DD157157A1 - Verfahren zum reinigen und trennen von gasgemischen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Reinigen und Trennen von Gasgemischen. Die Erfindung betrifft Druckwechseladsorptionsverfahren zum Reinigen und Trennen von Gasgemischen, besonders solchen, die CO tief 2, H tief 2 O-Dampf und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffe enthalten, z.B. Verfahren wie die Reinigung von Luft und anderen Gasen, die Erzeugung von Schutzgasen und die Herstellung gesteuerter Atmosphaeren. Dabei wird der Druckwechsel von Adsorptions-auf Desorptiondruck in drei Teilschritten so durchgefuehrt, dass im ersten Teilschritt die Entspannung in Adsorptionsrichtung mit einer Geschwindigkeit, die nicht grpesser als die Gasgeschwindigkeit waehrend der Adsorption ist, im zweiten Teilschritt die Entspannung entgegen der Adsorptionsrichtung mit einer Geschwindigkeit, die mindestens zweimal so gross ist wie die Entspannungsgeschwindigkeit des ersten Teilschritten, und im dritten Teilschritt eine geringe Restentspannung entgegen der Adsorptionsrichtung erfolgt. Dabei wird ohne besonderen apparativen Aufwand unter definierten Druck- und Zeitverhaeltnissen eine Produktgasausbeutesteigerung erzielt.

Description

-A

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft em Verfahren zum Reinigen und Trennen von Gasgemischen, besonders solchen, die HpO-Dampf und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffe enthalten, bei dem das Gasgemisch durch Adsorber mit geeignetem Adsorptionsmittel geleitet wird, in denen im wechsel die Adsorption bei höherem Druck und die Desorption bei niedrigerem Druck durchgeführt werden (Druckwechseladsorption)o

Es kann sich beispielsweise um Verfahren wie die Reinigung von Luft und anderen Gasen, die Erzeugung von Schutzgasen und die Herstellung gesteuerter Atmosphären handeln.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist .bekannt, daß zur Reinigung und Trennung von Gasen bzw. Gasgemischen, speziell auch zur Entfernung von COp, in den letzten Jahren in immer stärkerem Maße Druckwech-* seladsorptionsverfahren angewendet werden. Bei diesen

Verfahren wird die Regenerierung zeolithischer Molekularsiebe oder anderer Adsorptionsmittel nicht durch Wärmezufuhr, sondern durch Druckminderung, d. h. durch Entspannung und/oder Erzeugung von Unterdruck vorgenommene Dabei wira meist gleichzeitig mit einem inerten, d„ h. die zu adsorbierenden Komponenten nicht enthaltenden Gas bzw·' Heingas eines anderen Adsorbers des Prozesses, der sich in der Adsorptionsphase befindet, gespülte'

Dabei werden Kurzzeitzyklen angewandt, die im Bereich weniger Minuten oder gar Sekunden liegen. Da Druckwechselverfahren im Kegelfall ohne zusätzliche Heizung oder Kühlung bei Umgebungstemperatur ablaufen, sind sie energetisch sehr vorteilhaft.

Prinzip der Jüruckwechselverfahren'ist die periodische Hin- und Herscniebung der Beladungsfront der adsorbierten Hauptkomponente durch einen schnellen Wechsel von Ad- und Desorptionsphase, wobei sich eine spezifische Arbeitskapazität einstellt«

DruckwechselacLsorptionsverxahren arbeiten in der Adsorptionsphase bei höneren Drücken als in der Desorptionsphase_o Für die Umschaltung der Adsorber von Adsorption auf Desorption (Druckabbau) und umgekehrt (DrucJtcaufbau) sind, meist eindeutig erkennbar bezogen auf spezielle Gastrennungsprozesse, bereits zahlreiche Verfahrensvarianten entwickelt worden, insbesondere um die Entspannungsverluste zu minimieren, die Produktausbeute zu erhöhen und die Wirtschaftlichkeit der Verfahren weiter zu verbessern.

So wird gemäß JS-PS 3 338 030 in einer Anlage, bestehend aus drei Adsorbern, vom Austrittsende eines Adsorbers abströmendes Druckentspannungsgas zum teilweisen Druckaufbau eines anderen Adsorbers verwendet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß der Ausgleichsdruck noch klein ist und auf diese Weise nur ca. die Hälfte des Entspannungsgases gewonnen werden kann.

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Ähnlich arbeitet ein Verfahren (vgl. DB-OS 2 724 763), das jedoch mit getrennten Eeinigungs- und Adsorptionsbetten ausgerüstet ist«,

In einem anderen Verfahren gemäß DE-AS 1 266 7²9 wird neben. zwei Adsorbern mit einem Speicher, in dem sich Eeingas befindet, gearbeitete Zwar kann damit ein desorbierter Adsorber schneller aufgedrückt werden, die Verluste durch Entspannung werden dabei jedoch nicht verringert«

Im DE-OiS 2 338 y64 wird ein Verfahren mit mindestens einem Adsorber und einem ,Speicher, aus dem Entspannungsgas zum Aufdrücken eines regenerierten Adsorbers verwendet wird, beschrieben,. Obwohl damit die Produktausbeute erhöht wird, stellt der Speicher jedoch einen erhöhten Aufwand dar, der ebenso nachteilig ist, wie zusätzliche Hilfsadsorber in einem Verfahren nach DE-OS 2 840 357.

