Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf die Trennung von Einsatzgasgemischen, die weniger leicht und leichter
adsorbierbare Komponenten enthalten. Genauer bezieht sie sich auf eine derartige Gastrennung unter
Verwendung einer Druckwechseladsorptions-(PSA)-Verarbeitung.
Beschreibung des Stands der Technik
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In zahlreichen chemischen Verarbeitungen, in Raffinerien, in der Metallherstellung und in anderen
industriellen Anwendungen werden hochreine Gasströme regelmäßig für eine Vielzahl von Zwecken
verwendet. Beispielsweise wird hochreiner Sauerstoff in verschiedenen Industriezweigen wie z. B. der
chemischen Verarbeitung, in Stahl- und Papierwerken, und bei Blei- und Glasherstellungsvorgängen
verwendet. Viele derartige Anwendungen erfordern Reinheiten in dem Bereich von etwa 90-93%
Sauerstoff bei Durchflussraten von bis zu 2832 m³/h (100000 Kubikfuß pro Stunde) oder mehr. Während
Sauerstoff und Stickstoff durch verschiedene Luftzerlegungsverfahren hergestellt werden können, ist die
PSA-Verarbeitung besonders für die Luftzerlegung in einer Vielzahl von Anwendungen und insbesondere
in relativ klein dimensionierten Ausführungen geeignet, für welche die Verwendung einer
Tieftemperaturluftzerlegungsanlage ökonomisch nicht sinnvoll sein könnte.
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In der Druckwechseladsorptions-(PSA)-Verarbeitung wird ein Einsatzgasgemisch, welches eine leichter
adsorbierbare Komponente und eine weniger leicht adsorbierbare Komponente enthält, im allgemeinen zu
einem Adsorptionsmittelbett geleitet, das die leichter adsorbierbare Komponente bei einem oberen
Adsorptionsdruck selektiv adsorbieren kann. Danach wird das Bett zur Desorption der leichter
adsorbierbaren Komponente und deren Entfernung von dem Bett auf einen unteren Desorptionsdruck entspannt,
bevor das Wiederaufdrücken und die Einleitung von zusätzlichen Mengen des Einsatzgasgemisches zu
dem Bett stattfindet, wenn die zyklischen Adsorptions-Desorptions-Wiederaufdrück-Ausführungen in
dem Bett fortgeführt werden. In der Vakuumdruckwechseladsorptions-(VPSA) Verarbeitung ist der
untere Desorptionsdruck ein Vakuum- oder ein unter dem Atmosphärendruck liegender
Desorptionsdruck. Eine derartige PSA/VPSA-Verarbeitung wird im allgemeinen in Mehrbettsystemen
durchgeführt, wobei jedes Bett eine PSA/VPSA-Prozessabfolge auf einer zyklischen Basis verwendet, die mit der
Durchführung einer solchen Prozessabfolge in den anderen Betten des Adsorptionssystems
zusammenhängt. In für die Gewinnung von hochreinem Sauerstoffprodukt als die weniger leicht adsorbierbare
Komponente von Luft ausgelegten PSA/VPSA-Systemen enthält jedes Adsorptionsmittelbett im
allgemeinen ein Adsorptionsmittelmaterial, das Stickstoff als die leichter adsorbierbare Komponente selektiv
adsorbieren kann, wobei der Stickstoff nachfolgend desorbiert und von dem Bett während der Reduktion
des Bettdrucks von dem oberen Adsorptionsdruckpegel auf einen unteren Desorptionsdruck entfernt wird.
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Es sind verschiedene Prozessansätze entwickelt worden, um die PSA/VPSA-Technologie für praktische
kommerzielle Vorgänge wie die oben genannte Herstellung von Sauerstoff aus Einsatzluft anzuwenden.
In einem derartigen Ansatz wird ein Zweibett-VPSA-System mit Adsorptionsmittelmaterial, das selektiv
Stickstoff aus Einsatzluft adsorbieren kann, in einer Prozessabfolge mit sechs grundlegenden, in jedem
Bett durchgeführten Schritten auf einer zyklischen Basis verwendet, die mit der Durchführung solcher
Schritte in dem anderen Bett in Beziehung stehen. Somit ist jedes Bett den folgenden Schritten
unterworfen: (1) Aufdrücken von einem unteren Subatmosphärendesorptionsdruck auf einen mittleren Druck,
wobei Druckausgleichsgas von dem oberen oder Produktende des anderen Bettes, welches einer
Entspannung unterworfen ist, zu der Oberseite des Bettes geleitet wird; (2) Aufdrücken von einem mittleren
Druck auf einen oberen Adsorptionsdruck mittels Einleitung von Einsatzluft zu dem Boden- oder
Einsatzende des Bettes; (3) Einsatzadsorptionssauerstoff-Produktgewinnung, bei der zusätzliche Mengen an
Einsatzluft zu dem Boden des Bettes eingeleitet und Sauerstoff als die weniger leicht adsorbierbare
Komponente von der Oberseite des Bettes zur Produktgewinnung und für Bettspülzwecke abgezogen
wird; (4) Gleichstromentspannung, bei welcher Gas von der Oberseite des Bettes freigesetzt und zu der
Oberseite des anderen, einem Wiederaufdrücken unterworfenen Bettes geleitet wird, um einen
Druckausgleich zwischen den Betten bei einem mittleren Druckbereich zu bewerkstelligen; (5) Evakuierung oder
Gegenstromentspannung auf einen geringeren Subatmosphärendesorptionsdruck mit Freisetzung von Gas
von dem Bodenende des Bettes; und (6) Spülung bei dem unteren Desorptionsdruck. Zur
Synchronisierung der zyklischen Ausführung für die zwei Betten des Systems werden die Schritte 1-3 in einem Bett
durchgeführt, welches der Entspannung von dem oberen Adsorptionsdruck auf den unteren
Desorptionsdruck und einem Regenerieren unterworfen ist, während gleichzeitig die Schritte 4-6 in dem anderen
Bett durchgeführt werden, welches einem Wiederaufdrücken von dem unteren Desorptionsdruck auf den
oberen Adsorptionsdruck unterworfen ist und für die Herstellung von Produktgas verwendet wird,
woraufhin das Vorgehen umgekehrt wird. Die gesamte Zykluszeitdauer ist relativ kurz und beträgt
typischerweise etwa 60 Sekunden.
