DE69409737T2

DE69409737T2 - Druckwechseladsorptionsverfahren mit einzigem Bett

Info

Publication number: DE69409737T2
Application number: DE69409737T
Authority: DE
Inventors: Kimberly Ann Lasala; Herbert Raymond Schaub
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2014-09-07
Also published as: KR950008351A; CN1101589A; US5370728A; JP3197436B2; DE69409737T3; ES2115123T5; CA2131520A1; CN1050525C; KR100196626B1; EP0641591B1; TW256782B; EP0641591A1; ES2115123T3; EP0641591B2; JPH0796128A; DE69409737D1; CA2131520C; BR9403449A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Druckwechseladsorptionssysteme zur Luftzerlegung. Insbesondere befaßt sie sich mit der Verwendung eines Einbett-Druckwechseladsorptionssystems für die Gewinnung von geringen Volumina an Sauerstoff aus Luft.

Beschreibung des Standes der Technik

Das Druckwechseladsorptions(PSA)-Verfahren und -System stellt einen kommerziell attraktiven Ansatz zum Abtrennen und Reinigen mindestens einer Komponente eines Einsatzgasgemisches dar, das mindestens eine weniger leicht adsorbierbare Komponente und mindestens eine leichter adsorbierbare Komponente aufrveist. Die Adsorption erfolgt in einem Adsorptionsmittelbett bei einem oberen Adsorptionsdruck, wobei die leichter adsorbierbare Komponente danach aus dem Adsorptionsmittelbett desorbiert wird, indem der Druck des Adsorptionsmittelbettes auf einen niedrigeren Desorptionsdruck abgesenkt wird. Die Durchführung des Adsorptionsidesorptions-PSA-Verfahrens ist bekannt und beispielsweise in US-A-3 430 418 offenbart, die sich mit Druckwechseladsorptionssystemen mit vier oder mehr Betten befaßt. Wie in diesem Patent offenbart ist, wird der Druckwechseladsorptionsprozeß im allgemeinen auf zyklischer Basis in einer Prozeßabfolge ausgeführt, bei der in jedem Bett erfolgen: (1) eine Druckadsorption, bei der Einsatzgas dem Einsatzende des Bettes zugeleitet wird und die weniger leicht adsorbierbare Komponente als Produktgas von dem Produktende des Bettes freigesetzt wird; (2) eine Gleichstrom-Druckminderung auf einen Zwischendruck unter Freisetzung von Lückenvolumengas von dem Produktende des Bettes; (3) eine Gegenstrom-Druckminderung auf einen niedrigeren Desorptionsdruck, wobei die leichter adsorbierbare Komponente von dem Einsatzende des Bettes freigesetzt wird; (4) optional ein Spülen bei dem niedrigeren Desorptionsdruck, wobei Spülgas dem Produktende des Bettes zugeleitet wird, um die Beseitigung der aus dem Adsorptionsmittelbett desorbierten leichter adsorbierbaren Komponente von dem Einsatzende des Bettes zu unterstützen; und (5) ein Wiederaufdrücken von dem niedrigeren Desorptionsdruck auf den oberen Adsorptionsdruck, so daß der Zyklus mit zusätzlichen Mengen an Einsatzgas wiederholt werden kann, welche dem Bett zugehen. Das während des Gleichstrom-Druckminderungsschrittes freigesetzte Lückenvolumengas wird im allgemeinen zum Zwecke des Druckausgleichs zwischen Betten in dem Mehrbeifsystem und zur Bereitstellung von Spülgas für ein Bett bei dessen niedrigerem Desorptionsdruck benutzt. Abwandlungen einer solchen Prozeßfolge werden in der einschlägigen Technik bei Systemen verwendet, die ein oder mehrere Adsorptionsmittelbetten aufweisen.
Bei zahlreichen chemischen Prozessen, Raffinierverfahren, der Metallherstellung und anderen industriellen Anwendungen werden häufig hochreine Gasströme für eine Vielzahl von Zwecken benutzt. Beispielsweise wird hochreiner Sauerstoff in verschiedenen Industrien, wie bei chemischen Prozessen, Stahlwerken, Papierherstellungsverfahren sowie in Blei- und Glasproduktionsvorgängen benutzt. Viele derartige Anwendungen effordem typischerweise Sauerstoffteinheiten im Bereich von 90 bis 93 % und mit Durchtlußmengen von bis zu 2800 m³/h (100 000 ft³/hr) oder mehr. Druckwechseladsorptionsverfahren eignen sich gut für die Luftzerlegung zum Erzeugen von Sauerstoff und Stickstoff durch unterschiedliche Verfahrensabläufe, wie dem oben geschilderten, und Variationen davon, insbesondere bei Operationen von relativ geringer Größe, bei denen der Einsatz einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage sich aus wirtschaftlichen Gründen verbieten kann. Bei solchen Druckwechseladsorptionssystemen, die für die Gewinnung von hochreinem Sauerstoffprodukt als der weniger leicht adsorbierbaren Komponente von Luft ausgelegt sind, enthält ein derartiges Adsorptionsmittelbett im allgemeinen ein Adsorptionsmittel, das in der Lage ist, Stickstoff als die leichter adsorbierbare Komponente der Luft selektiv zu adsorbieren, wobei der Stickstoff anschließend desorbiert und aus dem Bett beseitigt wird, nachdem der Druck des Bettes auf den niedrigeren Desorptionsdruck abgesenkt wurde, während die zyklische Adsorptions/Desorptions-Abfolge in dem Druckwechseladsorptionssystem durchgeführt wird.
Bei Druckwechseladsorptions-Sauerstoff- und anderen Druckwechseladsorptions-Prozeß-Anwendungen ist es erwunscht, die Entwicklungs-, Herstellungs-, Transport- und Anlagenkosten zu minimieren, um niedrigere Kapitalkosten und erhöhte Systemverläßlichkeit zu erzielen. Dementsprechend ist es erwunscht, Druckwechseladsorptionssysteme und -prozesse zu verwenden, welche die Anzahl der Betriebskomponenten, wie Adsorptionsmittelbehäfter, Adsorptionsmiffelbestand, zugehörige Tanks, Ventile, Kompressionsanlage, Prozeßleitungen und dergleichen zu minimieren. Die mit dem Betrieb von Druckwechseladsorptionssystemen verbundenen Kosten werden durch den Einsatz von Prozessen minimiert, die weniger Energie pro Einheit des erzeugten Produkts erfordern. Solche Prozesse für die Herstellung von Sauerstoff sollen eine hohe Ausbeute an Sauerstoff aus Einsatzluft aufweisen, während sie es erlauben, niedrige Kompressionsverhältnisse in Verbindung mit der zugehörigen Kompressionsanlage zu verwenden. Druckwechseladsorptionssysteme, die vier oder mehr Adsorptionsmittelbetten aufweisen, wie dies bei der obengenannten US-A-3 430 418 der Fall ist, eignen sich für gewisse Gaszerlegungsoperationen, insbesondere um einen Betrieb mit hohem Volumen, hoher Reinheit und hoher Ausbeute zu erreichen. Bei anderen Anwendungen ist es möglich und erwunscht, Zwei- oder Dreibett- Druckwechseladsorptionssysteme einzusetzen. Beispielsweise erwies es sich als zweckmäßig, Zweibett-Druckwechseladsorptionssysteme für verschiedene praktische kommerzielle Druckwechseladsorptions- Sauerstoffanwendungen zu benutzen. Das zu trennende Einlaßgasgemisch wird normalerweise auf einen höheren Druck, für gewöhnlich von mehreren Atmosphären, komprimiert, bevor die gewunschte selektive Adsorption erfolgt. Das resultierende Hochdruck-Produktgas, z.B. die weniger leicht adsorbierbare Sauerstoffkomponente von Einsatzluft, wird in eine Pipeline zur Verwendung an stromab liegender Stelle eingebracht. Bei