifizierungssäule einer kryogenen Lufttrennungsanlage abgezogen werden kann. An inventive method and an inventive device, which have the first and second adsorbent beds, are suitable for the separation of argon from a gaseous mixture which also contains oxygen and nitrogen, for. B. air or oxygen-rich feed that can be withdrawn from the rectification column of a cryogenic air separation plant.
Beim ersten Beispiel, nämlich Luft als Aufgabematerial, enthält das vorstehend erwähnte erste Adsorbensbett vorzugsweise ein Adsorbens, das Stickstoff selektiv adsorbiert, z. B. ein Zeolith-Molekularsieb. Es wird ein sauerstoffreiches gasförmiges Gemisch, das im typischen Falle 95 % Sauerstoff und 5 % Argon enthält, erzeugt und durch das andere Adsorbensbett geleitet, das selektiv Sauerstoff adsorbiert, z. B. ein Kohlenstoff-Molekularsieb. In the first example, namely air as the feed material, the aforementioned first adsorbent bed preferably contains an adsorbent which selectively adsorbs nitrogen, e.g. B. a zeolite molecular sieve. An oxygen-rich gaseous mixture, typically containing 95% oxygen and 5% argon, is generated and passed through the other bed of adsorbent which selectively adsorbs oxygen, e.g. B. a carbon molecular sieve.
Die Ausbeut kann, gewöhnlich in einem System, das drei Paare von Betten aufweist, verbessert werden, indem man als Produkt nur einen ersten Teil des aus jedem Paar von Betten abgezogenen Gases (der gewöhnlich als «erste Fraktion» bezeichnet wird) auffängt und den Rest dieses Gases «(zweite Fraktion») als Teil des Aufgabegutes für ein weiteres Bett verwendet. In dem oben gegebenen Beispiel, bei dem das erste Bett Zeolitn enthält, entfernt dieses Bett auch in der als Aufgabegut dienenden Luft enthaltende Feuchtigkeit. Die zweite Fraktion, die ein Gas umfasst, in dem das Produktgas nur teilweise angereichert ist, stellt daher ein trockenes Gas dar und sollte in das erste, aus Zeolith bestehende Adsorbensbett an einer Stelle stromabwärts von dem ersten Teil, der Feuchtigkeit aus der zugeführten Luft entfernt, eingeführt werden. Dieser erste Teil dient als integrierend mit dem ersten Adsorbensbett verbundenes Trocknungsbett, aber bei anderen Ausführungsformen kann ein getrenntes Trocknungsbett vorgesehen werden. Bisher war der Prozentsatz an Argon, der aus einer Lufttrennungsanlage als Nebenstrom extrahiert wird, durch praktische Erwägungen beschränkt, die von der Stickstoffverunreinigung des erzeugten Argons beherrscht wurden. The yield, usually in a system comprising three pairs of beds, can be improved by collecting as product only a first part of the gas withdrawn from each pair of beds (commonly referred to as the "first fraction") and the rest this gas «(second fraction») used as part of the feed for another bed. In the example given above, in which the first bed contains zeolites, this bed also removes moisture in the feed air. The second fraction, which comprises a gas in which the product gas is only partially enriched, is therefore a dry gas and should be in the first zeolite adsorbent bed at a location downstream of the first part that removes moisture from the supplied air , are introduced. This first part serves as a drying bed integrally connected to the first adsorbent bed, but in other embodiments a separate drying bed can be provided. So far, the percentage of argon extracted from a side-by-side air separation plant has been limited by practical considerations governed by nitrogen pollution of the argon produced.
Unter Verwendung eines solchen Verfahrens und einer solchen Vorrichtung kann das Argon aus einer solchen Anlage ohne die normalerweise zwangsläufige Verunreinigung mit Stickstoff extrahiert werden. Using such a method and apparatus, the argon can be extracted from such a facility without the normally inevitable nitrogen contamination.
Ein kalter Gasstrom, der z. B. 12'/< Argon, 87% Sauerstoff und 1 % Stickstoff enthält, kann aus der Anlage abgezogen und in einem Wärmeaustauscher auf Atmosphärentemperatur erwärmt werden. Das erste Adsorbensbett, in das ein solches erwärmtes Gasgemisch eintritt, enthält vorzugsweise ein Material, das selektiv Stickstoff adsorbiert, wie ein Zeolith-Molekularsieb. A cold gas stream, e.g. B. 12 '/ <argon, 87% oxygen and 1% nitrogen, can be withdrawn from the system and heated to atmospheric temperature in a heat exchanger. The first bed of adsorbent into which such a heated gas mixture enters preferably contains a material that selectively adsorbs nitrogen, such as a zeolite molecular sieve.