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In der Praxis dieses Prozesszyklus bewirkt der Druckausgleich des Schrittes (1) eine Druckzunahme des
Bettes, das wiederaufgedrückt wird, und zwar typischerweise von einem unteren, unter dem
Atmosphärendruck liegenden, oder Vakuum-Desorptionsdruck von etwa 0,35 bar (0,35 atm) auf einen mittleren
Druck von etwa 0,68 bar (0,67 atm), wobei diese Druckzunahme von etwa 0,3 bar (0,3 atm) etwa 5-20%
der gesamten Zykluszeitdauer verwendet. Während dieses Druckausgleichsschrittes versteht sich, dass
sich die für das Zweibett-VPSA-System verwendeten Einsatz- und Vakuumgebläse im Leerlauf befinden.
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Während des Bettwiederaufdrückens des Schrittes (2) wird Einsatzluft zu dem Bett geleitet, um einen
Druckanstieg von dem unteren mittleren Druckpegel während des anfänglichen Druckausgleichs auf
einen oberen Adsorptionsdruck in dem superatmospärischem Bereich zu bewirken, der typischerweise
etwa 1,3 bis 1,5 bar (1,3 bis 1,5 atm) beträgt.
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Nach dem Erreichen des erwünschten oberen Adsorptionsdruckes werden zusätzliche Mengen an
Einsatzluft zu dem Boden des Bettes bei dem oberen Adsorptionsdruck in dem Schritt (3) geleitet, wobei
dessen leichter adsorbierbare Stickstoftkomponente selektiv adsorbiert und das weniger leicht
adsorbierbare Sauerstoffprodukt selektiv durch das Bett geleitet und von der Oberseite des Bettes abgezogen wird.
Der derart abgezogene Sauerstoff wird als das erwünschte Sauerstoffprodukt mit Ausnahme eines Teils
gewonnen, der zwecks Verwendung als Spülgas üblicherweise in dem anderen Bett abgezweigt wird.
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Der anfänglich abgezogene Sauerstoff wird typischerweise als Produktgas gewonnen, wobei ein Teil des
Sauerstoffs während des zuletzt genannten Anteils des Schrittes (3) für Spülzwecke abgezweigt wird. Das
Bettwiederaufdrücken des Schrittes (2) und der Anfangsteil des Schrittes (3), in welchem der abgezogene
Sauerstoff im allgemeinen als Produktgas gewonnen wird, verwendet einen Teil der
Gesamtzykluszeitdauer, der von den Gesamtbedingungen der Ausführungsform abhängt und üblicherweise in dem Bereich
von etwa 30-40% der gesamten Zykluszeitdauer liegt. Der weitere Teil des Schrittes (3), in dem
zusätzliches Sauerstoffprodukt gewonnen und ein Teil des Sauerstoffs für Spülzwecke abgezweigt wird, erfordert
im allgemeinen etwa 15-30% der gesamten Zykluszeitdauer.
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Während des Gleichstromentspannungs-Druckausgleichs des Schrittes (4) nimmt der Druck auf einen
mittleren Druck ab, was in Übereinstimmung mit dem Druck in dem anderen Bett, das einem
Wiederaufdrücken infolge des Druckausgleichs zwischen den Betten unterworfen ist, bestimmt ist. Wie im Schritt
(1) beträgt die Druckveränderung von dem Beginn zu dem Ende des Schrittes (4) annähernd 0,3 bar (0,3
atm), wobei das Bett typischerweise einen mittleren Druckpegel in dem Bereich von etwa 0,9 bis 1,1 bar
(0,9-1,1 atm) erreicht. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass der Druckausgleich zwischen den
Betten im allgemeinen bei einem teilweisen Druckausgleich beendet wird anstatt zu einem vollständigen
Druckausgleich zwischen den Betten fortgeführt zu werden. Somit gleichen sich in der allgemeinen
Praxis die Betten nicht vollständig auf den gleichen Druck aus, und der Druckunterschied zwischen den
Betten nach der Vervollständigung des teilweisen Druckausgleichs beträgt typischerweise von etwa 6,9
bis etwa 69 kPa (etwa 1 bis etwa 10 psi), und erwünschterweise von etwa 20,7 bis etwa 34,5 kPa (etwa 3
bis etwa 5 psi).
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Nach dem Gleichstromentspannungs-Druckausgleich wird das entspannte Bett auf einen geringeren
Subatmosphärendesorptionsdruck in dem Schritt (5) des Prozesszyklus evakuiert. In diesem Teil der
Regenerierung des Bettes wird es typischerweise unter Verwendung eines Vakuumgebläses auf den
erwünschten unteren Desorptionsdruck evakuiert, z. B. auf 0,35 bar (0,35 atm), wobei Gas, d. h. zuvor
adsorbierter Stickstoff von dem Einsatz- oder Bodenende des Bettes freigesetzt wird.
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In dem Schritt (6) des Prozesszyklus wird Spülgas in das obere, d. h. Produktende des Bettes bei dem
unteren Desorptionsdruck, z. B. 0,35 bar (0,35 atm) eingeleitet, um die Entfernung von Stickstoff aus dem
Boden des Bettes zu erleichtern, wobei das Spülgas der Teil des Sauerstoffproduktgases von dem anderen
Bett ist, welcher für derartige Spülzwecke abgezweigt wurde.
