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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
für die selektive Anreicherung eines komprimierten
Gasgemisches mit einer ausgewählten Komponente und insbesondere ein
verbessertes Druckwechsel-Adsorptions-Verfahren und eine
solche Vorrichtung, die Gasdiffusionsmembranen für die
Gasanreicherung enthält.
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Die Verwendung von Adsorptions-Verfahren zum Abtrennen einer
gasförmigen Komponente aus einem Gasstrom wurde anfangs zum
Entfernen von Kohlenstoffdioxid und Wasser aus Luft
entwikkelt. Die Prinzipien der Gasadsorption wurden dann weiter
verfeinert für Vorgänge zur Gasanreicherung von Wasserstoff,
Helium, Argon, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid,
Distickstoffoxid, Sauerstoff und Stickstoff. Weitere
Verfeinerungen unter Benutzung von mindestens zwei
Adsorptionsgefäßen in einer zyklisch Druckwerte durchlaufenden Beziehung
haben ein Adsorptions-Verfahren für die Gasanreicherung
ergeben, das üblicherweise als Druckwechsel-Adsorption (pressure
swing adsorption = PSA) bezeichnet wird.
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Ein herkömmlicher PSA-Vorgang zum Anreichern eines Gases wie
Stickstoff aus Luft benutzt mindestens zwei Adsorptions-
Schichten, die mit Kohlenstoff-Molekularsiebmaterial gefüllt
sind und jeweils zwei oder mehr, allgemein vier,
unterschiedlichen Verfahrensschritten in jedem Zyklus unterworfen sind.
In einem ersten Schritt des Zyklus wird eine Adsorptions-
Schicht bei gleichzeitiger Stickstoffproduktion unter Druck
gesetzt, während die andere Schicht, beispielsweise durch
Belüften, regeneriert wird. Die Adsorptions-Schicht kann auch
durch gegenlaufende Strömung eines Produkt-Qualitätsgases
regeneriert werden (als "Spülen" bezeichnet). In einem zweiten
Schritt, der manchmal als Druckausgleich bezeichnet wird,
werden die Adsorptions-Schichten durch Verbindung der
Adsorptions-Schichten auf einen Zwischendruck eingestellt. In
einem dritten Schritt des Zyklus wird die erste Adsorptions-
Schicht regeneriert entsprechend dem für die zweite Schicht
benutzten Vorgang, während die zweite Schicht in Produktion
geht. Der letzte Schritt des Zyklus ist wieder
Druckausgleich zwischen den Schichten. Während solcher
Druckwechselvorgänge verändern sich die Druckzustände in den
Adsorptions-Schichten zwischen etwa 0,205 MPa (15 psig) und bis zu
0,929 MPa (120 psig) bei einem Verfahren unter Benutzung von
Kohlenstoff-Molekularsieb zur Stickstoffproduktion und in
etwas niedrigeren Druckbereichen bei Verfahren, die zur
Erzeugung von Sauerstoff kristallines Zeolit benutzen.
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Die Verwendung einer Sauerstoff-Trennmembran bei einem
Druckwechsel-Adsorptions-Verfahren wird in der japanischen
Patentanmeldung JP-A-58-151 304 (1983) beschrieben, wobei der
Sauerstoff durch PSA-Verfahren in mit Zeolitteilchen gefüllten
Adsorptions-Säulen erzeugt wird und während des Spülzyklus
jeder Adsorptions-Säule ein Sauerstoff-Spülgas
hindurchgeleitet wird. Das Sauerstoff-Spülgas wird als ein gasförmiger
Permeat-Strom von einer Gas-Trennmembran gewonnen, in welche
ein angereicherter Sauerstoffstrom während eines
Produktionszyklus von jeder Adsorptions-Säule eingeführt wird.
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Die US-Patentschrift US-A-4 238 204 beschreibt ein
selektives Adsorptions-Verfahren zur Rückgewinnung eines leichten
Gases, insbesondere Wasserstoff, aus einer
Speisegas-Mischung durch Benutzen einer Membran-Permeator-Einheit, die
selektiv für das leichte Gas permeabel ist, um ein
konzentrierteres leichtes Gas aus einem Strom zurückzugewinnen,
der das zum Regenerieren einer selektiven Adsorbereinheit
benutzte leichte Gas umfaßt und das konzentrierte leichte
Gases zu der selektiven Adsorbereinheit entweder gemischt
mit dem Speisegasgemisch oder als Spülgas zur Rückgewinnung
eines zusätzlichen Anteils von hochgereinigtem
Leichtgasprodukt wieder in Umlauf zu bringen.