typischen Zweibeff-Druckwechseladsorptionsoperationen werden transatmosphärische Druckbedingungen verwendet. So läuft ein Teil des Zyklus bei Drücken über dem Atmosphärendruck ab, und ein Teil bei Drücken unter dem Atmosphärendruck. Die Zerlegung erfolgt in der Regel bei Drücken, die sehr dicht bei einer Atmosphäre liegen, und das Produktgas wird dann auf den gewünschten stromabwärtigen Druck komprimiert. Dies erwies sich als eine kostensparende Betriebsart, weil die notwendige Gaskompression im wesentlichen die für den Produktstrom, und nicht für den gesamten Einlaß-Einsatzgasstrom, ist. Weil der Druckwechseladsorptions-Prozeßzyklus jedoch sowohl Überdruck- als auch Unterdruck-Bedingungen einschließt, sind zwei Maschinen. nämlich ein Einsatzgebläse und ein Vakuumgebläse, notwendig, um den Zyklus auszuführen. Ein solches Zweibettsystem ist für Sauerstoffanlagenkapazitäten im Größenbereich von 570 bis 1400 Standard m³/h (20000 NCFH bis 50000 NCFH) oder mehr Sauerstoff kosteneffizient. Für Anwendungen mit Durchsatzmengenerfordernissen, die unterhalb dieses Bereiches liegen, machen die mit einem Zweibeff-Vakuum-Druckwechseladsorptionssystem (VPSA-System) verbundenen Kapitalkosten eine solche Arbeitsweise unwirtschaftlich.
Ein einzelnes Bett aufweisende Einmaschinen-Ausführungsformen des VPSA-Systems wurden in der einschlägigen Technik vorgeschlagen, um die Anfangskapitalkosten zu senken und das VPSA-System für Anwendungen für niedrigere Durchflußmengen geeigneter zu machen. Weil ein großer Teil der mit einer VPSA-Sauerstoffanlage verbundenen Kapitalkosten auf die Kosten von Lufigebläsen, der Prozeßgelaße und des Adsorptionsmittels zur Verwendung in diesen Gefäßen entfällt, versteht es sich, daß die Kapitalkosten wesentlich reduziert werden können, wenn die Anzahl der Gebläse und die Anzahl der Adsorptionsmittelbehälter in dem System halbiert wird, unabhängig davon, sei es für transatmosphärische Operationen oder Systeme, bei denen keine Vakuumbedingungen benutzt werden. Außerdem verwendet ein Einbett-Druckwechseladsorptionssystem wesentlich weniger Ventile als zum Betrieb von Mehrbett-Druckwechseladsorptionssystemen benötigt werden.
Ein Einbeff-Druckwechseladsorptionssystem wurde in US-A-4 561 865 beschrieben. Bei diesem Ansatz öffnet ein druckgesteuertes Ventil in der Auslaßleitung von dem oberen Ende des Adsorptionsmittelbettes, wenn der Druck an dem oberen Ende des einzigen Prozeßbehälters auf einem bestimmten Wert liegt. Gas wird in der Auslaßleitung unmittelbar zu einem externen Ausgleichstank geleitet. Es ist ferner eine Umgehungsleitung vorgesehen, die von der Auslaßleitung am Auslaß dieses Drucksteuerventils abgeht, ein Rückschlagventil enthält und zu einem Produktzwischentank führt. Wenn der Druck in dem Produktzwischentank gleich dem Druck in dem Ausgleichstank ist, öffnet das Rückschlagventil, und Produktgas wird gleichzeitig in den Ausgleichstank und den Produktzwischentank eingespeist. Das Rückschlagventil verhindert den Rückstrom von dem Produktzwischentank in das Adsorptionsmittelbett, wenn der Beffdruck unter den Druck des Produktzwischentanks absinkt. Bei dieser Anordnung dient der Ausgleichstank als eine Erweiterung des Produktzwischentanks, weil beide Tanks auf den glei chen oberen Druck aufgedrückt werden und Gas gleicher Reinheit enthalten. US-A-4 561 865 lehrt ferner die Verwendung eines Entspannungsschrittes, um für eine Teilentspannung des Adsorptionsbehälters vor dem Evakuieren zu sorgen.
DE-A-23 37 754 offenbart ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft durch den Einsatz einer einzigen Stickstoffadsorptionskolonne. Bei diesem bekannten Verfahren wird für Entspannen-Spülen-Wiederaufdrucken durch den Einsatz von zwei Druckausgleichstanks bei Zwischendrücken gesorgt. Es kann ein zusätzlicher Produkttank verwendet werden. Ein ähnliches Einbett-Stickstoffadsorptionsverfahren, das nur einen Produktzwischentank und eine Pump/Vakuum-Anlage verwendet, ist aus EP-A-0 123 911 bekannt. Bei diesem Verfähren wird ein Entspannen bei einem Zwischenwert dadurch bewirkt, daß die Adsorptionskolonne im Gegenstrom zur Atmosphäre hin entlüftet wird. Nach weiterer Druckrninderung bei Vakuumbedingungen erfolgt kein Spülen, und Produktgas wird benutzt, um den überatmosphärischen Druck aufzubauen.
Wahrend sich die zuvor genannten Literaturstellen mit der Notwendigkeit eines Einbett-Druckwechseladsorptionssystems in der einschlägigen Technik befassen, ist eine weitere Verbesserung erforderlich, damit ein solcher Einbeifbetrieb die Bedürthisse der einschlägigen Technik mit Bezug auf Anwendungen mit niedriger Durchflußmenge befriedigen kann. Insbesondere ist in der einschlägigen Technik eine höhere Produktdurchflußmenge im Vergleich zu diejenigen erwunscht, die mittels des Ansatzes gemäß US-A-4 561 865 und anderer solcher Einbett-Druckwechseladsorptionssysteme erreichbar ist.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Niedrigvolumen-Druckwechseladsorptionsprozeß und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft für Anwendungen mit geringen Volumina zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Einbett-Druckwechseladsorptionsverfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Gewinnung von geringen Volumina an Sauerstoff aus Luft bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffüng eines Einbett-Niedrigvolumen-Druckwechseladsorptionsprozesses und -systems für eine verbesserte Durchflußmenge an aus Luft gewonnenem Produktsauerstoff.
Unter Berücksichtigung dieser und weiterer Aufgaben ist die Erfindung nachstehend im einzelnen erläutert, und ihre neuen Merkmale sind in den beiliegenden Ansprüchen herausgestellt.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemaß Anspruch 1. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System gemäß Anspruch 6.
Die Erfindung sieht einen Einbeff-PSA- oder -VPSA-Prozeß und eine entsprechende Vorrichtung unter Verwendung von zwei externen Zwischentanks vor. Bei einem solchen Tank handelt es sich um einen externen Produktzwischentank, der gewünschtes Produkt liefert und der ferner Spülgas für das Adsorptionsmittelbett während des Evakuierungsschriffes des PSA- oder VPSA-Prozeßzyklus bereitstellt. Der zweite Zwischentank, der als Ausgleichstank dient, wird benutzt, um Lückenvolumengas zu sammeln, das aus dem Bett während dessen Entspannung abgezogen wird, und um Lückenvolumengas von dem Tank an das Adsorberbeff während dessen Wiederaufdrücken zu liefern.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Erfindung ist nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert, bei der es sich um ein schematisches Fließbild einer besonderen Ausführungsform der Einbett-Einmaschinen-VPSA-Vorrichtung für die Herstellung von Sauerstoff aus Luft handelt.