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Nach der Regenerierung jedes Bettes in den Schritten (3), (4) und (5) wird das Bett in den Schritten (1) -
und (2) wiederaufgedrückt, und Produktsauerstoff wird in dem Schritt (3) des Zyklus erzeugt, wobei
zusätzliche Mengen an Einsatzluft in das Bett eingeleitet werden, wenn die Prozessabfolge in jedem Bett
auf einer zyklischen Basis durchgeführt wird.
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Für den Fachmann versteht sich, dass viele andere PSA- und VPSA-Verfahren für die Herstellung von
Sauerstoff aus Einsatzluft verwendet werden können. Jeder derartige Ansatz kann seine eigenen
spezifischen Schritte oder Merkmale oder Kombinationen davon beinhalten. Das spezifische, oben beschriebene
Verfahren stellt eine ökonomische Gewinnung von hochreinem Sauerstoff in dem Bereich von 90-95%
bereit. Obgleich somit das beschriebene Verfahren erwünschte Vorzüge bereitgestellt hat, besteht beim
Stand der Technik ein anhaltender Wunsch nach weiteren Verbesserungen in dem PSA/VPSA-Prozess.
Derartige Verbesserungen sind erwünscht, um den stets steigenden Ansprüchen nach höheren
Wirksam
keitspegeln bei der ökonomischen Versorgung von Sauerstoff und anderen industriellen Gasen für eine
große Vielzahl von kommerziellen Anwendungen entsprechen zu können. Im einzelnen sind weitere
Verbesserungen hinsichtlich der Vergrößerung der Kapazität von PSA/VPSA-Systemen, der Erhöhung
der Effizienz des PSA/VPSA-Verfahrens und hinsichtlich der Reduzierung des Einheitsenergiebedarfs
von PSA/VPSA-Vorgängen erwünscht.
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Aus EP-A-0 667 178 ist ein Verfahren zum selektiven Trennen von Stickstoff von Sauerstoff in Luft in
zwei, ein für Stickstoff selektives Adsorptionsmittel enthaltenden Adsorptionsbetten bekannt, wobei das
Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
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(a) Einleiten von Einsatzluft bei erhöhtem Druck als Einsatzgasgemisch in den Einlass des ersten
Adsorptionsbetts, welches das für Stickstoff selektive Adsorptionsmittel enthält, und Adsorbieren
von Stickstoff auf dem Adsorptionsmittel, während solange Sauerstoff, der nicht als ein Produkt
adsorbiert wird und als eine Spülgasquelle für ein zweites, einem Spülen des Schrittes (d)
unterworfenem Bett dient, durch das erste Bett geleitet wird, bis sich die Stickstoffadsorptionsfront einem
Auslass des ersten Bettes annähert, und Beenden der Einleitung von Luft in das erste Bett;
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(b) Nach Beendigung der Lufteinleitung in das erste Bett Gleichstromentspannen des ersten Bettes
zwecks Entfernung eines Gleichstromentspannungsgases von dem ersten Bett und Durchleiten des
Gleichstromentspannungsgases zu einem Auslass des zweiten Bettes, welches bei niedrigerem Druck
dem Wiederaufdrücken des Schrittes (e) unterworfen ist, um mindestens teilweise das erste Bett und
das zweite Bett im Druck auszugleichen, während ein Gegenstromentspannen des ersten Bettes
mittels Verbindung mit einer Vakuumquelle stattfindet;
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(c) Gegenstromevakuieren des ersten Bettes unter Vakuumbedingungen zum Entfernen von Stickstoff;
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(d) Gegenstromspülen des ersten Bettes mit Sauerstoff aus dem dem Schritt (a) unterworfenen zweiten
Bett zum Entfernen von zusätzlichem Stickstoff aus dem ersten Bett;
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(e) Wiederaufdrücken des ersten Bettes mit Umgebungsdruckluft, im Druck erhöhter Einsatzluft und
Gleichstromentspannungsgas von dem zweiten Bett, welches bei höherem Druck der
Gleichstromentspannung des Schrittes (b) unterworfen ist;
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(f) weiteres Wiederaufdrücken des ersten Bettes mit im Druck erhöhter Einsatzluft; und
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(g) Ausführen der Schritte (a) bis (f) in jedem der zwei Adsorptionsbetten in einer phasenartigen
Abfolge.