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Keines dieser bekannten Verfahren ist zur Verwendung
geeignet, wenn das Produkt eine weniger leicht adsorbierte
Komponente des Gasgemisches ist und weniger leicht als die
andere(n) Komponente(n) durch die Membrane diffundiert. Die
Erfindung schafft jedoch ein Verfahren und eine Vorrichtung,
welche jeweils Gasdiffusion zur Verbesserung eines
Adsorptions/Desorptions-Verfahrens, z.B. eines PSA-Verfahrens,
benutzen, wenn die Produktkomponente diese Eigenschaften
besitzt.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren für die selektive
Anreicherung eines komprimierten Gasgemisches in einer
ausgewählten Komponente geschaffen unter Benutzung mindestens zweier
Schichten von Adsorptions-Material, wobei abwechselnd in
jeder Schicht Zyklen ausgeführt werden, welche umfassen
einen Adsorptions-Schritt, in welchem ein unter Druck
stehendes Speisegasgemisch durch die Schicht geleitet wird, um
einen gasförmigen Produktstrom zu erzeugen, der mit der
ausgewählten Komponente angereichert ist; und einen
Desorptions-Schritt, während welchem ein Gasstrom von der Schicht
abgezogen und in eine Gasdiffusionszone eingeführt wird,
wodurch er einen Permeat-Strom und einen Nichtpermeat-Strom
bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch Luft und
die gewählte Komponente Stickstoff ist und der Desorptions-
Schritt zwei Stufen umfaßt, eine Hochdruck-Abblasstufe und
eine Belüftungsstufe mit relativ niedrigem Druck, und daß
nur während der Abblasstufe, wenn der Druck des Gasstroms
höher als 0,205 MPa (15 psig) ist, oder wenn die
Konzentration der gewählten Komponente größer als 79% in dem
Nichtpermeat-Strom ist, der Gasstrom in die Gasdiffusionszone
eingeführt wird, wobei der mit der gewählten Komponente
angereicherte Nichtpermeat-Strom zu der Adsorptions-Schicht
zurückgeführt wird, um die Schicht vor dem Einführen des
Speisegasgemisches zu dieser unter Druck zu setzen.
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Die Erfindung schafft auch eine Vorrichtung nach Anspruch 5
zum Ausführen des vorstehend definierten Verfahrens.
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Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung werden nun beispielsweise mit Bezug auf die
beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher zeigt:
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Fig. 1 ein schematisches Flußdiagramm einer
bevorzugten Ausführung der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 ein Druckprofil der Adsorbentengefäße
während eines vollständigen Zyklus' eines etwas
standardmäßigen PSA-Verfahrens;
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Fig. 3 eine graphische Darstellung eines typischen
Abblas- und
Belüftungs-Strömungsratenverlaufs als Funktion der Zeit für die
Erzeugung von Stickstoff nach einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 4 eine graphische Darstellung eines typischen
Abblas- und Belüftungsdruckverlaufs als
Funktion der Zeit für Stickstoffproduktion gemäß
der Ausführung der vorliegenden Erfindung
nach Fig. 3;
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Fig. 5 eine graphische Darstellung eines typischen
Sauerstoff-Konzentrationsverlaufs als
Funktion der Zeit für Stickstoffproduktion nach
der Ausführung gemäß Fig. 3 der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 6 eine graphische Darstellung eines typischen
Molanteil-Verlaufs von Stickstoff im
Nichtpermeat-Strom als Funktion der Zeit und des
Stufenschnittes nach der Ausführung der Fig.
3 der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 7 eine graphische Darstellung des
Energieverbrauchs pro Einheitmenge Produkt als
Funktion des Stufenschnitts gemäß der Ausführung
nach Fig. 3 der vorliegenden Erfindung.
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Um ein Verständnis der vorliegenden Erfindung zu
erleichtern, sind bestimmte Ventil-, Verrohrungs- und
Instrumentierungs-Anordnungen in der Zeichnung nicht dargestellt. Es
wird verständlich sein, daß solche zusätzliche Ventil-,
Verrohrungs- und Instrumentierungs-Anordnungen gemäß den
anerkannten Praktiken auf diesem Fachgebiet vorgesehen werden.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf
Stickstoffanreicherung von Luft unter Benutzung einer
Adsorbiermittelschicht mit Kohlenstoff-Molekularsieb beschrieben, es wird
jedoch dem Fachmann verständlich sein, daß das Verfahren und
die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung auch auf
andere Gasanreicherungs-Vorgänge unter Benutzung von
Druckwechsel-Adsorption anwendbar sind.