Detailbeschreibung der Erfindung

Die Ziele der Erfindung werden unter Verwendung eines Einzeladsorptionsmittelbett-PSA- oder -VPSA-Systems erreicht, das eine einzelne Verarbeitungsmaschine, d.h. einen Kompressor zum Aufdrücken und zum Entspannen des einzelnen Adsorptionsmittelbeffes während des Prozeßzyklus, aufweist. Es wird ein konventioneller Produktzwischentank zusammen mit einem Ausgleichstank verwendet, der so betrieben wird, daß die Produktausbeute und der Energiebedarf des Systems verbessert werden. Durch Anwendung der Erfindung wird eine signifikante Verbesserung des Betriebsverhaltens im Vergleich zu bekannten Einbett-Druckwechseladsorptions(PSA)-Systemen erreicht, wie sie durch US-A-4 561 865 repräsentiert werden.
Bezugnehmend auf die Zeichnung liegen in der Leitung 1, die der Zuführ von Einsatzluft zu der Einsatzgebläseivakuumgebläse-Einheit 2 dient, eine Staubfllter-Gasgeräuschdämpfer-Einheit 3 und ein Ventil 4, wobei eine von der Einheit 2 abgehende Leitung 5 mit Leitungen 6 und 7 verbunden ist. In der Leitung 6 liegen ein Ventil 8 und eine Auslaß-Druckschwingungsdämpfer-Einheit 9, aus der Gas über eine Leitung 10 abgeführt wird. In der Leitung 7 liegen eine Auslaß-Druckschwingungsdämpfer-Einheit 11, ein Nachkühler 12 zum Kühlen von Einsatzgas und ein Ventil 13. Eine Auslaßleitung 14, in der sich ein Ventil 15 befindet, ist mit der Leitung 7 verbunden. Eine Leitung 16 in der ein Ventil 17 liegt, steht mit der Leitung 1 stromab von dem Ventil 4 in Verbindung. Die Leitungen 7 und 16 sind beide an eine Leitung 18 angeschlossen, die zu dem unteren Teil eines einzelnen Adsorptionsmittelbettes 19 in einem zweckentsprechenden Adsorptionsbehälter führt. Von dem oberen Ende des Adsorptionsmittelbettes 19 geht eine Leitung 20 ab, die mit einer ein Ventil 22 aufweisenden und zu einem Ausgleichstank 23 führenden Leitung 21 und mit einer Leitung 24 verbunden ist, in der ein Rückschlagventil 25 liegt und die zu einem Produktzwischentank 26 führt. Produktsauerstoff wird aus dem Produktzwischentank 26 über eine Leitung 27 für seine bestimmungsgemäße Verwendung in Operationen an stromab liegender Stelle abgezogen. Die Leitung 20 steht ferner mit einer Leitung 28 in Verbindung, in der ein Ventil 29 liegt und die zu dem Zwischentank 26 führt.
Im Betrieb eines Druckwechseladsorptionsprozesses unter Verwendung des in der Zeichnung veranschaulichten Systems wird zweckmäßigerweise ein Fünf-Sclrritt-Arbeitszyklus benutzt. Ein solcher Zyklus umfaßt die nachstehende Prozeßabfolge: (1) Aufdrückenlproduktgewinnung; (2) Teilentspannung; (3) Evakuieren; (4) Spülen und (5) teilweises Wiederaufdrücken.
Im Betrieb einer speziellen Ausführungsform dieser Prozeßabfolge wird mit dem ersten Schritt begonnen, nachdem das Adsorptionsmittelbett 19 gerade auf einen ersten Zwischendruck von etwa 0,69 bar (10 psia) teilweise wieder aufgedrückt wurde. Einsatzluft wird von dem Einsatzgebläse 2 aus zugeführt, wobei die Ventile 4 und 13 offen und die Ventile 8, 15, 17, 22 und 29 geschlossen sind. Das Rückschlagventil 25 ist so ausgerichtet, daß es öfitiet, wenn der Druck in dem Adsorptionsmittelbett 19 größer als der Druck in dem Produktzwischentank 26 wird.
Während Einsatzluft in den das Adsorptionsmittelbett 19 enthaltenden Behälter eingeleitet wird, steigt der Druck in dem Behälter, bis ein Punkt erreicht ist, bei dem der Druck gleich dem Druck in dem Produktzwischentank 26 ist, wobei dieser Druck typischerweise bei etwa 1,22 bar (18 psia) liegt. Das Rückschlagventil 25 öffnet dann, und Produktgas, d.h. Sauerstoff, wird in den Produktzwischentank 26 eingeleitet. Die Größe des Produktzwischentanks hängt von dem gewünschten Produktstrom und dem Druck der Auslaß-Pipeline 27 ab, sie muß jedoch ausreichend bemessen sein, um den Strom an Produktgas von dem Adsorptionsmiffelbett 19 ohne große Druckänderung, z.B. nicht mehr als 0,28 bis 0,34 bar (4 bis 5 psi) aufzunehmen. Sie muß ferner so bemessen sein, daß der gleichzeitige Spülgasstrom von dem Zwischentank 26 zurück zu dem Adsorptionsmiffelgefaß 19 wahrend des Spülschrittes möglich ist, ohne daß der Produktstrom in der Pipeline 27 unterbrochen wird. Diese Einspeisung von Produktgas dauert an, bis der Druck am oberen Ende des Behälters für das Adsorptionsmiffelbeft 19 einen oberen Adsorptionsdruck erreicht, der typischerweise bei etwa 1,55 bar (22,5 psia) liegt. Jetzt geht der Prozeßzvklus zu dem zweiten Schritt der Verarbeitungsabfolge über. Als Alternative kann anstelle des Rückschlagventils ein Drucksteuerventil vorgesehen und derart betrieben werden, daß ein konstanter Behälterdruck während des Produktherstellungsteils des Zyklusschrittes aufrecht erhalten wird, um den Prozeß weiter zu verbessern.
Es sollte festgestellt werden, daß während der restlichen Schritte der Prozeßabfolge der Produktzwischentank 26 Produktsauerstoff zur Verwendung an stromab liegender Stelle unabhängig von dem Behäfter für das Adsorptionsmiffelbett 19 oder andere diesem zugeordnete Prozeßanlagenteile liefert. Eine typische Schriffdauer für den ersten Schritt des Prozesses liegt bei etwa 18 bis 25 Sekunden. Die Einsatzlufttemperaturen entsprechen der Umgebungstemperatur; im allgemeinen hat jedoch das Einsatzgas in das Adsorptionsmiffelbeff 19 eine Temperatur, die 17 bis 22 ºC (30 bis 40 ºF) über der Umgebungstemperatur liegt, und das Temperaturprofil in dem Adsorptionsmittelbehälter ist so beschaffen, daß die Temperatur am Boden des Adsorptionsmittelbettes in dem Behälter näherungsweise 6 bis 11 ºC (10 bis 20 ºF) unter der Umgebungstemperatur liegt, die Temperatur in der Mitte des Adsorptionsmittelbettes näherungsweise gleich der Umgebungstemperatur ist oder bis zu etwa 5,6 ºC (10 ºF) über der Umgebungstemperatur liegt, und die Temperatur an der Oberseite des Adsorptionsmittelbettes näherungsweise 17 bis 22 ºC (30 bis 40 ºF) über der Umgebungstemperatur liegt. Diese Temperaturen können während der Prozeßabfolge leicht variieren. Die vorgesehene Einsatzluftldurchflußmenge steht in unmittelbarer Beziehung zu der gewünschten Produkt-Durchflußmenge. Bei einer Sauerstoffausbeute von 50 % im Falle einer Produktreinheit von 90 % ist die Einsatzluftidurchflußmenge im allgemeinen etwa 9,5-mal größer als die entsprechende Sauerstoffprodukt-Durchflußmenge.