Auf diese Weise wird ein Argonprodukt erhalten, das praktisch frei von Verunreinigung mit Stickstoff und Sauerstoff ist. Ein Strom von Abgas aus der vorstehend erwähnten Evakuierungsstufe kann nach dem Abkühlen in einem Wärmeaustauscher in eine Rektifizierungssäule der Lufttrennanlage zurückgeführt werden. Vorzugsweise wird ein solches Abgas verwendet, um das vorstehend erwähnte, aus der Lufttrennanlage erhaltene Gasgemisch zu erwärmen, in dem dann nach einem erfindungsgemässen Verfahren Argon angereichert wird. In this way an argon product is obtained which is practically free from contamination with nitrogen and oxygen. A stream of exhaust gas from the aforementioned evacuation stage can be returned to a rectification column of the air separation system after cooling in a heat exchanger. Such an exhaust gas is preferably used to heat the above-mentioned gas mixture obtained from the air separation system, in which argon is then enriched by a process according to the invention.
Ein Vorteil der Verwendung eines erfindungsgemässen Verfahrens und einer efindungsgemässen Vorrichtung zur Reinigung eines aus einer Lufttrennanlage erhaltenen Argonstroms besteht darin, dass sie einen potentiell grösseren Prozentsatz an Argonextraktion aus der Anlage erlauben als das herkömmliche Verfahren, weil der argonreiche Aufgabestrom nicht auf Grund von Erwägungen gewählt werden muss, die von der Notwendigkeit beherrscht werden, die Verunreinigung des aus der Rektifizierungssäule der Anlage entnommenen, argonreichen Stroms mit Stickstoff auf dem Mindestwert zu halten. Überdies kann die in diesem Argonstrom enthaltene An advantage of using a method according to the invention and a device according to the invention for cleaning an argon flow obtained from an air separation plant is that they allow a potentially larger percentage of argon extraction from the plant than the conventional process because the argon-rich feed flow is not chosen on the basis of considerations controlled by the need to keep the contamination of the argon-rich stream taken from the rectification column of the plant with nitrogen at the minimum value. Moreover, the one contained in this stream of argon
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
5 5
620 594 620 594
Kälte durch Wärmeaustausch mit dem oben erwähnten, im Kreislauf geführten Abgasstrom zurückgewonnen werden, während bei einem herkömmlichen Verfahren gewöhnlich ein Anteil dieser Kälte in dem flüssigen Argonproduktstrom aus der Lufttrennanlage verlorengeht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Flüssigkeits- und Dampfströme in der Rektifiziersäule durch die Extraktion des argonreichen Stroms nicht wesentlich beeinflusst werden, verglichen mit der gleichen Extraktion in einem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Argonnebensäule gasförmiges Aufgabematerial aus der Niederdrucksäule einer kryogenen Lufttrennanlage erhält und einen Flüssigkeitsstrom in die gleiche Säule zurückführt. Diese Vorteile ermöglichen es, Argon aus der Anlage mit einem Mindestmass von Einfluss auf das Destillationsverhalten der Anlage für die Trennung von Luft zu extrahieren. In diesem Beispiel ist das Aufgabematerial bereits trocken. Cold is recovered by heat exchange with the recycle stream of exhaust gas mentioned above, whereas in a conventional process a portion of this cold is usually lost in the liquid argon product stream from the air separation unit. Another advantage is that the liquid and vapor flows in the rectification column are not significantly affected by the extraction of the argon-rich stream compared to the same extraction in a conventional process in which the argon sub-column receives gaseous feed from the low pressure column of a cryogenic air separation plant and returns a stream of liquid to the same column. These advantages make it possible to extract argon from the plant with a minimum degree of influence on the distillation behavior of the plant for the separation of air. In this example, the feed material is already dry.
Obgleich das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung, die erste und zweite Adsorbensbetten aufweisen, sich besonders für die Erzeugung von Argon aus gasförmigen Gemischen aus Argon, Sauerstoff und Stickstoff eignen, könnten sie auch für die Herstellung anderer Gase als Produkt verwendet werden, z. B. für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Gemisch mit Methan, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und Feuchtigkeit, das durch Wasser-dampfreformierung eines Kohlenwasserstoffes und anschliessende Umlagerungsreaktion zur Erhöhung des Anteiles von Wasserstoff erhalten wurde. In diesem letzten Beispiel ist das erste Adsorbensbett zweckmässig ein Kohlenstoff-Molekularsieb, das die Feuchtigkeit, das Kohlendioxyd und einen Teil des Methans selektiv adsorbiert. Das andere Bett besteht zweckmässig aus Zeolith, der Kohlenmonoxyd und einen grösseren Teil des Restes des Methans adsorbiert. Although the inventive method and the inventive device, which have first and second adsorbent beds, are particularly suitable for the production of argon from gaseous mixtures of argon, oxygen and nitrogen, they could also be used as a product for the production of other gases, e.g. B. for the production of hydrogen from a mixture with methane, carbon dioxide, carbon monoxide and moisture, which was obtained by steam reforming a hydrocarbon and subsequent rearrangement reaction to increase the proportion of hydrogen. In this last example, the first adsorbent bed is expediently a carbon molecular sieve which selectively adsorbs the moisture, the carbon dioxide and part of the methane. The other bed suitably consists of zeolite, which adsorbs carbon monoxide and a larger part of the rest of the methane.