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Aus EP-A-0 598 321 ist ein Verfahren zum selektiven Trennen einer stärker adsorbierbaren Komponente
von einer weniger stark adsorbierbaren Komponente eines Einsatzgasgemisches in zwei
Adsorptionsbetten bekannt, welche ein für die stärker adsorbierbare Komponente selektives Adsorptionsmittel enthalten,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
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(a) Einleiten eines die stärker adsorbierbare Komponente und die weniger stark adsorbierbare
Komponente enthaltenden Einsatzgasgemisches bei Hochdruck in einen Einlass eines ersten
Adsorptionsbetts, welches das für die stärker adsorbierbare Komponente selektive Adsorptionsmittel enthält, und
Adsorbieren der stärker adsorbierbaren Komponente an dem Adsorptionsmittel, während die weniger
stark adsorbierbare Komponente nicht adsorbiert durch das erste Bett geleitet wird, bis sich die
Adsorptionsfront der stärker adsorbierbaren Komponente einem Auslass des ersten Bettes annähert,
und Beenden der Einleitung des Einsatzgasgemisches;
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(b) Nach der Beendigung des Einleitens des Einsatzgasgemisches in das erste Bett und ohne jeglichen
Zwischenschritte Gleichstromentspannen des ersten Bettes auf einer niedrigeren Druck, um das
Gasgemisch von dem ersten Bett zu entfernen, und Weiterleiten des Gasgemisches zu einem Auslass des
zweiten Bettes bei geringerem Druck, um ein Gegenstromspülen der stärker adsorbierbaren
Komponente aus dem zweiten Bett zu bewerkstelligen;
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(c) Gegenstromevakuierung des ersten Bettes unter Vakuumbedingungen zum weiteren Entfernen der
stärker adsorbierbaren Komponente bei dem niedrigsten Druck;
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(d) Gegenstromspülen des ersten Bettes mit einem Gleichstromentspannungsgasgemisch von dem dem
Schritt (b) unterworfenen zweiten Bett zum zusätzlichen Entfernen der stärker adsorbierbaren
Komponente aus dem ersten Bett;
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(e) Wiederaufdrücken des ersten Bettes mit der weniger stark adsorbierbaren Komponente von dem zu
dieser Zeit dem Schritt (a) unterworfenen zweiten Bett und mit Einsatzgasgemisch; sowie
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(f) Ausführen der Schritte (a) bis (e) in jedem der zwei Adsorptionsbetten in einer phasenhaften
Abfolge.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten PSA- einschließlich VPSA-
Verfahrens zur Trennung von Gasen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten
PSA/VPSA-Verfahrens zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff mittels Luftzerlegung.
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Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines PSA- einschließlich VPSA-
Verfahrens mit erhöhter Effizienz und reduziertem Einheitsenergieverbrauch, welches die
Adsorptionskapazität der dort verwendeten Systeme erhöhen kann.
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Hinsichtlich dieser und weiterer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden ausführlich beschrieben
werden, wobei deren neue Merkmale insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen herausgearbeitet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
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Das gemäß Anspruch 1 definierte PSA/VPSA-Verfahren der Erfindung verwendet überlappende
Druckausgleichsanstiegs- und Einsatzgaswiederaufdrück-Schritte sowie überlappende Druckausgleichsabfall-
und Desorptions- oder Evakuierungsschritte. Infolgedessen kann die Menge an in einer vorgegebenen
Zeiteinheit verarbeitbarem Einsatzgas erhöht werden, der Einheitsenergieverbrauch wird gesenkt, und die
Gesamteffizienz des Verfahrens wird gesteigert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beiliegende alleinige Figur beschrieben werden, die
in Diagrammform die in dem überlappenden Zyklus der Erfindung verwendeten Prozessschritte darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgaben der Erfindung werden mittels Durchführung einer PSA/VPSA-Prozessabfolge wie der oben
beschriebenen bewerkstelligt, wobei ein überlappender Zyklus verwendet wird, in welchem sich die
Druckausgleichsschritte mit den darauf folgenden Schritte in dem Zyklus überlappen. Somit wird das
Bett, welches einem Wiederaufdrücken von dessen unterem Desorptionsdruck unterworfen ist, mittels
eines Druckausgleichs zwischen den Betten teilweise wiederaufgedrückt, wobei sich ein späterer Teil des
Schrittes mit dem darauf folgenden Schritt des weiteren Wiederaufdruckens mit Einsatzgas auf den
erwünschten oberen Adsorptionsdruck überlappt oder gleichzeitig durchgeführt wird. Ähnlich dazu wird
das Bett, welches einer Entspannung von dem oberen Adsorptionsdruck unterworfen ist,
gleichstromentspannt, wobei das Gas, das von der Oberseite des Bettes ausgeleitet wird, für einen Druckausgleich
zwischen den Betten zu der Oberseite des anderen wiederaufzudrückenden Bettes geführt wird, wobei ein
späterer Teil des Schrittes von dem darauf folgenden Desorptionsschritt, z. B. einer Evakuierung,
überlappt und eine Freisetzung von Gas von dem Bodenende des entspannten Bettes vollzogen wird.
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Die Prozessabfolge der Erfindung weist zwei signifikante Vorteile auf. Die Menge an Gasdurchfluss in
den Druckausgleichsschritten wird infolge des Einschlusses des überlappenden Schrittes erhöht, wodurch
die in dem Betrieb eines PSA/VPSA-Systems erhaltene Produktausbeute gesteigert wird. Somit wird
mehr Sauerstoff in dem System zurückgehalten, anstatt in den Regenerierungsteilen des Gesamtzyklus
infolge der Übertragung einer größeren Sauerstoffmenge zu dem anderen Bett während des
Gleichstromentspannungs-Druckausgleichs abgegeben zu werden. Normalerweise wird eine derartige
zusätzliche Menge an Sauerstoff nicht zu dem anderen Bett übergeleitet, sondern während des
Evakuierungsschrittes als Abstrom abgelassen. Zweitens tritt der hinzugefügte Druckausgleich gleichzeitig mit dem
Wiederaufdrück/Evakuierungs-Teil des Zyklus in den zwei Betten auf, und die nur für den
Druckausgleich verwendete Zeit wird verkürzt. Dies reduziert den Leerlaufzeitraum für die Einsatz- und
Vakuumgebläse und führt zu einer besseren Auslastung einer derartigen Ausrüstung. Ebenso schärft dieses
Merkmal die Verunreinigungsfront der selektiver adsorbierbaren Komponente in dem Bett, erhöht die
erwünschte Produktausbeute, und weist das Potenzial zur Verkürzung der Gesamtzykluszeitdauer und zur
Erhöhung der von dem System verarbeiteten Menge an Luft auf. Die erhöhte Ausbeute und der kleinere
Prozentsatz an Leerlaufzeitraum fungieren zusammen zur Kapazitätssteigerung des Systems. Weiterhin
sei darauf hingewiesen, dass aufgrund der erhöhten Ausrüstungsverwendung die Betriebsdrücke der
Ausrüstung verändert werden. Deren gesamte Energieverwendung steigt an, was jedoch durch den in der
Produktkapazität des Systems bewerkstelligten Zuwachs ausgeglichen wird. Die
Einheitsenergieanforderungen bleiben in etwa dieselben oder verbessern sich in Abhängigkeit von der Höhe des Anstiegs der
Herstellungskapazität.