Wenn der zweite Schritt der Prozeßabfolge, d.h. die Teilentspannung, beginnt, schließt das Ventil 13, und das Ventil 15 öffnet. Dies erlaubt eine Entlastung des Einsatzgebläses 2, d.h. dieses nimmt Luft von der Atmosphäre auf und gibt sie zurück zur Atmosphäre. Das Ventil 22 öffhet, und das Adsorptionsmittelbett 19 beginnt, sich von dem in dem ersten Schritt der Prozeßabfolge erreichten oberen Adsorptionsdruck zu entspannen. Lückenvolumengas wird auf diese Weise aus dem Lückenvolumen des Adsorptionsmittelbettes 19 verdrängt und über die Leitung 21 zu dem Ausgleichstank 23 geleitet. Die Größe die ses Tanks hängt von der gewünschten Anlagengröße ab, d.h. dem Produktstrom; der Ausgleichstank 23 muß jedoch ausreichend groß sein, um dieses Lückenvolumengas aus dem Behälter des Adsorptionsmittelbettes bei einem Druck von etwa 1,0 bis 1,03 bar (14,5 bis 15 psia) aufzunehmen. Die Sauerstoffkonzentration in diesem Tank liegt typischerweise bei etwa 85 bis 89 % Sauerstoff Das Rückschlagventil 25 schließt, weil der Druck des Behäfters für das Adsorptionsmittelbett 19 unter den Druck des Produktzwischentanks 26 absinkt. Die Ventile 8, 17 und 29 bleiben während des Prozeßschrittes geschlossen, der andauert, bis der Behälterdruck auf einen zweiten Zwischendruck, z.B. 1,10 bar (16 psia). absinkt, wobei der Druck in dem Ausgleichstank 23 auf einen Druck von 1,0 bis 1,03 bar (14,5 bis 15 psia) ansteigt. Die Zyklusschrittdauer für diesen zweiten Schritt, den Teilentspannungsschritt., liegt bei näherungsweise 4 bis 7 Sekunden. Die Prozeßabfolge geht dann auf den dritten Schritt der Prozeßabfolge über. Die Temperaturen des Behälters für das Adsorptionsmittelbett 19 während des zweiten Schrittes sind ähnlich denjenigen, die für den oben erläuterten ersten Schritt genannt sind.
Der Prozeßzyklus geht zu dem dritten Schritt der Prozeßabfolge, d.h. dem Evakuieren des Behälters, über, nachdem der Behälter für das Adsorptionsmittelbett 19 einen Teil des Lückenvolumengases in den Ausgleichstank 23 abgegeben hat und der Druck in dem Behäfter des Adsorptionsmiffels auf den zweiten Zwischendruck von näherungsweise 1,10 bar (16 psia) abgesunken ist. Für den dritten Prozeßschritt werden die Ventile 8 und 17 geöffnet und die Ventile 4, 15, 13, 22 und 29 sowie das Rückschlagventil 25 werden geschlossen. Infolgedessen wird in dem Behälter des Adsorptionsmittels 19 befindliches Gas über den Boden dieses Behälters 19 umgeleitet, und es gelangt über das Ventil 17 in der Leitung 16 zu dem Einlaß des Gebläses 2. Dieses Lückenvolumengas wird über den Auslaßgeräuschdämpfer 19 in die Atmosphäre ausgetragen. Diese Rohrleitungs- und Ventilanordnung erlaubt es dem Gebläse 2, den Behäfter 19 auf einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck zu evakuieren. Die näherungsweise Zusammensetzung des Evakuierungsgases, gemitteft über den Evakuierungsteil des Prozeßzyklus, beträgt 90 % Stickstoff und 10 % Sauerstoff Um das Kombinations-Gebläseverhalten zu verbessern, wenn das Gebläse zum Evakuieren benutzt wird, kann am Einlaß des Gebläses Dichtwasser eingebracht werden, um Zwischenräume in den Zähnen oder Nocken des Gebläses 2 abzudichten. Diese Wasserdichtanordnung erlaubt es dem Gebläse, im Vakuumeinsatz mit verbesserter Leistung zu arbeiten. Der Behälter wird unter den Atmosphärendruck evakuiert, um für die Differenz der Partialdrücke in dem Stickstoffgas in den Lückenräumen des Adsorptionsmittels zu sorgen und von der Adsorptionsmitteloberfläche zu desorbieren, wodurch das Adsorptionsmittel regeneriert wird, um das Adsorptionsmittel auf die erneute Adsorption von Stickstoff aus zusätzlichen Mengen an Einsatzluft für den halbkontinuierlichen Fluß von Produktsauerstoff zur Verwendung an stromab liegender Stelle vorzubereiten. Dieser Schritt der Behälterevakuierung findet statt, bis der Druck in dem Behälter einen erwünschten niedrigeren Desorptionsdruck, wie z.B. einen Vakuumdesorptionsdruck, beispielsweise etwa 0,34 bar (5 psia), erreicht. Die Schrittdauer für diesen Zyklusschritt beträgt etwa 30 bis 40 Sekunden. Der Prozeßzyklus geht dann zu dem vierten Schritt der Gesamtprozeßabfolge über.
Der vierte Prozeßschritt ist ein Behälterspülschritt bei dem niedrigeren Desorptionsdruck. Für diesen Zweck öffiiet das Ventil 29, und ein kleiner Nebenstrom an Produktgas aus dem Produktzwischentank 26 wird in das obere Ende des Einzeladsorptionsmittelbehälters 19 umgeleitet. Dieser Strom hat eine Sauerstoftkonzentration von 90 bis 93 %, und er wird benutzt, um einen großen Teil des verbleibenden Lückenvolumengases in dem Behälter herauszuspülen, der an dieser Stelle hauptsächlich aus desorbiertem Stickstoff besteht. Der Spülgasstrom verdrängt das desorbierte Gas, das sich in dem Lückenvolumen im Behälter 19 befindet, und weil der Spülstrom keine hohe Stickstoffkonzentration hat, wird das Lückenvolumengas nicht erneut in die Oberfläche des Adsorptionsmittels adsorbiert, wenn der Druck in dem Behälter zu steigen beginnt, weil das Adsorptionsmittel keine selektive Affinität für Sauerstoff hat.
Dieser Behälterspülschritt erfolgt bei einem konstanten Unterdruck (Vakuum) oder einem anderen Desorptionsdruckpegel in dem Behälter, wobei die Ventile 8 und 17 offenbleiben, das Steuerventil 29 öffnet und alle weiteren Ventile geschlossen sind. Wenn der größte Teil des desorbierten Gases in den Lückenräumen des Adsorptionsmittels im Behälter durch Produktgas ersetzt ist, geht die Prozeßabfolge zu dem fünften Prozeßschritt über, dem Schritt des teilweisen Wiederaufdrückens. Die mittlere Zeitdauer für den vierten Schritt, d.h. den Behälterspülschritt, beträgt typischerweise etwa 7 bis 10 Sekunden. Um den Vakuumpegel für diesen Behälterevakuierschritt im wesentlichen konstant zu halten, ist die Durchfiußmenge für das desorbierte Gas, welches den Behälter verläßt, näherungsweise gleich der Evakuier-Durchflußmenge bei beispielsweise 0,34 bar (5 psia).
Der fünfte Schritt der Prozeßabfolge ist ein Teilwiederaufdrückschritt, bei dem die Ventile 8, 17 und 29 geschlossen werden und die Ventile 4 und 15 geöfihet werden, so daß das Gebläse 2 unbelastet laufen kann. Das Steuerventil 22 wird bis zu einer eingestellten Ventilposition geöffhet. Lückenvolumengas, das in dem Ausgleichstank 23 während des zweiten Schrittes der Prozeßabfolge, dem Teilentspannungsschritt, angesammelt wurde, wird benutzt, um den Adsorptionsmittelbehälter 19 auf einen ersten Zwischendruckwert, beispielsweise 0,69 bar (10 psia), während dieses Teilwiederaufdrückschrittes wieder aufzudrücken. Der Druck in dem Ausgleichstank 23 fällt bei einer typischen VPSA-Anwendung von etwa 1.03 auf 0.66 bar (von 15 psia auf 9,5 psia). Die Zeitdauer für diesen Schritt ist im wesentlichen die gleiche wie die Schrittdauer für den Teilentspannungsschritt, beispielsweise 4 bis 7 Sekunden. Wenn der Behälter 19 auf diesen ersten Zwischendruck wieder aufgedruckt ist, ist die Prozeßabfolge voll durchlaufen, und der Zyklus geht zu seinem ersten Schritt über; die Prozeßabfolge wird wiederholt, während der kontinuierliche Betrieb des vorliegenden PSA- oder VPSA-Prozesses mit zusätzlichen Mengen an Einsatzluft fortgesetzt wird.
Die näherungsweisen Druckwerte in dem Adsorptionsmittelbett 19, dem Produktzwischentank 26 und dem Ausgleichstank 23 am Ende jedes der fünf Schritte der Prozeßabfolge sind für eine spezielle Ausführungsform der Erfindung in der nachstehenden Tabelle angegeben. Tabelle Druckwerte am Ende jedes Prozeßschrittes