Einige Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäss der Erfindung zur Trennung der Komponenten eines gasförmigen Gemisches werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungn beispielsweise beschrieben; in der Zeichnung stellen dar: Some embodiments of the method and the device according to the invention for separating the components of a gaseous mixture are now described for example with reference to the accompanying drawings; in the drawing represent:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Zweibett-Vorrichtung, 1 is a schematic representation of a two-bed device according to the invention,
Fig. 2 ein Schema, das die Betriebsweise der Vorrichtung von Fig. 1 erläutert, 2 is a diagram explaining the operation of the device of FIG. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 1, 3 shows a schematic illustration of a modified embodiment of the device from FIG. 1,
Fig. 4 ein Schema, das die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 3 erläutert, 4 is a diagram explaining the operation of the device of FIG. 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Dreibett-Vorrichtung, 5 shows a schematic illustration of a three-bed device according to the invention,
Fig. 6 ein Schema, das die Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 5 erläutert, 6 is a diagram explaining the operation of the device of FIG. 5;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 5, 7 shows a schematic illustration of a modified embodiment of the device from FIG. 5,
Fig. 8 ein Schema, das die Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 7 erläutert, 8 is a diagram explaining the operation of the device of FIG. 7;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen «pressure swing»-Adsorptionsvorrichtung, 9 shows a schematic illustration of a pressure swing adsorption device according to the invention,
Fig. 10 ein Schema, das den Arbeitszyklus der Vorrichtung nach Fig. 9 erläutert, und 10 is a diagram explaining the duty cycle of the device of FIG. 9, and
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Teiles einer kryogenen Lufttrennanlage, die eine erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst. 11 shows a schematic illustration of a part of a cryogenic air separation system which comprises a device according to the invention.
In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung umfasst eine Vorrichtung zur Herstellung von sauerstoffreichem Gas zwei Betten 10 und 11, die mit Zeolith-Molekularsieb, vorzugsweise vom Typ 5A, gefüllt sind, mit Trocknungsabschnitten 12 und 13 an den Einlassenden der Betten, die Kieselgel, aktiviertes Aluminiumoxyd, Siliciumoxyd- Aluminiumoxyd oder Zeolith-Molekularsieb 5A oder ein anderes Zeolith-Molekularsieb enthalten. 1 and 2 of the drawing, an apparatus for producing oxygen-rich gas comprises two beds 10 and 11, which are filled with zeolite molecular sieve, preferably of the 5A type, with drying sections 12 and 13 at the inlet ends of the beds, the silica gel , activated aluminum oxide, silicon oxide-aluminum oxide or zeolite molecular sieve 5A or another zeolite molecular sieve.
Durch die Leitung 15 und die mit Ventilen versehenen Leitungen 16 und 17 wird den Betten 10 und 11 Luft zugeführt. Das erzeugte Gas wird aus den Betten durch den Kompressor 18 über die Leitung 19 und die mit Ventilen versehenen Leitungen 20 und 21 abgezogen. Der Kompressor 18 ist eine Pumpe, die ein geringes Vakuum zu erzeugen vermag und gleichzeitig das Gas auf einen Überdruck zu komprimieren vermag. Die Betten werden durch eine Vakuumpumpe 22 regeneriert, die durch die Leitung 23 und die mit Ventilen versehenen Leitungen 24 und 25 mit den Betten verbunden ist. Die Betten können durch die mit Ventilen versehenen Leitungen 26, 27 und 28 mit Produktgas rückgefüllt werden. Air is supplied to the beds 10 and 11 through the line 15 and the valve lines 16 and 17. The gas generated is withdrawn from the beds by the compressor 18 via line 19 and the valve lines 20 and 21. The compressor 18 is a pump that can create a low vacuum and at the same time can compress the gas to an overpressure. The beds are regenerated by a vacuum pump 22 which is connected to the beds by line 23 and valve lines 24 and 25. The beds can be refilled with product gas through the valve lines 26, 27 and 28.
Die Betten führen ähnliche Zyklen aus, aber nicht in Phase, wie in Fig. 2 dargestellt. Wenn Luft in das Bett 10 eingelassen werden soll, befindet sich das Bett unter Unterdruck, und die mit Ventilen versehenen Leitungen 16 und 20 sind geöffnet. The beds perform similar cycles, but not in phase, as shown in Fig. 2. When air is to be admitted into bed 10, the bed is under negative pressure and valve lines 16 and 20 are open.