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In Fig. 1 ist ein schematisches Flußdiagramm des Verfahrens
und der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
dargestellt, die Gefäße 10 und 12 mit jeweils einer Schicht aus
Adsorptions-Material und obere und untere Gasdiffusions-
Gefäße 14 und 16 enthält. Die Gefäße 10 und 12 sind jeweils
mit einem entsprechenden Adsorptions-Material wie dem
bereits erwähnten Kohlenstoff-Molekularsieb gefüllt. Das
obere und das untere Gasdiffusions-Gefäß 14 bzw. 16
bestimmen jeweils eine Gasdurchdringzone (Permeatbereich) und
jedes ist mit einer entsprechenden Gasdiffusions-Sperre oder
-Membran (GDB = gaseous diffusion barrier) versehen, wie im
einzelnen nachher erklärt wird.
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Die Vorrichtung enthält einen Speisekompressor 18 mit einer
Einlaßleitung 20 an seiner Ansaugseite und einem Auslaß 22
in Fluidverbindung mit einem Druckausgleichs-Behälter 24.
Der Druckausgleichs-Behälter 24 ist über eine durch ein
Ventil 28 steuerbare Leitung mit einer durch ein Ventil 32
steuerbaren Leitung 30 mit dem (wie dargestellt) unteren
Abschnitt des Gefäßes 10 und über eine durch ein Ventil 36
steuerbare Leitung 34 mit dem unteren Abschnitt des Gefäßes
12 verbunden. Die jeweils an den unteren Abschnitten der
Gefäße 10 und 12 angeschlossenen Leitungen 30 bzw. 34 sind
durch die mit dem Ventil 40 steuerbare Leitung 38 und die
mit dem Ventil 44 steuerbare Leitung 42 jeweils über eine
Leitung 46 verbunden. Die Leitung 46 ist über eine durch ein
Ventil 50 steuerbare Leitung 48 mit einem (wie dargestellt)
unteren Gasdiffusions-Gefäß 16 und über eine durch ein
Ventil 54 steuerbare Leitung 52 mit einer Belüftungsleitung
56 verbunden.
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Das untere Gasdiffusions-Gefäß 16 ist an der Permeatseite
mit einer Leitung 58 versehen, die mit der Belüftungsleitung
56 verbunden ist, und die Nichtpermeatseite ist mit einer
Leitung 60 versehen. Die Leitung 60 ist an einer durch ein
Ventil 64 steuerbaren Leitung 62 und an einer durch ein
Ventil 67 steuerbaren Leitung 66 angeschlossen, die zu einem
Halte- oder Vorratsbehälter 68 führt. Der Vorratsbehälter 68
ist mit einer Leitung 70 versehen, die an der Ansaugseite
eines Kompressors 72 angeschlossen ist, dessen Auslaßseite
über eine Leitung 74 mit einem Druckausgleichsbehälter 76
verbunden ist. Kompressor 72 und zugehöriger
Druckausgleichsbehälter 76 sind wahlweise vorgesehen, um Flexibilität des
Verfahrens zu erlauben. Der Druckausgleichsbehälter 76 ist
mit einer Auslaßleitung 78 versehen, die ein an einer
Leitung 82 angeschlossenes Rückschlagventil 80 enthält. Die
Leitung 82 ist durch eine mit einem Ventil 86 steuerbare
Leitung 84 mit dem unteren Abschnitt des Adsorptions-Gefäßes 10
verbunden und durch eine mit einem Ventil 90 steuerbare
Leitung 88 mit dem unteren Abschnitt des Adsorptions-Gefäßes
12, wie später näher erläutert wird.