Durch die Verwendung des gesonderten Gasausgleichstanks für Wiederaufdruckgas wird insbesondere bei VPSA-Prozeßvorgängen die Produktausbeute verbessert; ferner wird der Energiebedarf vermindert. Wenn sich der Adsorptionsmittelbehälter auf seinem oberen Adsorptionsdruck befindet und die Teilentspannung des Behälters eingeleitet wird, wird das aus dem Adsorptionsmittelbett herausgetriebene Gas in dem Ausgleichstank aufgefangen. Bei dem aufgefangenen Gas handelt es sich um Lückenvolumengas, d.h. jedes beliebige Gas, das in auf Adsorptionsmittelzwischenräume zurückzuführende Lückenvolumina des Adsorptionsmittels in dem Behälter enthalten ist, und um Stickstoffgas, das von der Oberfläche des Adsorptionsmiffels desorbiert wurde, wenn der Bettdruck abgesenkt wurde. Die Reinheit des Lückenvolumengases in dem Ausgleichstank unterscheidet sich von der in dem Produktzwischentank, weil das Lückenvolumengas eine höhere Konzentration an Stickstoffgas hat, da ein Teil des in dem Ausgleichstank aufgefangenen Gases desorbierter Stickstoff ist. Im allgemeinen liegt die Sauerstoffreinheit in dem Ausgleichstank bei näherungsweise 85 bis 89 % Sauerstoff im Gegensatz zu der höheren Reinheit, typischerweise 90 bis 93 % Sauerstoff, des Produktgases in dem Produktzwischentank. Nachdem der Adsorptionsmittelbehälter evakuiert wurde und sich auf einem unter dem Atmosphärendruck liegenden Druckwert befindet, wird der Behälter mit Lückenvolumengas von diesem Ausgleichs- oder Speichertank auf einen Druck von etwa 0,69 bar (10 psia) teilweise wieder aufgedrückt. Durch Zurückführen des Lückenvolumengases von dem Teilentspannungsschritt, statt Abblasen des Lückenvolumengases bis herab zu Atmosphärendruck, wie dies bei bekannten Ansätzen der Fall ist, werden mehr der in das System eingebrachten Sauerstoffmoleküle gewonnen, wodurch die Produktausbeute verbessert wird. Die Steigerung der Produktausbeute bedeutet, daß bei gleichem Einlaßluftstrom der Produktsauerstoffstrom erhöht wird. Diese Steigerung des Produktstroms führt zu einem niedrigeren Einheitsenergieverbrauch für das Druckwechseladsorptionssystem. Die Einfügung des Ausgleichstanks in den PSA-, insbesondere den VPSA-Prozeß, dient auf diese Weise der Verbesserung der Produktausbeute und der Einsparung von Energie pro Produkteinheit. zwei bedeutenden Prozeßvorteilen angesichts der relativ geringen Kosten für den Ausgleichstank.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist die Verwendung von Produktsauerstoff von dem Produktzwischentank als Spülgas während des Evakuierungsschrittes. Wenn der Adsorptionsmittelbehälter beispielsweise subatmosphärischen Bedingungen ausgesetzt wird, desorbiert auf der Adsorptionsmitteloberfläche adsorbiertes Stickstoffgas aufgrund der Partialdruckdifferenzen. Der desorbierte Stickstoff verbleibt in dem Behälter in den Lückenvolumina des Adsorptionsmittels. Es ist erwünscht, die Hauptmenge des so desorbierten Stickstoffs aus dem Adsorptionsmittelbehälter zu entfernen. weil, sobald der Druck in dem Behäfter ansteigt, Partialdrücke das verbliebene Stickstoffgas in dem Behälter veranlassen, erneut in der Oberfläche des Adsorptionsmittels adsorbiert zu werden, so daß das Adsorptionsmittel nie voll regeneriert wird. Durch Einleiten eines Spülgasstroms von dem Produktzwischentank.
der Sauerstoff mit einer Reinheit von 90 bis 93 % aufweist, wird das in dem Behälter verbliebene Stickstoffgas aus den Hohlräumen herausgespült und durch Produktsauerstoffgas ersetzt. Wenn das Bett dann wieder aufgedrückt wird, besteht das Lückenvolumengas hauptsächlich aus Sauerstoff, der nicht adsorbiert wird, wenn der Druck in dem Behälter zu steigen beginnt, so daß die Adsorptionsmitteloberflächen in Vorbereitung auf den nächsten Einsatzgaseinleitungsschritt voll regeneriert bleiben. Je höher die Sauerstoffreinheit in dem Spülgas ist, desto effektiver wird im allgemeinen der Spülschritt, weil je mehr Stickstoffgas in dem Behälter verbleibt, desto mehr solches Gas auf der Adsorptionsmitteloberfläche während des Schrittes des teilweisen Wiederaufdrückens erneut adsorbiert wird, wodurch die Regeneration der Adsorptionsmitteloberfläche weniger effektiv wird. Wenn das in den Behälter eingeleitete Spülgas den geringstmöglichen Wert an Stickstoffkonzentration hat, wird die gewunschte Lufizerlegung verbessert.
Bei dem praktischen Einsatz der Erfindung zeigte es sich, daß eine Produktdurchflußmengenverbesserung von 20 bis 25 % im Vergleich zu dem bekannten Vorgehen erreicht wird, bei dem Produktgas als eine Quelle für Bettwiederaufdrückgas benutzt wird. Die Verwendung von Produktgas zum Wiederaufdrucken kann zur Folge haben, daß nur ein geringer Teil der Gesamtmenge des Produktgases zur Verwendung an stromab liegender Stelle verfügbar ist. Durch die Verwendung von Lückenvolumengas für das teilweise Wiederaufdrücken des Behälters ist das gesamte Produktgas, das durch den erfindungsgemaßen Prozeß erzeugt wird, für den gewunschten Einsatz des Produktgases an stromab liegender Stelle verfügbar. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil hinsichtlich des Betriebsverhaltens auf dem Gebiet von Einbett-Druckwechseladsorptionsverfahren dar.
Beim praktischen Einsatz der Erfindung kann jedes zweckentsprechende Adsorptionsmittel benutzt werden, das in der Lage ist, selektiv Stickstoff aus Luft zu permeleren. Beispielsweise können bekannte Molekularsiebe, wie die Zeolith-Molekularsiebe 5A und 13X, mit Vorteil eingesetzt werden.
Während konventionelle zeolithische Molekularsiebe als das Adsorptionsmittel bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet werden können, lassen sich auch verschiedene speziell modifizierte Materialien für die gewunschte selektive Adsorption von Stickstoff aus Einsatzluft und die Gewinnung der weniger leicht adsorbierbaren Sauerstoffkomponente der Einsatzluft als das gewünschte Produktgas einsetzen. So lassen sich als das Adsorptionsmittel in besonderen Ausführungsformen die Lithiumkationenformen von Zeolith X oder Mischkationenformen derselben, z.B. Lithium- und Kalzium-Formen, benutzen. Ein solches Lithium-X-, d.h. LiX-, Adsorptionsmittel hat, wie gefünden wurde, eine in hohem Maße erwünschte Kapazität und Selektivität hinsichtlich der Adsorption von Stickstoff aus Luft oder anderen Strömen, die weniger polare oder weniger polarisierbare Molekülarten, wie Sauerstoff, enthalten.