Durch den Kompressor 18, der einen geringen Unterdruck an das Auslassende des Bettes anlegt, während er das so abgezogene Gas auf einen Überdruck komprimiert, wird Luft in das Bett gesaugt und erzeugter Sauerstoff aus dem Bett abgezogen. Gegen das Ende dieses Teiles des Zyklus öffnet sich die mit einem Ventil versehene Leitung 28, und Gas von Produktqualität wird durch die Wirkung des Vakuums in Bett 11 mit einer Geschwindigkeit, die von der mit einem Ventil versehenen Leitung 26 gesteuert wird, in das Bett 11 gesaugt, um das Bett 11 rückzufüllen, so dass es am Ende dieses Teilzyklus einen Druck unter dem Atmosphärendruck, vorzugsweise von ca. 500 Torr, erreicht. In diesem Zeitpunkt schliessen sich die mit Ventilen versehenen Leitungen 16, 20 und 28, und die Leitung 17 öffnet sich, um Luft in das Bett 11 einzulassen, und die mit einem Ventil versehene Leitung 21 öffnet sich, um das Abziehen von erzeugtem Sauerstoff aus dem Bett 11 zu ermöglichen. Die mit einem Ventil versehene Leitung 24 Öffnet sich ebenfalls, so dass das Bett 10 durch Evakuierung regeneriert werden kann. Air is drawn into the bed and generated oxygen is drawn out of the bed by the compressor 18, which applies a slight negative pressure to the outlet end of the bed while compressing the gas thus drawn off to a positive pressure. Towards the end of this part of the cycle, the valved line 28 opens and product quality gas is introduced into the bed 11 by the action of the vacuum in bed 11 at a rate controlled by the valved line 26 sucked to refill bed 11 so that at the end of this sub-cycle it reaches a pressure below atmospheric pressure, preferably of about 500 torr. At this point, valve lines 16, 20 and 28 close, line 17 opens to admit air into bed 11, and valve line 21 opens to withdraw generated oxygen from the Allow bed 11. The valve 24 provided with a valve also opens so that the bed 10 can be regenerated by evacuation.
Gegen das Ende dieses Teiles des Zyklus schliesst sich die mit einem Ventil versehene Leitung 24, und die mit einem Ventiel versehene Leitung 27 öffnet sich, so dass sich das Bett 10 bis zum Ende dieses Teiles des Zyklus auf ca. 450 bis 550 Torr, z. B. 500 Torr, rückfüllen kann. Auf diese Weise arbeiten die beiden Betten unter Bildung eines kontinuierlichen Sauerstoffproduktstromes. Es sei darauf hingewiesen, Towards the end of this part of the cycle, the valved line 24 closes and the valved line 27 opens, so that the bed 10 increases to about 450 to 550 torr, e.g. . B. 500 Torr, backfill. In this way, the two beds work to form a continuous stream of oxygen products. It should be noted
dass am Beginn jedes Teiles des Zyklus der Druck am Einlass zu dem Produktkompressor 18 momentan auf ca. die 500 Torr in dem Bett, das eingeschaltet wird, abfällt, ehe er schnell auf einen Wert unmittelbar unter Atmosphärendruck steigt. Auch in diesem Zyklus wird die Vakuumpumpe 22 während des Zeitraums des Rückfüllens nicht verwendet. Wenn ein halber Zyklus 60 Sekunden dauert, dauert im typischen Falle die Evakuierung 40 Sekunden und das Rückfüllen 20 Sekunden. that at the beginning of each part of the cycle, the pressure at the inlet to the product compressor 18 momentarily drops to about 500 torr in the bed that is turned on before rapidly rising to a level just below atmospheric pressure. Also in this cycle, the vacuum pump 22 is not used during the refilling period. If half a cycle lasts 60 seconds, the evacuation typically takes 40 seconds and the refill takes 20 seconds.
Der angewandte «pressure-swings-Zyklus sowie die Ausführung der Sauerstoffanreicherung in den Molekularsiebabschnitten der Betten eignet sich auch für den wirksamen Betrieb der Trocknungsabschnitte der Betten, um die Molekularsiebabschnitte gegen Feuchtigkeit in der eingelassenen Luft zu schützen. The applied pressure swings cycle and the execution of the oxygen enrichment in the molecular sieve sections of the beds are also suitable for the effective operation of the drying sections of the beds in order to protect the molecular sieve sections against moisture in the let-in air.
Die Fig. 3 und 4 erläutern ein Abwandlung des in den Fig. 1 ud 2 dargestellten Systems, bei dem eine Spülung von Gas mit Produktqualität in das Bett, das evakuiert wird, eingeführt wird, d. h. das Bett wird durch die kombinierte Wirkung eine Spülung und einer Evakuierung regeneriert. Dies hat den Vorteil, dass der Wert des Vakuums im Vergleich mit demjenigen, der für die Vakuumregenerierung allein erforderlich ist, herabgesetzt wird. Somit werden die Anforderungen des Verfahrens an die Vakuumpumpe durch diese Abwandlung verringert, so dass der Gesamtenergieverbrauch herabgesetzt wird. 3 and 4 illustrate a modification of the system shown in Figs. 1 and 2, in which a purge of product quality gas is introduced into the bed being evacuated, i. H. the bed is regenerated by the combined effect of flushing and evacuation. This has the advantage that the value of the vacuum is reduced in comparison with that which is required for the vacuum regeneration alone. Thus, the requirements of the method for the vacuum pump are reduced by this modification, so that the total energy consumption is reduced.