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Die Gefäße 10 und 12 sind mit (wie dargestellt) oberen
Leitungen 92 bzw. 94 versehen, die durch Ventile 93 bzw. 95
gesteuert werden und Rückschlagventile 96 bzw. 98 enthalten,
die mit einer Leitung 100 verbunden sind. Die durch die ein
Ventil 102 steuerbare Leitung 100 ist an einer durch ein
Ventil 106 steuerbaren Leitung 104 angeschlossen und über
diese mit einer ein Rückschlagventil 110 enthaltenden
Produktleitung 108 verbunden. Die Leitung 100 ist über eine
durch ein Ventil 114 steuerbare Leitung 112 mit dem (wie
dargestellt) oberen Gasdiffusions-Gefäß 14 verbunden. Das obere
Gasdiffusions-Gefäß 14 ist an der Nichtpermeatseite durch
eine mit einem Ventil 118 steuerbare Leitung 116 mit der
Produktleitung 108 verbunden und an der Permeatseite mit einer
in Fluidverbindung mit der Ansaugseite eines Kompressors 122
stehenden Leitung 120 verbunden. Die Auslaßseite des
Kompressors 122 ist über eine Leitung 124 mit einem Vorratsbehälter
126 verbunden, der eine durch ein Ventil 121 steuerbare
Leitung 128 besitzt, die mit jeweils durch Ventile 134 und 136
steuerbaren Leitungen 130 bzw. 132 an den oberen Leitungen
92 bzw. 94 der Adsorptions-Gefäße 10 bzw. 12 angeschlossen
ist. Allgemein ist der Kompressor 122 mit zugeordnetem
Vorrats- und Ausgleichsbehälter 126 wahlweise zur
Verfahrensflexibilisierung vorgesehen.
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Das obere und das untere Gasdiffusions-Gefäß 14 bzw. 16 sind
im Handel erhältliche Gefäße, z.B. von UOP-Fluid Systems
(eine Abteilung von Allied-Signal) und mit einer
entsprechenden Gasdiffusions-Sperre versehen, die eine
Silikongummimembran benutzt, oder von Monsanto Chemical Company, das eine
Polysulfon-Membran benutzt. Die in den Gefäßen benutzte
Membran läßt gasförmigen molekularen Sauerstoff schneller durch
die Membranen hindurchtreten als gasförmigen molekularen
Stickstoff.
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Im Gebrauch wird die von einer Adsorptions-Säule während der
Abblasstufe der Desorption (Regeneration) nach dem
Druckausgleich (s. Fig. 8) abgezogene unter Druck stehende
Gasströmung in das untere Gasdiffusions-Gefäß 16 eingeführt, in
welchem ein von dem Adsorbat (oder Sauerstoff) relativ
befreiter Nichtpermeat-Gasstrom bei einem erhöhten Druck gebildet
wird und ein Permeat-Gasstrom mit einem höheren
Adsorbatenpegel, der abgelüftet wird. Der Nichtpermeat-Gasstrom bei
erhöhtem Druck wird zu einer Adsorptions-Schicht in einem der
GEfäße 10 oder 12 zurückgeführt, um die Schicht unter Druck
zu setzen, bevor ein Speisegasgemisch von dem Kompressor 18
zu ihr eingeleitet wird.
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Weiter wird ein Anteil von gasangereichertem Produktstrom,
sobald der Durchbruch näherkommt und der
Produktreinheitspegel abfällt, in das obere Gasdiffusions-Gefäß 14 eingeführt,
um einen Nichtpermeat-Strom, d.h. einen Gasstrom mit einer
mit Produktauslegungs-Kriterien verträglicher Reinheit zu
bilden und einen Permeat-Strom zur Benutzung zum Spülen
und/oder zur Rückfüllung, wie im einzelnen nachher
besprochen wird. Die Verwendung eines oberen bzw. unteren
Gasdiffusions-Gefäßes oder einer -Zone oder von beiden kann wirksam
in bestehende PSA-Anlagen integriert werden.
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Es sei angenommen, daß die Vorrichtung bei einem
PSA-Verfahren zur Erzeugung von hochreinem Stickstoff in Betrieb ist,
z.B. von 99,9%-igem Stickstoff bei einem Druck von 0,515 bis
1,135 MPa (60 bis 150 psig), wobei das Gefäß 10 desorbiert
wurde und nach Druckerhöhung zur Produktion bereit ist,
während das Adsorptions-Gefäß 12 eine Desorption (Regeneration)
erfordert, und bevor Druckangleichung oder -Ausgleich
zwischen den Gefäßen 10 und 12 bewirkt wurde. Beim Beschreiben
des Betriebs der nachfolgenden Verfahrensschritte werden nur
die jeweils bei jedem Schritt geöffneten Ventile erwähnt,
wobei zu verstehen ist, daß die restlichen Ventile
geschlossen sind. In diesem Zustand sind die Ventile 28, 32, 44, 50,
67, 93, 102 und 106 geöffnet.