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Die Erfindung stellt somit eine hoch erwünschte Anpassung des beim obigen Abschnitt zum Stand der
Technik beschriebenen VPSA-Prozesszyklus dar. Sie stellt eine Verbesserung hinsichtlich eines im
allgemeinen 5-10% betragenden Zuwachses der Produktkapazität und einer bis zu 5% betragenden
Reduzierung der Einheitsenergie im Vergleich zu einem früheren VPSA-Zyklus bereit. Wie oben
angegeben, nimmt die tatsächliche Energieverwendung in der Praxis gegenüber des früheren Zyklus zu, aber
aufgrund der Kapazitätssteigerung fällt die Einheitsenergie im Vergleich mit dem früheren Zyklus gleich
hoch bzw. des öfteren besser aus. Unter solchen Umständen ist das Ausmaß an den erreichten
Energieein
sparungen unterschiedlich und basiert auf der Veränderung des gesamten Energieverbrauchs und der
erreichten Kapazitätssteigerung in jeder gegebenen Ausführungsform der Erfindung. Es sei darauf
hingewiesen, dass die in der Praxis der Erfindung erreichten Vorteile im wesentlichen ohne eine
Veränderung der Ausrüstung oder des Entwurfs des VPSA-Systems, und nur mit kleineren Veränderungen der in
automatisierten Ausführungsformen des früheren Zyklus verwendeten Steuerlogik bewerkstelligt werden.
Somit versteht sich, dass die vorteilhafte VPSA-Prozessabfolge der Erfindung signifikante
Kosteneinsparungen ohne den Bedarf nach einer nötigen Investierung von zusätzlichem Kapital für das VPSA-System
bereitstellt. Zusätzlich sind die durch die Prozessabfolge der Erfindung bereitgestellten Vorteile das
Ergebnis einer höheren Verwendungsrate der Ausrüstung und einer verbesserten Produktausbeute, die aus
dem größeren Druckausgleichsdurchfluss resultiert. Es sei darauf hingewiesen, dass derartige Vorteile
unabhängig von den in dem VPSA-System verwendeten absoluten Betriebsdrücken für jegliche
gegebenen Luftzerlegungs- oder andere Gastrennvorgänge bewerkstelligt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung weiter mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben werden, in welcher der
überlappende Druckausgleichsanstiegs- und Einsatzgasaufdrück-Schritt und der überlappende
Druckausgleichsabfalls- und Evakuierungsschritt in die Prozessabfolge des oben genannten vorhergehenden
PSA/VPSA-Prozesszyklus mit eingeschlossen sind. Die Prozessschritte sind mit Bezug auf den Zyklus
beschrieben, der in dem Bett A eines Zweibett-VPSA-Systems durchgeführt wird und mit dem
Druckausgleichsanstiegsschritt beginnt, in welchem das Bett A im Druck von einem unteren Desorptionsdruck auf
einen mittleren Druck erhöht wird. Es versteht sich, dass die selben Prozessschritte in dem Bett B in der
gleichen Abfolge durchgeführt werden, aber so koordiniert sind, dass das Bett B von dem oberen
Adsorptionsdruck während der Zeit entspannt wird, in der das Bett A auf den oberen Adsorptionsdruck
aufgedrückt wird.
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Die durch die Ziffern 1, 1A, 2, 3, 4, 4A, 5 und 6 bezeichneten Schritte in der folgenden Beschreibung und
der Zeichnung entsprechen den Schritten (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) bzw. (h) im Anspruch 1.
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In dem Schritt 1 wird ein anfänglich bei einem unteren Subatmosphärendesorptionsdruck liegendes Bett
A im Druck auf einen mittleren Druckpegel erhöht, indem zu der Oberseite (Produktende) des Bettes A
Gas übergeleitet wird, welches von dem Bett B, das anfänglich bei seinem oberen Adsorptionsdruck liegt,
entfernt wird, indem durch die gegenwärtige Entspannung des Bettes B Gas von dessen Oberseite
freigesetzt wird. Während dieses Schrittes befinden sich die in dem VPSA-System verwendeten Einsatz- und
Vakuumgebläse im Leerlauf.
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Während des nächsten Schrittes, des überlappenden Schrittes 1A, wird der Druckausgleichsanstieg des
Schrittes 1 in dem Bett A fortgeführt, wobei Einsatzgas gleichzeitig zu dem Boden (Einsatzende) des
Bettes A eingeleitet wird, um den Druck weiter auf den erwünschten oberen Adsorptionsdruck zu
erhöhen. Während dieser Zeit wird das Bett B einer gleichzeitigen Verarbeitung unterzogen, wie weiter unten
mit Bezug auf den Schritt 4A in dem Bett A beschrieben. Nachdem das Bett A den oberen
Adsorptionsdruck erreicht hat, wird zusätzliches Einsatzgas zu dem Boden des Bettes A eingeleitet, und Produktgas,
d. h. die weniger leicht adsorbierbare Komponente des Einsatzgasgemisches, wird von der Oberseite des
Bettes A in dem Schritt 2 der Prozessabfolge abgezogen. Eine derartiges Hinzufügen von Einsatzgas zu
dem Boden des Bettes wird während dem Schritt 3 fortgeführt, wobei ein Teil des von der Oberseite des
Bettes A gewonnenen Produktgases abgezweigt wird, um zu der Oberseite des Bettes B weitergeleitet und
dort als Spülgas verwendet zu werden. Das Hinzufügen von Einsatzgas zu dem Bett A und die
Produktgewinnung von diesem Bett wird im allgemeinen fortgeführt, bis eine Adsorptionsfront der
leichter adsorbierbaren Komponente, die sich an dem Einsatzende des Bettes A ausbildet, durch das Bett
zu der Nähe der Oberseite des Bettes vorangeschritten ist, ohne von dem Bett durchzubrechen und die
leichter adsorbierbare Komponente unerwünschterweise in den Produktstrom abzulassen.