Fig. 3 stellt ein ähnliches System dar wie Fig. 1, wobei ähn5 Figure 3 illustrates a system similar to Figure 1, with similar 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
620 594 620 594
6 6
liehe Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Zusätzlich sind eine Vakuumspülleitung 30 mit einem Steuerventil und weitere mit Ventilen versehene Leitungen 31 und 32 vorhanden. Es gibt die unten angegebenen drei möglichen Arbeitsfolgen, um die Spülung zu bewirken, von denen die ersten beiden die Vakuumspülleitungen benützen, während dies bei der dritten nicht der Fall ist, so dass diese direkt auf die Ausführungsform von Fig. 1 angewandt werden kann. parts are identified by the same reference numerals. In addition, a vacuum flushing line 30 with a control valve and further lines 31 and 32 provided with valves are present. There are three possible sequences of operations to effect the purging given below, the first two of which use the vacuum purging lines, while the third does not, so that it can be applied directly to the embodiment of FIG. 1.
a) Unter Benützung der Vakuumspülleitung wird die mit einem Ventil versehene Leitung 31 oder 32 geöffnet, wenn ein angemessenes Vakuum in dem betreffenden Bett, das evakuiert wird, erreicht worden ist, und die Spülgeschwindigkeit wird so eingestellt, dass sie den Wert des Vakuums während des Restes der Evakuierungsperiode annähernd konstant hält. Das Bett wird dann durch die Rückfülleitung 27 oder 28 rückgefüllt. a) Using the vacuum purge line, the valved line 31 or 32 is opened when an appropriate vacuum has been achieved in the bed in question that is being evacuated and the purge rate is adjusted to match the value of the vacuum during the Remaining the evacuation period almost constant. The bed is then refilled through the refill line 27 or 28.
b) Unter Verwendung der Vakuumspülleitung wird die mit einem Ventil versehene Leitung 31 oder 32 geöffnet, sobald die Evakuierung des Bettes beginnt, und wird während der gesamten Evakuierungsperiode geöffnet gehalten. Das Rückfüllen findet dann durch die Leitung 27 bzw. 28 statt. b) Using the vacuum purge line, the valve line 31 or 32 is opened as soon as the bed is evacuated and is kept open throughout the evacuation period. The refilling then takes place through line 27 or 28.
c) Es wird keine Vakuumspülleitung verwendet, sondern die mit einem Ventil versehene Rückfülleitung 27 oder 28 wird geöffnet, ehe die Evakuierung beendet ist, um den Spülstrom zur Verfügung zu stellen, der zum Rückfüllstrom wird, wenn die Evakuierung aufhört. c) No vacuum purge line is used, but the valved backfill line 27 or 28 is opened before the evacuation is complete to provide the purge stream which becomes the backfill stream when the evacuation stops.
Wenn man die Zeolith-Molekularsiebe durch Kohlenstoff-Molekularsiebe ersetzt, erzeugen die oben anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen Stickstoff. Die Hauptabschnitte der Betten werden mit dem Koh-lenstoff-Molekularsieb gefüllt, das sich dafür eignet, Sauerstoff schnell und Stickstoff langsam zu adsorbieren. Der Trocknungsabschnitt des Bettes kann aus dem gleichen Kohlenstoff-Molekularsieb oder einem Trocknungsmittel, wie Kieselgel, aktiviertes Aluminiumoxyd oder Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd, bestehen. Man nimmt an, dass der Druck in dem Bett am Ende des Rückfüllens über 400 Torr liegt. If the zeolite molecular sieves are replaced by carbon molecular sieves, the methods and devices described above with reference to FIGS. 1 to 4 produce nitrogen. The main sections of the beds are filled with the carbon molecular sieve, which is suitable for adsorbing oxygen quickly and nitrogen slowly. The drying section of the bed can consist of the same carbon molecular sieve or a drying agent such as silica gel, activated aluminum oxide or silicon oxide-aluminum oxide. The pressure in the bed at the end of backfilling is believed to be above 400 torr.
Wenn man den grundlegenden Zyklus bei Atmosphärendruck oder die Vakuumspülabwandlung anwendet, wird aus dem Verfahren ein an Stickstoff angereichertes Produkt erhalten, während ein an Sauerstoff reiches Abgas durch die Vakuumpumpe abgezogen wird. Das auf diese Weise erhältliche Stickstoffprodukt enthält normalerweise ca. 1 % Sauerstoff und ist praktisch frei von Verunreinigung durch Feuchtigkeit und Kohlendioxyd. Using the basic atmospheric pressure cycle or vacuum purging modification, the process produces a nitrogen enriched product while an oxygen rich exhaust gas is drawn off by the vacuum pump. The nitrogen product obtained in this way normally contains approx. 1% oxygen and is practically free from contamination by moisture and carbon dioxide.
In den Fig. 5 und 6 ist eine Dreibettvorrichtung dargestellt. Verglichen mit dem Zweibettsystem hat das Dreibettsystem die Vorteile, dass die Vakuumpumpe vollständig ausgenützt wird und dass eine «zweite Fraktion» von sauerstoffreichem Gas eingeleitet werden kann, nachdem das Rückfüllen eines Bettes beendet ist, wodurch die Dauerstoffausbeute des Verfahrens verbessert wird. 5 and 6, a three-bed device is shown. Compared to the two-bed system, the three-bed system has the advantages that the vacuum pump is fully utilized and that a "second fraction" of oxygen-rich gas can be introduced after a bed has been refilled, which improves the process's fatigue efficiency.