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Um das Gefäß 10 unter Druck zu setzen und mit der Produktion
zu beginnen, wird Luft mit Umgebungstemperatur in der
Einlaßleitung 20 im Kompressor 18 auf einen Druck von 0,549 bis
1,17 MPa (65 bis 155 psig) komprimiert und durch die Leitung
22 zum Druckausgleich-Behälter 24 und von dort über
Leitungen 26 und 30 zum unteren Abschnitt des Gefäßes 10 geleitet.
Die komprimierte Luft wird mit einem Druck von etwa 0,48 bis
1,17 MPa (55 bis 155 psig) in das Adsorptions-Gefäß
eingeführt,
in welchem selektiv Sauerstoff adsorbiert wird, um
einen mit Stickstoff angereicherten gasförmigen Produktstrom
zu bilden, der vom Adsorptions-Gefäß 10 über die obere
Leitung 92 abgezogen und mit einem Druck von 0,515 bis 1,135
MPa (60 bis 150 psig) über Leitungen 100, 104 und 108 zur
Produktlagerung oder zur Verbrauchereinrichtung (nicht
dargestellt) geleitet wird.
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Der Fluß komprimierter Luft zum Gefäß 10 wird fortgesetzt,
bis ein Punkt erreicht wird, bei dem der Sauerstoffpegel in
dem gasförmigen Stickstoff-Produktstrom einen vorbestimmten
Schwellwert erreicht, der für die Produktverwendung
unannehmbar ist. Beispielsweise kann der durchschnittliche
Sauerstoffgehalt des mit Stickstoff angereicherten Produktstroms
bei 1000 ppmv O&sub2; liegen, woraufhin ein vorbestimmter
Schwelwert 1200 ppmv O&sub2; sein kann.
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Zu dem Zeitpunkt, wo ein solcher vorbestimmter Schwellwert
erreicht wird, wird der mit Stickstoff angereicherte
gasförmige Strom (oder das endgereinigte Produkt) in der Leitung
100 in dem oberen Gasdiffusions-Gefäß 104 nachgereinigt
durch Schließen des Ventils 106, um einen
Nichtpermeat-Gasstrom annehmbarer Reinheit zu schaffen, der durch Leitung
106 abgezogen und zur Produktleitung 108 weitergeleitet
wird. Der Permeat-Strom (der die Diffusionsmembran
durchdringende Strom), der leicht mit Sauerstoff angereichert ist und
sich bei einem niedrigeren Druckwert befindet, wird über die
Leitung 120 unter Steuerung durch die Ventile 121 und 136
mit einem Druckpegel von 0,205 bis 0,446 MPa (15 bis 50
psig) zu dem Gefäß 12 als Spülgas oder als Rückfüllung für
die sich Regeneration unterziehende Adsorptions-Schicht
benutzt. In diesem Zustand sind die Ventile 28, 32, 44, 54,
93, 102, 114, 118, 121 und 136 geöffnet. Der Kompressor 122
und der zugeordnete Vorrats- und Druckausgleichstank 126
sind wahlweise vorgesehen, wie vorstehend besprochen. Der
Strom des gasförmigen Produkts in Leitung 100 mit einem den
Schwellwert übersteigenden Unreinigkeitspegel wird weiter zu
dem oberen Gasdiffusions-Gefäß 14 geleitet, bis ein weiterer
Anstieg der Sauerstoffkonzentration ein Schließen des
Adsorptions-Gefäßes 10 und seine Regenerierung verlangt.