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Nach der Vervollständigung des Schrittes 3 beginnt die Regenerierung des Bettes A mit dem Schritt 4,
einem Gleichstromentspannungs-Druckausgleichsschritt, in welchem Gas von der Oberseite des Bettes A
abgezogen und für Druckausgleichszwecke zu der Oberseite des Bettes B weitergeleitet wird. Während
dieses Zeitraums befinden sich die Einsatzendevakuierungsgebläse im Leerlauf. Ein derartiger
Druckausgleich wird in dem überlappenden Schritt 4A fortgeführt, und während dieser Zeit wird das Bett A
gleichzeitig durch den Abzug der leichter adsorbierbaren Komponente des Einsatzgases von dem Boden
des Bettes A für dessen Gegenstromentspannung entspannt. Während dieses überlappenden Schrittes wird
das Bett B gleichzeitig mittels Hinzufügen von Einsatzgas zu dem Boden des Bettes weiter
wiederaufgedrückt.
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Nach dem überlappenden Schritt 4A wird das Bett A weiter mittels Gegenstromentspannung entspannt, in
welcher zusätzliche Mengen der leichter adsorbierbaren Komponente von dem Boden des Bettes A in
dem Schritt S abgezogen werden. Das Bett A wird in diesem Schritt auf den unteren Desorptionsdruck,
d. h. in VPSA-Systemen einem unter dem Atmosphärendruck liegender (Vakuum-) Desorptionsdruck,
entspannt, was die Regenerierung des Bettes A unterstützt.
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Eine solche Regenerierung wird in dem Schritt 6 fortgeführt, wobei ein Teil des von der Oberseite des
Bettes B abgezogenen Produktgases zwecks Weiterleitung als Spülgas zu der Oberseite des Bettes A für
eine Gegenstromdurchleitung durch dieses Bett abgezweigt wird, um die Desorption der leichter
adsorbierbaren Komponente und ihre Entfernung von dem Boden des Bettes A bei dem unteren
Desorptionsdruck zusammen mit dem Spülgas zu erleichtern.
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Während des überlappenden Schrittes 4A, des Schrittes 5 und des Schrittes 6 wird Gas zu
Regenerierungszwecken von dem Boden des Bettes A abgelassen. Ein derartiges, in der leichter adsorbierbaren
Komponente reiches Gas wird typischerweise als Abstrom abgelassen, obgleich es außerhalb des
vorliegenden PSA/VPSA-Systems in der Gas/Luftzerlegung über einen Verwendungszweck verfügen kann.
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Nach der Vervollständigung des Schrittes 6 befindet sich das Bett A in einem regenerierten Zustand bei
dem unteren Desorptionsdruck und ist für das Wiederaufdrücken und die Einleitung von zusätzlichen
Einsatzgasmengen bereit, wobei mit dem Druckausgleich des Schrittes 1 begonnen wird, wenn die
zyklische Ausführung des Verfahrens fortgeführt wird.
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Aus dem oben Aufgeführten ist ersichtlich, dass der Prozess der Erfindung eine Bearbeitung des früheren
PSA/VPSA-Prozesszyklus ist, wobei neue überlappende Schritte, d. h. der Schritt 1A und Schritt 4A,
erzeugt werden und der Rest des Zyklus, d. h. die Fortführung des Einsatz- und des Spülschrittes, im
wesentlichen der gleiche wie in dem vorhergehenden Zyklus bleibt. Für den Fachmann versteht sich, dass
die gesamte Zykluszeitdauer und die einzelnen Schrittzeiträume angepasst werden können, um die
erwünschten Prozessdrücke und Wirksamkeitsergebnisse zu erreichen. Insbesondere kann der
Druckausgleich der Schritte 1 und 4 abgesenkt werden, indem für die überlappenden Teile des Zyklus, d. h. die
Schritte 1A und 4A, zusätzliche Zeit zugefügt wird. Somit kann die gesamte Zykluszeitdauer für die
Praxis der Erfindung in etwa die gleiche wie diejenige für den früheren oben angeführten VPSA-Zyklus
bleiben, oder sie kann in verschiedenen Ausführungsformen typischerweise um 1-2 Sekunden verkürzt
werden. Ebenfalls sei darauf hingewiesen, dass der Druck am Ende des regulären
Druckausgleichsanstiegsschritts niedriger als bei dem früheren Zyklus ist, aber die Fortführung des
Bett-zu-Bett-Druckausgleichsstroms während des darauf folgenden überlappenden Schrittes, d. h. des Schrittes 1A,
ermöglicht es, dass der Druck des Bettes fortfährt, auf einen Druck anzusteigen, der größer ist als derjenige, der
während des Druckausgleichsteils des früheren Zyklus möglich war. Wie oben angegeben, endet der
Druckausgleichsanstiegsschritt des früheren Zyklus in der speziellen oben angeführten Ausführungsform,
wenn das Bett etwa 0,68 bar (0,67 atm) erreicht hat. Mit der Überlappung der Schritte in der Praxis der
Erfindung würde die Einsatzgaseinleitungsüberlappung bei einem unteren Druck beginnen, z. B. bei
0,61 bar (0,60 atm), und der Druckausgleich würde bei einem höheren Druck als zuvor enden, z. H. bei
0,78 bar (0,77 atm). Ähnlich würde für die Überlappung des Druckausgleichsabfalls und der Evakuierung
die Evakuierungsüberlappung in der dargestellten Ausführungsform bei 1,16 bar (1,14 atm) beginnen,
und der Druckausgleichsabfallsstrom würde bei etwa 0,84 bar (0,83 atm) beendet werden, während im
früheren Zyklus der Druckausgleichsstrom bei einem Wert enden und die Evakuierung einsetzen würde,
der annähernd 1,08 bar (1,07 atm) beträgt.