Fig. 5 zeigt die Anordnung der mit Ventilen versehenen Leitungen und Fig. 6 den Arbeitszyklus der Ventile. Wenn man sich dem Bett 110 zuwendet, so sind am Beginn die mit Ventilen versehenen Luftzufuhrleitungen 116 und 120 geöffnet. Gegen Ende des Teilzyklus, wenn die Sauerstoffkonzentration am Auslass zu fallen beginnt, schliesst sich die mit einem Ventil versehene Leitung 120, und die mit einem Ventil versehene Leitung 150 öffnet sich, um eine zweite Fraktion von Produkt in das Bett 210 zu leiten, das gerade fertig rückgefüllt ist. Am Ende des Teilzyklus schliessen sich die mit Ventilen versehenen Leitungen 150 und 116, und die mit einem Ventil versehene Leitung 124 öffnet sich, so dass das Bett durch Evakuierung bis z. B. 150 Torr regeneriert wird. Nach Beendigung der Evakuierung schliesst sich die mit einem Ventil versehene Leitung 124, und die mit einem Ventil versehene Leitung 127 öffnet sich, um das Bett auf ca. 500 bis Fig. 5 shows the arrangement of the valve lines and Fig. 6 shows the working cycle of the valves. Turning to bed 110, the vented air supply lines 116 and 120 are initially open. Towards the end of the sub-cycle, when the oxygen concentration at the outlet begins to drop, the valve line 120 closes and the valve line 150 opens to introduce a second fraction of product into bed 210 that is currently is completely refilled. At the end of the sub-cycle, the valve lines 150 and 116 close and the valve line 124 opens, so that the bed is evacuated to e.g. B. 150 Torr is regenerated. After the evacuation is complete, the valve line 124 closes and the valve line 127 opens to raise the bed to about 500 to
600 Torr, z. B. 550 Torr, rückzufüllen; in diesem Zeitpunkt schliesst sich die mit einem Ventil versehene Leitung 127, und die mit einem Ventil versehene Leitung 151 öffnet sich, um eine zweite Fraktion von Gas aus dem Bett 111 einzulassen, während sich gleichzeitig die mit einem Ventil versehene Leitung 120 öffnet und erzeugter Sauerstoff durch den Produktkompressor 118 aus dem Bett abgezogen wird. 600 torr, e.g. B. 550 torr to refill; at this point valve line 127 closes and valve line 151 opens to admit a second fraction of gas from bed 111 while valve line 120 opens and oxygen produced is pulled out of bed by the product compressor 118.
Wenn der Teilzyklus eine Minute dauert, beträgt die Rückfüllzeit ca. 40 Sekunden und die «zweite Fraktion »-Zeit 20 Sekunden. If the sub-cycle lasts one minute, the refill time is approx. 40 seconds and the "second fraction" time is 20 seconds.
Untersuchungen haben gezeigt, dass zum Ausführen des Zyklus im Bereich von hoher Umgebungstemperatur, etwa 35 bis 40° C, vorteilhaft ein stärkeres Vakuum, z. B. von 50 Torr, angewandt wird. Dieses stärkere Vakuum ist auch vorteilhaft, wenn es erforderlich ist, das Verfahren in der Nähe der Obergrenze der Reinheit des Sauerstoffproduktes von 95% auszuführen. Studies have shown that to perform the cycle in the range of high ambient temperature, about 35 to 40 ° C, advantageously a stronger vacuum, e.g. B. of 50 Torr is applied. This stronger vacuum is also advantageous when it is necessary to carry out the process near the upper limit of the purity of the oxygen product of 95%.
Eine Abwandlung dieses Systems ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt, in denen die Vakuumregenerierung der Betten durch eine Spülung mit Gas von Produktqualität unterstützt wird. Die Vakuumspülung wird während der Evakuierungsperiode ausgeführt, und eine Leitung 160 ist für diesen Zweck vorgesehen. Wie bei dem oben in bezug auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben Zweibettsystem kann die Spülung auf mindestens drei Weisen erfolgen: A modification of this system is shown in FIGS. 7 and 8, in which the vacuum regeneration of the beds is supported by purging with gas of product quality. The vacuum purge is carried out during the evacuation period and a line 160 is provided for this purpose. As with the two-bed system described above with reference to FIGS. 1 to 4, the flushing can be carried out in at least three ways:
a) Durch eine Vakuumspülleitung 161 oder 162 oder 163, beginnend, wenn das Vakuum einen gewählten Wert erreicht, und mit einer Geschwindigkeit, die durch das Ventil in der Leitung 160 festgesetzt wird. a) Through a vacuum purge line 161 or 162 or 163, starting when the vacuum reaches a selected value, and at a rate set by the valve in line 160.
b) Durch eine Vakuumspülleitung 161 oder 162 oder 163 während der gesamten Evakuierungsperiode. b) Through a vacuum flush line 161 or 162 or 163 during the entire evacuation period.
c) Durch Beginnen des Rückfüllens eines Bettes, ehe die Evakuierung zu Ende ist. c) By starting to refill a bed before the evacuation is over.