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Bei der Einleitung der Druckerhöhung im Adsorptions-Gefäß 10
vor der Produktion eines angereicherten Gasstroms wurde beim
Adsorptions-Gefäß 12 eine Druckgleichsetzung oder ein
Druckausgleich durchgeführt und es wurde gleichzeitig für einen
Desorptionsschritt vorbereitet. In diesem Zustand sind die
Ventile 28, 32, 44, 50 und 67 geöffnet, um das Adsorptions-
Gefäß 10 unter Druck setzen zu lassen und während der
Abblasstufe einen Gasstrom von dem Adsorptions-Gefäß 12 durch die
Leitungen 34, 42, 46 und 48 in das Gasdiffusions-Gefäß 12
strömen zu lassen, das eine entsprechende Gasdiffusions-
Sperre (GDB = gaseous diffusion barrier) besitzt. In dem
Gasdiffusions-Gefäß 16 tritt Sauerstoff relativ leicht durch
die gaspermeable Membran (GM) durch. Ein mit Sauerstoff
angereicherter Gasstrom (Permeatstrom) wird über Leitung 58 von
dem Gasdiffusions-Gefäß 16 abgezogen und über Leitung 56
abgelüftet. Der in dem Gasdiffusions-Gefäß 16 gebildete
Nichtpermeat-Gasstrom ist bei einem Druck von mindestens etwa
0,205 MPa (15 psig) verfügbar bis zu einem Druckbereich von
0,205 bis 0,618 MPa (15 bis 75 psig), wie später näher
besprochen wird. Nach Erreichen eines vorbestimmten
Stickstoff-Konzentrationspegels von z.B. 79%, oder alternativ
bestimmt durch einen Druckpegel von 0,205 bis 0,308 MPa (15
bis 30 psig) in dem Nichtpermeat-Strom, allgemein bestimmt
durch Zykluszeit über Gasanalyse, wird das Ventil 50 in
Leitung 48 geschlossen und das Ventil 58 in Leitung 52
geöffnet, um den Gasstroms in Leitung 48 über Leitung 56 zur
Umgebung ableiten zu lassen.
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Wie vorher besprochen, können der Permeat-Strom und der
Nichtpermeat-Gasstrom, die in dem oberen und dem unteren
Gasdiffusions-Gefäß 14 bzw. 16 gebildet werden, in
verschiedener Weise benutzt werden, um den Vorgang der Gasanreicherung
unter Benutzung von Druckwechsel-Adsorptions-Verfahren zu
verbessern. Was die Verwendung des unteren Gasdiffusions-
Gefäßes 16 betrifft, so wird Nichtpermeat-Strom in Leitung
60 benutzt, um die Schicht über Leitung 62 vor dem Einführen
des Speisegasgemisches unter Druck zu setzen. Dieses
Wiederunterdrucksetzen wird allgemein gleichlaufend mit der
Entlüftungsstufe des Desorptionsschrittes, jedoch vor der
Druckgleichsetzung bewirkt. In Abhängigkeit von der Zykluszeit
derartiger regenerierter Schichten kann der Nichtpermeat-
Strom vor der Einführung in derartige regenerierte Schichten
zu einem Vorratsgefäß 68 geleitet werden, während sie unter
Druck gesetzt werden.
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Wie in Fig. 2 bei einem normalen PSA-Vorgang klargestellt,
wird am Ende der Produktablieferung vom Adsorptions-Gefäß 10
das Adsorptions-Gefäß 12 einen Desorptionsschritt
zurückgelegt haben einschließlich einer Abblasstufe und einer
Belüftungsstufe, und zu dieser Zeit wird das Adsorptions-Gefäß 12
zur Produktion bereit gemacht und das Adsorptions-Gefäß 10
zur Regeneration bereit gemacht. Zu diesem Zeitpunkt sind
die Ventile 32, 36, 134 und 136 geöffnet, um eine
Druckgleichsetzung der Adsorptions-Gefäße 10 und 12 zu bewirken.
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Der Schritt der Druckgleichsetzung wird während einer
ausreichenden Zeit für diesen Zweck bewirkt, allgemein von 2 bis
20 s, je nach Volumen und Art des Adsorptions- Materials in
der Schicht in den Gefäßen 10 und 12. Der
Druckgleichsetzungsschritt bei dem erfindungsgemäßen PSA-Verfahren ist der
gleiche wie bei einem normalen PSA-Verfahren, wird jedoch
bewirkt nach Ausführung des Abblasens vom Adsorptions-Gefäß
mit Unterziehung einer Regeneration mit dem unteren
Gasdiffusions-Gefäß 16 und nach Bearbeiten des endgereinigten
Produkts von dem in Produktion befindlichen Adsorptions-Gefäß
durch das obere Gasdiffusions-Gefäß 14.