Die LiX-Adsorptionsmittel, die zweckmäßigerweise bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet werden, sind die Lithiumkationenformen von Zeolith X, bei denen das Gerüst ein Si/Al&sub2;- Molverhältnis von etwa 2,0 bis etwa 3,0, vorzugsweise von 2,0 bis 2,5, hat und bei denen mindestens etwa 88 %, vorzugsweise mindestens 90 % und stärker bevorzugt mindestens 95 % der AlO&sub2;-Tetrahedraleinheiten mit Lithiumkationen assoziiert sind. Die Stickstoffadsorptionseigenschaften von solchen hoch ausgetauschten Formen von LiX lassen sich aus den Ergebnissen, die erzielt werden können, wenn LiX-Materialien eingesetzt werden, bei denen 86 Äquivalentprozent oder weniger der Kationen Lithium sind und es sich bei dem Rest hauptsächlich um Natriumkationen handelt, in keiner Weise voraussagen. Es wurde ferner gefünden, daß eine Steigerung des relativen Anteils der AlO&sub2;-Tetrahedraleinheiten in dem Zeolith-X-Gerüst von 44,4 % der insgesamt vorhandenen Tetrahedraleinheiten auf 50 % der insgesamt vorhandenen Einheiten, verbunden mit einem entsprechenden Anstieg an Li+-Ionen, d.h. dem gleichen äquivalenten Prozentsatz an Li+-Ionen in jedem Fall, gleichfalls die Adsorptionskapazität und -selektivitat des Zeolithen für Stickstoff steigert, wobei diese Werte weitaus größer sind als diejenigen, die einfach mit der genannten Zunahme der Anzahl an Kationen in dem LiX-Material verknüpft sind.
Bei der Herstellung der Lix-Materialien zur Verwendung bei der praktischen Durchführung der Erfindung lassen sich konventionell verfügbare Zeolith-X-Ausgangsstoffe verwenden. Zwei dieser Materialien sind Zeolith-X mit SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;-Verhältnissen von 2,5 und 2,0, die hauptsächlich Natriumkationen aufweisen, d.h. NaX-Material. Das 2,5-NaX kann entsprechend den Lehren der US-A-2 882 244 bei einer Temperatur von etwa 100 ºC hydrothermisch synthetisiert werden, wobei Natriumsilikat und Natriumaluminat sowie Wasser als die Reaktionsmittel verwendet werden und wobei das Reaktionsgemisch, ausgedrückt in molaren Oxidverhältnissen, die folgende Zusammensetzung hat:
3,5 Na&sub2;O:AL&sub2;O&sub3;:3,0 SiO&sub2;:144 H&sub2;O
Das 2,0 NaX-Material kann in der Natrium-Kalium-Miscbform synthetisiert werden, indem beispielsweise zunächst 208 g Al (OH)&sub3; in 267 g einer wäßrigen 50 %-NaOH-Lösung unter Erwärmen und Rühren aufgelöst werden, um eine erste Lösung, d.h. die Lösung (a) zu bilden. Eine Lösung (b) wird zubereitet, indem 287 g 85,3 % KOH-Pellets in 1000 g Wasser gelöst werden, worauf die so gebildete Lösung mit 671 g einer wäßrigen 50 % NaOH-Lösung gemischt wird. Die Lösung (a) wird der Lösung (b) langsam zugesetzt, um eine Lösung (c) zu bilden, die auf 4 ºC bis 12 ºC gekühlt wird. Eine Lösung (d) wird zubereitet, indem 453,25 g Natriumsilikat der Güteklasse 40 (9,6 % Na&sub2;O; 30,9 % SiO&sub2;) mit 1131,7 g Wasser verdünnt werden. Die gekühlte Lösung (c) wird der Lösung (d) in einem Mischer zugesetzt und bei niedriger Geschwindigkeit 3 Minuten lang gemischt. Das Kühlen und die Vermeidung der Ausbildung von übermäßigen Mengen an mechanischer Energie beim abschließenden Mischen stellen wichtige Faktoren für die Zubereitung eines Produkts hoher Güte dar. Eine Gelbildung sollte nicht vor Ablauf von etwa 4 Minuten eintreten. Das Gel wird bei 36 ºC zwei bis drei Tage lang gealtert und bei 70 ºC 16 Stunden lang aufgeschlossen. Der erwünschte Zeolith wird dann durch Filtrieren isoliert, und der Filterkuchen wird mit wäßriger NaOH-Lösung (mit einem pH-Wert von 12) in einer Menge entsprechend dem siebenfachen des Volumens der Mufferlauge gespült. Das gespülte Produkt wird erneut in vier Litern einer NaOH-Lösung (mit einem pH-Wert von 10) aufgeschlämmt und dann durch Filtration gewonnen und mit Wasser gespült. Das Wiederaufschlämmen wird zweckmäßigerweise zwei weitere Male wiederholt, und das isolierte Produkt wird in Luft getrocknet. Das getrocknete Produkt wird in 100 ml einer 1 % NaOH-Lösung aufgeschlämmt und in der Aufschlämmung bei 90 ºC 21 Stunden lang gehalten. Nach Filtrieren wird der Kuchen mit 1000 ml NaOH-Lösung (mit einem pH-Wert von 12) bei 60 ºC 30 Minuten lang aufgeschlämmt und flltriert. Der Wiederaufschlämm-Prozeß wird zweckmäßigerweise zwei weitere Male wiederholt; dann werden die Feststoffe durch Filtrieren gewonnen und mit wäßriger NaOH-Lösung (mit einem pH-Wert von 9) gewaschen sowie in Luft getrocknet.
Unter Verwendung des in der oben geschilderten Weise zubereiteten 2,5 NaX kann ein Zeolith-"Rohling"-Agglomerat hergestellt werden, indem die Ausgangs-Zeolithkristalle zunächst mit einer wäßrigen kaustischen Lösung mit einem pH-Wert von 12, im wesentlichen bestehend aus Natriumhydroxid und Wasser, gewaschen werden, worauf ein Waschen mit Wasser bis zu einem pH-Wert von 9 erfolgt. Die gewaschenen Zeolithkristalle werden dann mit Averv-Ton, einem kommerziell verfügbaren Kaolinton, in den Anteilen von 80 Gew.% Zeolith und 20 Gew.% Ton gemischt. Das Zeolith-Ton-Gemisch wird dann mit ausreichend Wasser kombiniert, um eine extrudierfahige Masse von ausreichender Grünfestigkeit zu erhalten, damit die extrudierten Pellets dem anschließenden etwa einstündigen Brennvorgang bei etwa 650 ºC unterzogen werden können, bei dem der Kaolinton in eine aktive Metakaolinform umgewandelt wird. Nach dem Brennen werden die gebundenen Aggiomerate gekühlt und in eine wäßrige kaustische Lösung bei etwa 100 ºC eingebracht und dort aufgeschlossen, um die Masse des Meta-Kaouns in Zeolithkristalle, in erster Linie Zeolith-X-Kristalle, umzusetzen. Die aufgeschlossenen Aggiomerate werden aus der kaustischen Aufschlußlösung entfernt, wiederum mit einer flischen wäßrigen NaOH-Lösung mit einem pH-Wert von 9 bis 10 gewaschen sowie in Luft getrocknet. Die getrockneten Produktpellets werden aufgebrochen und gesiebt, um Teilchen mit einer zweckentsprechenden Größe, beispielsweise einer Teilchengröße von 0,42 mm bis 1,19 mm (16 x 40 mesh) zu erhalten.
Die derart bemessenen Teilchen können aktiviert werden, indem sie in einem Vakuum bei einer Temperatur von 375 ºC für eine Zeitdauer von etwa 2,5 Stunden erhitzt werden. Diese Aktivierung wird auf diese Weise sorgfältig durchgeführt, damit die Zeolith-NaX-Kristalle keinen übermäßigen hydrothermischen Beanspruchungen durch den Dampf ausgesetzt werden, der von eingeschlossenem und/oder adsorbiertem Wasser gebildet wird. Bei dem so gebildeten aktivierten Material handelt es sich um ein aktiviertes 2,5 NaX-Material. Bei der Herstellung des LiX-Materials können nicht aktivierte Teilchen einer Ionenaustauschprozedur unterzogen werden, wobei die Teilchen in einer Glaskolonne mit einem Strom aus 1,0 molarem wäßrigem Lithiumchlorid, der unter Verwendung von LiOH auf einen pH-Wert von 9,0 eingestellt ist, bei einer Temperatur von 80 ºC in Kontakt gebracht werden. Es wird eine solche Menge an Lithiumchloridlösung benutzt, daß die Zeolithteilchen zweckmäßig mit einem vierfachen stöchiometrischen Überschuß an Lithiumionen über eine Zeitspanne von etwa 14 Stunden hinweg in Kontakt kommen. Die die Kolonne verlassende Ionenaustauschlösung wird nicht zurückgeführt. Das erhaltene, ionenausgetauschte Produkt wird mit Wasser gewaschen und unter Verwendung von LiOH auf einen pH-Wert von 9 eingestellt. Es zeigte sich, daß es zu 94 % ionenausgetauscht ist.