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Obgleich die Erfindung oben mit Bezug auf einen bevorzugten Satz an Bedingungen für eine bestimmte
illustrierte Ausführungsform beschrieben wurde, versteht sich, dass die Erfindung in der
VPSA-Ausführungsform in praktischen kommerziellen Vorgängen mit einem Bereich von erwünschten
Druckbedingungen betrieben werden kann. Somit variiert der untere Desorptionsdruck typischerweise von etwa 0,3
bis etwa 0,76 bar (etwa 0,3 bis etwa 0,75 atm), und der obere Adsorptionsdruck variiert typischerweise
von etwa 1,3 bis etwa 1,6 bar (etwa 1,3 bis etwa 1,6 atm). In einer mit dem obigen illustrativen Beispiel
konsistenten besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der untere Desorptionsdruck etwa 0,37 bar
(etwa 0,37 atm), und der obere Adsorptionsdruck beträgt von etwa 1,3 bis etwa 1,5 bar (etwa 1,3 bis etwa
1,5 atm).
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Wie oben angegeben, ermöglicht die Erfindung die Erhöhung der Produktausbeute und eine Reduzierung
des Leerlaufzeitraums für die Einsatz- und Vakuumgebläse, womit die Ausrüstung besser ausgelastet
wird. Die folgende Tabelle gibt auf einer relativen Basis einen Vergleich zwischen der Erfindung und des
oben angeführten früheren Zyklus wieder und stellt die durch den überlappenden Zyklus verbesserte
Wirksamkeit insbesondere mit Bezug auf die Luftzerlegung dar.
Tabelle
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Früherer Zyklus Überlappender Zyklus
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90,0% Sauerstoffprodukt 90,0% Sauerstoffprodukt
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55 TPD Sauerstoff 61,3 TPD Sauerstoff
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1,0 Einheitsenergie (relativ) 0,96 Einheitsenergie (relativ)
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1,0 Sauerstoff-Ausbeutepegel (relativ) 1,03 Sauerstoff-Ausbeutepegel (relativ)
Somit bewerkstelligt der überlappende Zyklus der Erfindung in diesem Beispiel einen Zuwachs in der
Herstellungskapazität von etwa 11,4%, zusammen mit einer Reduzierung der Einheitsenergie um etwa
4%.
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Es versteht sich, dass für einen geeigneten Betrieb eines VPSA-Systems mit dem Überlappungsmerkmal
der Erfindung zwecks Erreichen der maximalen Vorteile die Zykluszeiten und Drücke in Abhängigkeit
von dem verwendeten System, dem zu trennenden Einsatzgasgemisch und der erwünschten Wirksamkeit
für eine bestimmte Ausführungsform eingestellt werden müssen. Die für den bekannten
Gleichstromentspannungs-Druckausgleichsschritt verwendete Zeit wird typischerweise um etwa 25-50%
reduziert. Der Zeitraum des überlappenden Teils des Zyklus ist für viele Ausführungsformen annähernd
gleich groß wie die Reduzierung der Druckausgleichszeitdauer. Die Adsorptions/Evakuierungszeit kann
eingestellt werden, um obere und untere Drücke zu erhalten, die etwa die gleichen wie in dem früheren,
sich nicht überlappenden Zyklus sind. Der Spülschritt bleibt im allgemeinen unbeeinflusst. Die
Bettdruckprofile werden überwacht, um sich dementsprechend zu ändern, so dass das Einsatzgas bei einem
etwas niedrigeren Druck eingeleitet wird, aber der Druck bei der Fertigstellung des Druckausgleichs
(Bett-zu-Bett)-Durchflusses ist höher.
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Während die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht
sich für den Fachmann, dass verschiedene Veränderungen und Modifizierungen in den Einzelheiten der
Erfindung erfolgen können, ohne den durch die beiliegenden Ansprüche ausgedrückten
Erfindungsrahmen zu verlassen. Die Erfindung kann, wie oben angegeben, vorteilhafterweise für hoch erwünschte
Luftzerlegungsvorgänge verwendet werden, in welchen Sauerstoff als die weniger leicht adsorbierbare
Komponente der Einsatzluft als das erwünschte Produkt gewonnen wird, wobei Stickstoff als die leichter
adsorbierbare Komponente auf dem Adsorptionsmittelmaterial selektiv adsorbiert wird. In der Praxis der
Erfindung kann jedes kommerziell verfügbare Adsorptionsmittelmaterial verwendet werden, das
Stickstoff aus der Einsatzluft selektiv adsorbieren kann. Praktischerweise können wohlbekannte
Molekularsiebe wie z. B. 5A- und 13X-Zeolithmolekularsiebwerkstoffe verwendet werden. Derartige Materialien
sind im allgemeinen vom Gleichgewichtstyp, bei welchen ein Adsorptionspunkt der selektiver
adsorbierten Komponente, z. B. Stickstoff, an dem Einsatzende des Bettes ausgebildet wird und zu dem
Produktende des Bettes voranschreitet, das sich in dem Bett zwischen dem leichter adsorbierbaren Stickstoff
und der weniger leicht adsorbierbaren Sauerstoffkomponente der Einsatzluft etabliert. Während
konventionelle Zeolithmolekularsiebe in der Praxis der Erfindung als Adsorptionsmittel verwendet werden
können, können auch verschiedene speziell modifizierte Materialien zur Anwendung kommen, wie z. B.