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Zu einem vorgewählten Zeitpunkt im Betriebszyklus wird das
Adsorptions-Gefäß 12 in den Stickstoff-Produktionsbetrieb
gesetzt und das Adsorptions-Gefäß 10 in einen
Regenerationsbetrieb. Bei diesem Zustand sind Ventile 28, 36, 40, 50, 67,
95, 102 und 106 geöffnet. Dementsprechend wird nun
komprimierte Luft in Leitung 22 durch Leitungen 26 und 34 zu dem
Adsorptions-Gefäß 12 geleitet zur Bildung eines mit
Stickstoff angereicherten Produktgasstroms, der von dem
Adsorptions-Gefäß 12 über Leitung 94 abgezogen und durch Leitungen
100, 104 und 108 zur Produktlagerung geleitet wird. Die
Regenerierung der Adsorptionsmaterialschicht im Adsorptions-
Gefäß 10, d.h. Abblasen und Belüften werden in gleicher
Weise wie bei der Adsorptionsmaterialschicht im Adsorptions-
Gefäß 12 durchgeführt. Während der Abblasstufe der
Regenerierung wird ein gasförmiger Strom vom Adsorptions-Gefäß 10
über Leitung 38 abgezogen und durch Leitungen 46 und 48
unter Beeinflussung durch das Ventil 50 zu dem
Gasdiffusions-Gefäß 16 geführt, wie vorher beschrieben.
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Beim Abschluß der Regenerierung der
Adsorptions-Materialschicht im Adsorptions-Gefäß 10 und dem Abschluß der
Produktablieferung von dem Adsorptions-Gefäß 12 einschließlich der
Reinigung des Endprodukts in dem oberen Gasdiffusions-Gefäß
14 werden die Ventile 32, 36, 134 und 136 geöffnet, um den
Schritt der Druckgleichsetzung einzuleiten und zuzulassen.
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Entsprechend der vorstehend beschriebenen vorliegenden
Erfindung ist der von dem Adsorptions-Gefäß 10 oder 12 in der
Leitung 46 beim Einsetzen der Abblasstufe abgezogene Gasstrom
bei einem erhöhten Druck von 0,377 bis 0,618 MPa (40 bis 75
psig) und wird durch Leitung 48 unter Steuerung des Ventils
50 zu dem Gasdiffusions-Gefäß 16 geleitet, allgemein zu
einer Stelle, an der der Druck in der Leitung 46 etwa 0,205
MPa (15 psig) erreicht. Beim Erreichen dieses Drucks wird
der Gasstrom an die Atmosphäre entlassen durch Schließen des
Ventils 50 und Öffnen des Ventils 54, um einen Gasstrom
durch Leitung 52 zuzulassen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die nachfolgenden Beispiele verdeutlichen den Vorgang der
vorliegenden Erfindung, und es ist zu verstehen, daß der
Schutzbereich der Erfindung dadurch nicht begrenzt werden
soll.
Ausführungsbeispiel I
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Die PSA-Abblasstufe nach der Druckgleichsetzung der
Schichten wird durch das untere Gasdiffusions-Gefäß
(Polysulfon-Membran) geleitet. Wie Fig. 1 zeigt, wird der mit
Stickstoff angereicherte Nichtpermeat-Strom von der unteren
Diffusionszelle zu dem Vorratsbehälter 68 geschickt und dann im
Kompressor 72 auf den Speisedruck komprimiert. Das
komprimierte Gas im Ausgleichsgefäß 76 wird als Einspeisung
während eines Teils des Produktionszyklus in die Adsorptions-
Gefäße 10 oder 12 eingeführt.
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Fig. 3 bis 5 stellen die Abblas-Strömungsrate, den
Abblasdruck und die Sauerstoff-Konzentration als Funktion der Zeit
für eine Stickstoff-PSA mit Benutzung von
Kohlenstoff-Molekularsieb von BF (Bergbau-Forschung, Alte Bundesländer) mit
einer vollständigen Zykluszeit von 2 min dar. Der
Betriebsdruck ist 0,929 MPa (120 psig) und die in Fig. 3 bis 5
gezeigten Profile gelten für die sich durch Abblasen und
Belüften einer Regenerierung unterziehende Schicht. Die
Stickstoff-Konzentrationsprofile für die Polysulfon-Membran als
eine Funktion des Stufenschnitts (des Anteils des
Speisestroms, der die Membran durchläuft) sind in Fig. 6 gezeigt.
Die zum Komprimieren des Anteils des Nichtpermeat-Stroms mit
einer Stickstoff-Konzentration von über 79% auf den
Speisedruck von 0,929 MPa (120 psig) wurde als Funktion des
Stufenschnitts errechnet.
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Bedeutsame Energieeinsparungen wurden realisiert, da der
Nichtpermeat-Strom eine relativ geringere Komprimierung
erfordert, um auf den Speisedruck angehoben zu werden, da er
bei einem über dem Atmosphärendruck liegenden Druck ist,
während frisches Speisematerial vom Umgebungsdruck aus auf den
Betriebsdruck zu komprimieren ist. Fig. 7 zeigt die
relativen Leistungsbedürfnisse zur Erzeugung einer Einheitsmenge
des Produkts in Abwesenheit von Gasdiffusions-Gefäßen
gegenüber einem eine Polysulfon-Membran enthaltenden
Gasdiffusions-Gefäß.