Bei Verwendung des in der oben geschilderten Weise hergestellten Niedersilika-2,0-NaKX-Materials können die Alkalimetallkationen, falls erwünscht, durch Ionenaustausch mit einer wäßrigen Lithiumchloridlösung (mit einem unter Verwendung von LiOH auf 9 eingestellten pH-Wert) durch Lithiumkationen in einem Ausmaß von mehr als 99 Äquivalentprozent ersetzt werden. Dieses Material weist in pulvriger Form 2,0 LiX (99 %) Material auf.
Für den Fachmann versteht es sich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen hinsichtlich der Einzelheiten der Lix-Zubereitungsprozeduren oder der Zubereitung der Mischkationenadsorptionsmittel getroffen werden können, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden, die sich mit verbesserten PSA-Prozessen und -Systemen befaßt. Unter dieser Voraussetzung sei beispielsweise festgestellt, daß ein 2,5 NaX-Material unter Ahwendung der oben beschriebenen Volumentechnik mit einer wäßrigen Lithiumchloridlösung (deren pH-Wert mit LiOH auf 9 eingestellt ist) mit weniger oder mehr als der vierfachen Menge an LiCl ionenausgetauscht werden kann, so daß Produkte mit verschiedenen Mengen an Lithiumkationen gebildet werden. Es versteht sich ferner, daß zweckentsprechendes LiX-Material durch einen solchen lonenaustausch zubereitet werden kann, bei dem anstelle von Lithiumchlorid Lithiumkarbonat oder ein anderes derartiges Lithiumsalz verwendet wird. Ferner können die resultierenden LiX-Materialien oder Mischkationen-Materialien, wie LiCaX-Materialien, die geeignete Adsorptionsmittel zur Verwendung bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung bilden, unter einer Vielzahl von Arbeitsbedingungen eingesetzt werden, die den praktischen Arbeitserfordernissen einer gegebenen Anwendung entsprechen, beispielsweise einem bestimmten Druck oder Temperaturzustand des Einsatzoder Produktgases, und/oder dem gewünschten Grad der Zerlegung und Ausbeute einer gegebenen Anwendung.
Üblicherweise wird ein zylindrisch ausgebildeter Adsorptionsmittelbehälter mit flachen gewölbten Köpfen am oberen und unteren Ende verwendet, wobei Gas in axialer Richtung durch den Behälter hindurchströmt. Alternativ kann ein Adsorptionsmittelbehälter benutzt werden, bei dem die Gasströmung radial ist, d.h. bei dem der Strom am zylindrischen Außenumfang eintritt und sich in den inneren Zylinder bewegt, wo der Produktstrom aufgefangen wird. Weil der Strömungsquerschnitt sich dabei über den Strömungsweg hinweg ändert, werden die mit der Strömung verbundenen Druckverluste verringert, wodurch der Energieverbrauch weiter herabgesetzt wird. Ferner kann die axiale Länge des Adsorptionsmittelbehälters sehr lang gewählt werden, um mehr Adsorptionsmittel unterzubringen und dadurch mehr Produkt zu erzeugen; die Strömungsweglänge bleibt jedoch der Radius des Behälters, und der mit dem Radialstrom verbundene Druckabfall ändert sich nicht. Bezogen auf einen Bett-Größen-Faktor (BSF) von 500 kg (1000 lb) Molekularsieb/Tonne pro Tag (TPD) Produktstrom, wäre der Durchflußmengenbereich für diese Art von Behälterkonfiguration bei 425 bis 2265 Standard-m³/h (15000 bis 80000 NCFH) Sauerstoffdurchflußmenge im Falle von 6800 bis 36300 kg Molekularsieb-Adsorptionsmittel in dem Adsorptionsbehälter.
Es sei erwähnt, daß VPSA-Anlagen, bei denen mit Lithium ausgetauschte Adsorptionsmittel verwendet werden, unter Warmwetterbedingungen sehr gut arbeiten, wenn die Einlaßtemperaturen mit Kühlwasser in dem Einsatz-Nachkühler gesteuert werden können. Bei kaltem Wetter, wenn die Umgebungstemperaturen nahe bei oder unter dem Gefrierpunkt liegen, werden jedoch die Adsorptionsmitteltemperaturen abgesenkt, und die Adsorptionsmittelleistung scheint bei Verwendung von lithiumausgetauschten Adsorptionsmitteln vermindert zu sein. Um die Temperatur in dem Adsorptionsmittelbehälter zu erhöhen, kann die dem Behälter zugehende Einsatzluft auf einen Wert angewärmt werden, der weitgehend demjenigen bei warmen Außenbedingungen entspricht. Für diesen Zweck kann am Einlaß des Gebläses anstelle eines Einsatz-Nachkühlers ein Vorwärmer in Klimazonen zusätzlich vorgesehen werden, wo die Sommer-Umgebungstemperaturen nicht über 24 bis 27 ºC (75 bis 80 ºF) liegen.
Um eine Produktstromeinheit kosteneffektiver zu machen, können bei speziellen Ausführungsformen der Erfindung der Einsatz-Nachkuhler und der Vorerhitzer weggelassen werden. Die Verminderung der Produktausbeute aufgrund von variierenden Umgebungsbedingungen und der resultierenden Behältertemperaturen ist möglicherweise nicht von ausreichender Bedeutung, um die Verwendung solcher zusätzlicher Komponenten bei dem PSA- oder VPSA-System zu rechtfertigen. Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, die Verwendung von Einlaßluft-Geräuschdämpfernjdruckschwingungsdämpfern zu vermeiden. In Anbetracht von Gaspulsationseffekten ist ein solches Weglassen nicht für großdimensionierte Anlagen zu empfehlen; es kann aber bei kleineren Produktdurchflußmengen, d.h. im Sauerstoffproduktbereich von 4,5 bis 9,1 Tonnen pro Tag (5 - 10 TPD) vorgesehen werden. Eine Kombination der Einsatz/Vakuum-Auslaßgeräuschdämpfer, d.h. der Komponenten 9 und 11, dient gleichfalls einer Vereinfachung des PSA- oder VPSA-Systems und sorgt bei praktischen kommerziellen Ausführungsformen der Erfindung für Gesamtkosteneinsparungen.
In Fällen, wo eine höhere Produktreinheit erwünscht ist, kann ein sechster Schritt, d.h. ein Sekundärwiederaufdrückschritt, verwendet werden. Nachdem dem Behälter ein Aufdrückgas von dem Ausgleichstank mit einer Sauerstoffteinheit von 85 bis 89 % zugefülrrt wurde, würde im Zuge des sechsten Schrittes ein kleiner Spülstrom von dem Produktzwischentank benutzt werden, um Sauerstoffgas mit höherer Reinheit, beispielsweise 90 bis 93 % Reinheit, in die Lückenvolumenbereiche des Adsorptionsbehälters einzubringen. Auf diese Weise wird die mittlere Reinheit in den Lückenräumen gesteigert, und ein Sauerstoffprodukt höherer Reinheit kann erzeugt werden, ohne für eine solche Steigerung der Sauerstoffproduktreinheit die Produktdurchflußmenge herabzusetzen, obwohl dies mit einer gewissen Einbuße an Produktausbeute verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung bei Einbett-PSA- und -VPSA-Prozeßvorgängen dar. Durch Erzielung von verbesserten Produktdurchflußmengen und Steigerung des Adsorptionsvermögens des einzelnen Adsorptionsmittelbettes verbessert die Erfindung Einbett-Operationen, und sie bietet einen Anreiz, kostengünstige Einbett-PSA- und -VPSA-Systeme bei praktischen Luftzerlegungen einzusetzen.