Wie bei dem Zweibettverfahren wird das gleich Verfahren brauchbar für die Erzeugung eines stickstoffreichen Produktes im Bereich von 99 % Stickstoff, Rest Sauerstoff, das praktisch frei von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd ist, wenn man die Betten 110,111 und 210 mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb mit oder ohne Trockungsabschnitte 112, 113 und 212 füllt. Wiederum nimmt man an, dass der Druck in dem Bett nach dem Rückfüllen über 400 Torr beträgt. As with the two-bed process, the same process becomes useful for producing a nitrogen-rich product in the range of 99% nitrogen, balance oxygen, which is virtually free of moisture and carbon dioxide when beds 110, 111 and 210 are used with a carbon molecular sieve with or without drying sections 112, 113 and 212 fills. Again, the pressure in the bed after filling is believed to be over 400 torr.
In den Fig. 9 und 10 der Zeichnung umfasst eine Vorrichtung zur Gewinnung von Argon aus einem sauerstoffreichen Aufgabematerial drei Adsorptionssäulen 310, 311 und 312. Jede Säule enthält eine Schicht von Kohlenstoff-Molekularsieb in der Nachbarschaft seines Einlasses und eine darübergelegte Schicht B von Zeolith als Adsorbens. 9 and 10 of the drawing, an apparatus for recovering argon from an oxygen-rich feed comprises three adsorption columns 310, 311 and 312. Each column contains a layer of carbon molecular sieve in the vicinity of its inlet and a layer B of zeolite as an overlying layer Adsorbent.
Die Vorrichtung hat eine Einlassleitung 313, durch die Aufgabematerial, das praktisch bei Atmosphärendruck vorliegt, wie unten beschrieben eingesaugt wird. Das erzeugte Argon wird durch die Auslassleitung 316 durch einen Kompressor 314 in dieser Leitung abgezogen; dieser Kompressor gibt das Argon bei einem erfoderlichen Überdruck, z. B. von 0,7 kg/cm2, ab. Die Leitung 316 ist für einen weiter unten beschriebenen Zweck mit einer Zweig-Kreislaufleitung 317 versehen. Die Säulen 310, 311 und 312 können durch die Leitung 319 mittels einer Vakuumpumpe 320 evakuiert werden. Die zweite Gasfraktion von jeder Säule kann durch die Leitungen 321, 322 bzw. 323 im Kreislauf geführt werden. The device has an inlet conduit 313 through which feed material, which is practically at atmospheric pressure, is drawn in as described below. The argon generated is withdrawn through outlet line 316 by a compressor 314 in that line; this compressor gives the argon at a required pressure, e.g. B. from 0.7 kg / cm2. Line 316 is provided with a branch circuit line 317 for a purpose described below. The columns 310, 311 and 312 can be evacuated through the line 319 by means of a vacuum pump 320. The second gas fraction from each column can be recirculated through lines 321, 322 and 323, respectively.
Wenn man einen Arbeitszyklus in der Säule 310 betrachtet, so öffnet sich das Ventil 324, und gleichzeitig öffnet sich das Ventil 325, so dass das Aufgabematerial durch die Adsor-bensschichten A und B gesaugt und Argon durch die Leitung 316 abgezogen wird. Während das Aufgabematerial die Kohlenstoffschicht A von Säule 310 passiert, wird Sauerstoff aus dem Aufgabematerial entfernt, so dass ein praktisch sauerstofffreies Gemisch aus Argon und Stickstoff in den Zeolith-Abschnitt gelangt, wo der Stickstoff entfernt und ein prak5 Looking at a duty cycle in column 310, valve 324 opens and at the same time valve 325 opens, so that the feed material is drawn through adsorbent layers A and B and argon is drawn off through line 316. As the feed material passes through carbon layer A of column 310, oxygen is removed from the feed material so that a practically oxygen-free mixture of argon and nitrogen enters the zeolite section, where the nitrogen is removed and a prak5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
7 7
620 594 620 594
tisch reines Argonprodukt von dem Auslassende der Säule abgezogen wird. Wenn der Gehalt an Verunreinigungen in dem Argonprodukt zu steigen beginnt, schliesst sich das Ventil 325, und das Ventil 326 öffnet sich, wobei eine «zweite Fraktion» an eine Stelle oberhalb des ersten Trockungsabschnittes 5 der Kohlenstoffschicht A von Säule 312 in die Säule 312 geleitet wird. Am Ende der zweiten Fraktion schliessen sich die Ventile 324 und 326, und das Ventil 328 öffnet sich, um die Adsorbentien durch Evakuieren zu regenerieren. Nach Beendigung der Evakuierung öffnet sich das Ventil 329, um 10 das Bett 310 mit Gas von Produktqualität rückzufüllen, und nachdem sich das Ventil 329 geschlossen hat, öffnet sich das Ventil 326', so dass die zweite Gasfraktion von Säule 311 in Säule 310 strömt, und gleichzeitig öffnet sich das Ventil 325, so dass das erzeugte Argon abgezogen