Das optimale Verhalten wird erreicht bei einem
Stufenschnitt von etwa 50%, und in diesem Fall sind etwa
8,5% Energieeinsparung bei Polysulfonmembran möglich und
werden realisiert durch Verwendung eines unteren
Gasdiffusions-Gefäßes zur Versorgung eines Anteils des gasförmigen
Speisematerials.
Ausführungsbeispiel II
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Das nachfolgende Beispiel stellt die Zykluszeit für ein PSA-
Verfahren unter Benutzung eines Nichtpermeat-Gasstroms dar,
der in dem Gasdiffusions-Gefäß 16 gebildet wird, um eine
Adsorptions-Schicht vor der Druckgleichsetzung unter Druck zu
setzen (Ventile - Fig. 1):
Schritt
Gefäß
Offene Ventile
typische Zeiten (s)
mit frischem Speisematerial unter Druck setzen
N&sub2;-Produkt erzeugen
Druckgleichsetzen mit Gefäß 12
Abblasen durch untere Diffusions-Zelle
direkt an Umgebung entlüften
mit Gas von
unterer Diffusions-Zelle unter Druck setzen
Gefäß 12 mit frischem Speisematerial unter Druck setzen
direkt an Umgebung entlüften
mit Gas von der unteren Diffusions-Zelle unter Druck setzen
Druckgleichsetzen mit Gefäß 12
N&sub2;-Produkt erzeugen
Ausführungsbeispiel III
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Das folgende Beispiel stellt die Zykluszeit für ein
Stickstoff-Verfahren dar, bei dem ein Permeatstrom von dem
Gasdiffusions-Gefäß 14 zum Spülen einer Adsorptions-Schicht
benutzt wird (Ventile - Fig. 1):
Schritt
Gefäß
Offene Ventile
typische Zeiten (s)
mit frischem Speisematerial unter Druck setzen
N&sub2;-Produkt
erzeugen
Produkt mit oberer Diffusi- Zelle reinigen Spülung f.Gefäß 12 schaffen
Druckgleichsetzen mit Gefäß 12
mit Permeat von oberer Diffusions-Zelle spülen
direkt an Umgebung entlüften-
Gefäß 10 schaffen
Druckgleichsetzen mit Gefäß 12
Ausführungsbeispiel IV
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Das nachfolgende Beispiel stellt die Zykluszeit für ein
PSA-Verfahren dar unter Benutzung der kombinierten
Bearbeitungsschritte, wie sie in Beispielen II und III beschrieben
sind (Ventile - Fig. 1):
Schritt
Gefäß
Offene Ventile
typische Zeiten (s)
mit frischem Speisematerial unter Druck setzen
N&sub2;-Produkt erzeugen
Produkt mit oberer Diff.-Zelle reinigen und Spülung für Gefäß 12 schaffen
Druck-Gleichsetzung mit Gefäß 12
Abblasen durch untere Diffusions-Zelle
Durch untere Diff.-Zelle abblasen
direkt an Umgebung ablüften
Gefäß 12 mit Permeat von ob. Diff.-Zelle spülen
Abblasen durch untere Diffusions.Zelle
direkt an Umgebung entlüften
mit Permeat von oberer Diffusions-Zelle spülen
mit Gas von unterer Diffusions-Zelle unter Druck setzen
Druckgleichsetzen mit Gefäß 12
N&sub2;-Produkt erzeugen
Produkt mit oberer Diffusi- zelle reinigen, Spülung für Gefäß 10 schaffen
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Durch Benutzen des Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung, gerichtet auf die Verwendung von Gasdiffusions-Gefäßen
wird eine Herabsetzung des Energiebedarfs von 5 bis 15% pro
Einheitsmenge Produkt erzielt, in Abhängigkeit von der Art
des in den Diffusionsgefäßen verwendeten Membranmaterials.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit einer
PSA-Bearbeitungs-Technologie bei der Erzeugung eines mit
Stickstoff angereicherten Produktstroms beschrieben; es wird
jedoch durch den normalen Fachmann verstanden werden, daß
die vorliegende Erfindung auch auf
Gasanreicherungs-Technologie für sich unter Benutzung von Druckwechsel-Adsorptions-
Verfahren anwendbar ist.