Adsorptionsmittel in den Lithiumkationenformen von Zeolith-X. Beispiele solcher bekannten Materialien
beinhalten LiX-Adsorptionsmittel, in welchen das Molarverhältnis des Si/Al&sub2;-Rahmens von etwa 2,0 bis
etwa 3,0 und vorzugsweise von 2,0 bis 2,5 reicht, und in welchen mindestens 50%, bevorzugt mindestens
88% und noch bevorzugter mindestens 95% der AlO&sub2;-Tetrahedraleinheiten mit Lithiumkationen
assoziiert sind. In der Praxis der Erfindung können auch gemischte Kationen verwendet werden, die
mindestens etwa 50% Lithium zusammen mit einem anderen Kation wie z. B. Kalzium enthalten.
Während für die Herstellung von Sauerstoff weiter oben spezifisch die Luftzerlegung angegeben worden ist,
versteht sich, dass die Erfindung auch in einer Vielzahl anderer Einsatzgastrennungen einschließlich
Wasserstoff/Ammoniak, Stickstoff/Methan, Wasserstoff/CO&sub2; und in anderen derartigen erwünschten
Einsatzgastrennungen verwendet werden kann.
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Während die Erfindung insbesondere mit Bezug auf die erwünschten Zweibettsysteme beschrieben
worden ist, liegt es im Rahmen der Erfindung, jegliches erwünschte Mehrbettsystem wie z. B. ein
Dreibettsystem zu verwenden, vorausgesetzt, dass die zwei genannten überlappenden Schritte in der
Prozessabfolge verwendet werden. Und während darüber hinaus die Erfindung insbesondere mit Bezug auf die
hoch erwünschten VPSA-Systeme beschrieben worden ist, in denen der untere Desorptionsdruck in dem
unter dem Atmosphärendruck liegenden (Vakuum-) Druckbereich liegt, liegt es ebenfalls im Rahmnen
dieser Erfindung, die hier beschriebene und beanspruchte Prozessabfolge in Druckwechseladsorptions-
(PSA)-Systemen anzuwenden, bei welchen der untere Desorptionsdruck bei oder etwa bei
Atmosphärendruck und nicht in dem unter dem Atmosphärendruck liegenden Bereich liegt.
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Weiterhin versteht sich, dass verschiedene andere Änderungen und Modifizierungen erfolgen können, so
dass die Prozessschritte gleichzeitig durchgeführt werden, um den Leerlaufzeitraum der in der Praxis der
Erfindung verwendeten Maschinen zu reduzieren. Daher können die überlappenden Schritte nicht nur
einen Durchfluss von einem Behälter zu einem anderen beteiligen, sondern auch von einem
Produktbehälter oder einem getrennten Speicherbehälter zu einem Bett. Die Bewerkstelligung einer besseren
Auslastung der Ausrüstung ist beispielsweise durch eine Überlappung der Einsatzeinleitung mit dem
Produktaufdrücken und einer Überlappung der Evakuierung mit dem Gegenstromabblasen des Bettes auf
Atmosphärendruck möglich. Es wären verschiedene Kombinationen dieses Typs möglich, der auch in
einem Einbettsystem anwendbar ist, um einen Vorteil gegenüber der genannten früheren Verarbeitung
bereitzustellen.
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Bei der Durchführung der überlappenden Schritte der Erfindung, d. h. der Schritte 1A und 4A, versteht
sich, dass es vorteilhaft ist, mit dem gleichzeitigen Einsatzgaswiederaufdrücken von dem Boden des
Bettes so früh wie möglich zu beginnen, während die Fluidisierung abgemildert wird, um für die
Überlappung soviel Zeit wie möglich bereitzustellen. Das Einsatzgasaufdrücken und der überlappende Schritt
werden dann solange fortgeführt, bis der Druckausgleich zwischen den Betten im wesentlichen zu der
Vervollständigung des konventionellen Druckausgleichs hin fortgeschritten ist, der, wie oben angegeben,
im allgemeinen mit einem teilweisen, nicht vollständigen Druckausgleich beendet wird. Allerdings sei
darauf hingewiesen, dass Einsatzgas im allgemeinen nur dann zu dem Einsatz- oder Bodenende des
Bettes eingeleitet wird, z. B. in das Bett A in dem überlappenden Schritt 1A oder in das Bett B in dem
überlappenden Schritt 4A, nachdem der Druckausgleich den Druck des Bettes erhöht hat, das von seinem
unteren Desorptionsdruck auf einen mittleren Druckpegel wiederaufgedrückt wird, bei welchem die
Einleitung von Einsatzgas zu dem Boden des Bettes keine unerwvünschte Bettfluidisierung oder
Bettanhebungseffekte verursacht.
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Durch die Steigerung der von dem System in einer vorgegebenen Zeiteinheit verarbeiteten Menge an
Einsatzluft oder anderem Gas erweitert die Erfindung die Gesamteffizienz des Systems, reduziert dessen
Energiebedarf und erweitert die Adsorptionskapazität von PSA/VPSA-Systemen. Die Erfindung stellt
somit einen wichtigen, vorteilhaften und kommerziell erwünschten Ansatz zur Bewerkstelligung einer
signifikanten industriellen Gastrennung mittels Verwendung der gebräuchlichen
Druckwechseladsorptionstechnik dar.