wird. Wenn die zweite 15 Fraktion beendet ist, schliesst sich das Ventil 326', und das Ventil 324 öffnet sieht, um Ausgangsgas einzulassen. Wenn drei Kohlenstoff-Zeolith-Elemente in diesem Zyklus arbeiten, aber um 120° gegeneinander verschoben, wird ein kontinuierlicher Argonproduktstrom abgezogen. Dieser Zyklus ist sehe- 20 matisch in Fig. 10 dargestellt. Die Säule wird während der Regenerierung der Adsorbensschichten A und B durch die Pumpe 320 auf ca. 70 Torr evakuiert. table pure argon product is withdrawn from the outlet end of the column. When the level of impurities in the argon product begins to increase, valve 325 closes and valve 326 opens, with a "second fraction" passing into column 312 at a location above first drying section 5 of carbon layer A of column 312 becomes. At the end of the second fraction, valves 324 and 326 close and valve 328 opens to regenerate the adsorbents by evacuation. After the evacuation is complete, valve 329 opens to refill bed 310 with product quality gas, and after valve 329 closes, valve 326 'opens so that the second gas fraction from column 311 flows into column 310, and at the same time valve 325 opens, so that the generated argon is withdrawn. When the second fraction is finished, valve 326 'closes and valve 324 opens to admit feed gas. If three carbon-zeolite elements work in this cycle, but are shifted 120 ° relative to each other, a continuous argon product stream is withdrawn. This cycle is shown schematically in FIG. 10. The column is evacuated to approximately 70 torr by pump 320 during the regeneration of adsorbent layers A and B.
Wenn jede Säule einen gewählten Unterdruck, wie 500 bis 600 Torr, z. B. etwa 550 Torr, erreicht (aber niedrigere 25 If each column has a selected vacuum, such as 500 to 600 torr, e.g. B. about 550 Torr reached (but lower 25
Drücke können vorteilhaft sein), wird die Leitung 317 während des Rückfüllens durch eine druckempfindliche Steuervorrichtung 332 automatisch geschlossen, so dass die Säule sich bei Unterdruck befindet, wenn sich das Ventil 326' für die zweite Fraktion öffnet. Pressures can be advantageous), line 317 is automatically closed during backfilling by a pressure sensitive control device 332 so that the column is under vacuum when valve 326 'opens for the second fraction.
Es ist einzusehen, dass das Aufgabematerial durch die Wirkung der Pumpe 314 und indirekt durch die Wirkung der Vakuumpumpe 320, welche die Adsorbensmaterialien regeneriert, durch die Leitung 313 in die Anlage gesaugt wird. It will be appreciated that the feed material is drawn into line through line 313 by the action of pump 314 and indirectly by the action of vacuum pump 320 which regenerates the adsorbent materials.
Die Stellung des Einlasses für die zweite Fraktion in die Säulen hängt von der Zusammensetzung des Aufgabematerials und etwa darin vorhandenen Verunreinigungen, wie Feuchtigkeit und Kohlendioxyd, ab. Der Einlass kann sich in jeder Stellung vom Säuleneinlass bis zur Verbindung der Zeolith- und Kohlenstoff-Schichten A und B befinden. The position of the inlet for the second fraction in the columns depends on the composition of the feed material and any impurities such as moisture and carbon dioxide present therein. The inlet can be in any position from the column inlet to the connection of the zeolite and carbon layers A and B.
Fig. 11 erläutert schematisch einen Teil einer kryogenen Lufttrennanlage, die eine «pressure swing»-Adsorptionsvorrichtung umfasst, wie sie oben in bezug auf die Fig. 9 und 10 beschrieben wurde; sie ist schematisch durch den Block 350 wiedergegeben. Ein kalter Gasstrom, der z. B. 12% Argon, 87 % Sauerstoff und 1 % Stickstoff enthält, wird aus einer Rektifizierkolonne 351 der Lufttrennanlage abgezogen. Dieser Strom wird in einem Wärmeaustauscher 351 auf Atmosphärentemperatur erwärmt und durch den aus der Kolonne 352 abgezogenen kalten Gasstrom gekühlt, ehe er wieder in die Kolonne zurückgeführt wird, so dass die Kälte des aus der Kolonne 351 abgezogenen Gasstromes zurückgewonnen wird. Fig. 11 schematically illustrates part of a cryogenic air separation plant comprising a pressure swing adsorption device as described above with reference to Figs. 9 and 10; it is represented schematically by block 350. A cold gas stream, e.g. B. 12% argon, 87% oxygen and 1% nitrogen is withdrawn from a rectification column 351 of the air separation unit. This stream is heated to atmospheric temperature in a heat exchanger 351 and cooled by the cold gas stream withdrawn from column 352 before it is returned to the column, so that the coldness of the gas stream withdrawn from column 351 is recovered.
s s
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