Claims

1. Druckwechseladsorptionsveffahren zur Gewinnung von geringen Volumina an Sauerstoff aus Luft, bei welchem:

(a) Einsatzluft dem Einsatzende eines einzelnen Bettes aus Adsorptionsmittel zugeführt wird, welches in der Lage ist, Stickstoff als die stärker adsorbierbare Komponente von Luft zu adsorbieren, wobei der Druck des Betts von einem ersten Zwischendruck auf einen oberen Adsorptionsdruck angehoben wird, und wobei Sauerstoff als die schwächer adsorbierbare Komponente von Luft von dem Produktende des Betts zu einen Produktzwischentank bei Drücken geleitet wird, die annähernd gleich dem oberen Adsorptionsdruck sind;

(b) das Bett im Gleichstrom auf einen zweiten Zwischendruck, der höher als der erste Zwischendruck ist, unter Freisetzung von Lückenvolumengas von dem Produktende des Bettes entspannt wird, wobei das Lückenvolumengas zu einem Ausgleichstank geleitet wird;

(c) das Bett im Gegenstrom von dem zweiten Zwischendruck auf einen niedrigeren Desorptionsdruck entspannt wird, wobei zusätzliche Mengen an Gas von dem Einsatzende des Betts freigesetzt werden;

(d) ein Produktgas-Seitenstrom von dem Produktzwischentank zu dem Produktende des Betts als Spülgas geleitet wird, um desorbierten Stickstoff von dem Lückenvolumen in dem Bett bei dem niedrigeren Desorptionsdruck zu verdrängen, wobei der verdrängte desorbierte Stickstoff von dem Einsatzende des Betts abgegeben wird;

(e) Lückenvolumengas von dem Ausgleichstank zu dem Produktende des Betts geleitet wird, um den Druck des Betts von dem niedrigeren Desorptionsdruck auf den ersten Zwischendruck anzuheben; und

(f) zusätzliche Mengen an Einsatzluft zu dem Einsatzende des einzelnen Betts geleitet werden, wenn die zyklische Abfolge der Schritte (a) bis (e) fortgesetzt wird,

wodurch Produktsauerstoff aus Luft gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der niedrigere Desorptionsdruck unter dem Atmosphärendruck liegt.

3 Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der obere Adsorptionsdruck über dem Atmosphärendruck liegt und der erste Zwischendruck unter dem Atmosphärendruck liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Adsorptionsmittel zeolitisches Molekularsiebmaterial aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine geringe Menge an Produktgas von dem Produktzwischentank zu dem Produktende des Betts geleitet wird, nachdem diesem im Schritt (e) Lückenvolumengas zugeleitet wurde, wodurch die mittlere Sauerstoffteinheit in dem Lückenvolumen des Betts gesteigert wird.

6 Druckwechseladsorptionssystem zur Gewinnung von geringen Volumina an Sauerstoff aus Luft, versehen mit:

(a) einem einzelnen Bett (19) aus Adsorptionsmittel, welches in der Lage ist, Stickstoff als die starker adsorbierbare Komponente von Luft zu adsorbieren;

(b) einem Ausgleichstank (23) zur Aufhahme von Lückenvolumengas, welches von dem Produktende des Betts (19) freigesetzt wurde;

(c) einem Produktzwischentank (26) zur Aufliahme von Produktsauerstoff, welcher von dem Produktende des Betts (19) freigesetzt wurde;

(d) einer Leitungsanordnung (21, 24) zum Überleiten von Lückenvolumengas zu dem Ausgleichstank (23) und von Produktsauerstoff zu dem Produktzwischentank (26);

(e) einer Steueranordnung (22, 25) zum Steuern des Durchflusses an Lückenvolumengas zu dem Ausgleichstank (23) und des Durchflusses von Produktsauerstoff zu dem Produktzwischentank (26), sowie zum Steuern des Durchflusses an Lückenvolumengas von dem Ausgleichstank (23) zu dem Produktende des Betts (19);

(f) einer Anordnung (2) zum Überleiten von Luft zu dem Einsatzende des Beffs (19); und

(g) einer Leitungsanordnung (5, 6, 10, 16, 18) zum Abgeben von Lückenvolumengas und von Stickstoff von dem Einsatzende des Betts (19);

dadurch gekennzeiclmet, daß

(h) das System einen einzelnen Ausgleichstank (23) zur Aufhahme von Lückenvolumengas, welches von dem Produktende des Betts (19) freigesetzt wurde, aufweist;

(i) die Anordnung (2) zum Überleiten von Luft zu dem Einsatzende des Betts (19) eine Einsatzgebläseanordnung ist;

(j) die Steueranordnung (22) zum Steuern des Durchflusses an Lückenvolumengas von dem Ausgleichstank (23) zu dem Produktende des Betts (19) so ausgelegt ist, daß sie den Durchfluß an Lückenvolumengas zum partiellen Wiederaufdrucken des Betts von einem niedrigeren Desorptionsdruck steuert; und

(k) das System ferner eine Steueranordnung (29) aufweist, um den Durchfluß eines Produktsauerstoff-Seitenstromes von dem Produktzwischentank zu dem Produktende des Betts (19) als Spülgas bei dem niedrigeren Desorptionsdruck zu steuern.

7. System nach Anspruch 6, bei welchem die Steueranordnung zum Steuern des Durchflusses von Produktsauerstoff zu dem Produktzwischentank (26) ein Rückschlagventil (25) aufweist.

8. System nach Anspruch 6, bei welchem die Steueranordnung zum Steuern des Durchflusses von Produktsauerstoff zu dem Produktzwischentank (26) ein Drucksteuerventil (25) aufweist.

9. System nach Anspruch 6, bei welchem das Adsorptionsmittel zeolitisches Molekularsiebmaterial aufweist.

10. System nach Anspruch 9, bei welchem das Adsorptionsmittel mit Lithium ausgetauschtes zeolitisches Molekularsiebmaterial aufweist.

11 System nach einem der Anspruche 6 bis 10, bei welchem die Einsatzgebläseanordnung (2) eine Einsatzgebläseivakuumgebläse-Anordnung aufweist, die dafür ausgelegt ist, Lückenvolumengas und Stickstoff von dem Einsatzende des Beffs (19) zu der Leitungsanordnung (5, 6, 10) zum Abgeben von Lückenvolumengas bei einem unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck abzuziehen.

12. System nach einem der Anspruche 6 bis 11, ferner versehen mit einem Nachkühler (12) stromab von der Einsatzgebläseanordnung (2) zum Kühlen der zu dem Einsatzende des Betts (19) geleitetenluft.