In einem anderen Verfahren (vgl. DE-AS 1 444 490) wird Entspannungsgas in einer üompressionsstufe wieder dem Einsatzgas zugeführt bzw» zum Aufdrücken eines desorbierten · Adsorbers verwendete Nachteilig sind in diesem Pall die zusätzlichen üompressionskosten»

In einem adiabatischen Gastrennverfahren gemäß DE-AS 1 769 936 mit vier oder fünf Adsorbern werden in einem vielstufigen Prozeii nach der Adsorptionsphase und vor einer Gegenstromentspannung der Druck im Gleichstrom in mindestens zwei getrennten Phasen in zwei oder drei parallel stehende Adsorber abgesenkt. Nachteilig dabei ist, daß der Druck nur auf etwa die Hälfte abgesenkt, wird und diese Phasen ebenso lange dauern wie die Spülphase· Darüber hinaus ist das System sehr aufwendig.

Im DE-OS 2 624 3^6 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem sich die Adsorptionsstufen mindestens von jeweils drei Adsorbern überlappen und die Drucksenkung in wenigstens vier Stufen im Gleichstrom zum partiellen Aufdrücken von drei Adsorbern in verschiedenen Druckerhöhungsstufen

bzw· zum Spülen eines vierten Adsorbers und einer Stufe im Gegenstrom vollzogen wird. Hier wird zwar eine sehr gute Gasausnutzung erreicht, dieses System ist aber auf Grund seiner zahlreichen Adsorber und Ventile kompliziert, störanfällig und teuer.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines einfachen Verfahrens der Druckwechseladsorption zur Reinigung und Trennung von Gasgemischen, besonders der Entfernung von CO₂, Hgü-Dampf und gegebenenfalls von Kohlenwasserstoffen, mit dem ohne besonderen apparativen Aufwand und zusätzliche Kosten eine Minimierung der Gasverluste und eine Erhöhung der Produktausbeute erreicht werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es wurde ein Druckwechseladsorptionsverfahren zum Reinigen und brennen von Gasgemischen, besonders zur Entfernung von CO₂J H₂ü-Dampf und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffen gefunden, bei dem das Gasgemisch durch Adsorber mit geeignetem Adsorptionsmittel geleitet wird, in denen im Wechsel die Adsorptionsphasen bei höherem Druck und die Desorptionsphasen bei niedrigerem Druck durchgeführt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Druckwechsel von Adsorptions- auf Desorptionsdruck in drei Teilschritten erfolgt, wobei im ersten Teilschritt eine Entspannung in Adsorptionsrichtung derart erfolgt, daß für den Druckbereich von -1,013 bis 4,05 MPa (10 bis 40 at) ein Druckverhältnis Adsorptionsdruck : Zwischendruck 5 bis 20:1 eingehalten wird, wobei ein Adsorptionszwischendruck von 0,2026 MPa (2 at) nicht unterschritten werden darf, im zweiten Teilschritt eine weitere Entspannung entgegen der Adsorptionsrichtung auf einen dem Atmosphärendruck angenäherten Druck und im dritten Teilschritt eine Restent-

spannung und die Erzeugung eines IJnterdruckes bei gleichzeitiger Spülung entgegen der Adsorptionsrichtung vorgenommen wird« · Um einen Durchbruch der Beladungsfront (MZ) der am schwächsten adsorbierten, zu entfernenden Komponente (meist CC^) zu vermeiden, soll die Entspannungsgeschwindigkeit im ersten Teilschritt nicht größer als die Gasgeschwindigkeit während der Adsorptionsphase sein. Die Dauer des ersten Teilschrittes ist dabei begrenzt, das Zeitverhältnis der Desorptions- bzw» Spülphase zur ersten Entspannungsphase beträgt 5 bis 25:1. Somit ist eine Einordnung dieser Phase in den verfahrensmäßigen Ablauf ohne wesentliche Verkürzung der Ad- und Desorptionsphase und ohne zusätzlichen Aufwand bei mindestens' 80 %-iger Gewinnung des 'Entspannungsgases (als Reingas) möglich. Der zweite Teilschritt ist dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsgeschwindigkeit zum. schnellen Aufbau eines hohen Konzentratio'nsgradienten des Adsorptionsmittels zum umgebenden Gasraum mindestens zweimal so groß ist wie die Entspannungsgeschwindigkeit des ersten Teilschrittes. Die begrenzenden faktoren dieses zweiten Teilschrittes der Entspannung sind somit einerseits eine verhältnismäßig geringe Gasmenge (max. 1/5 p.Y), andererseits aber die Notwendigkeit zu einer hohen Entspannungsgeschwindigkeit. Daraus resultiert eine sehr begrenzte Dauer dieses zweiten Teilschrittes, so daß das Zeitverhältnis des ersten zum zweiten Teilschritt mindestens 9*1 betragen muß. Im dritten Teilschritt, der unmittelbar in die Desorptionsphase übergeht, erfolgt noch eine geringfügige Restentspannung und die Erzeugung von Unterdruck bei gleichzeitiger Spülung mit einem Teil des im anderen Adsorber erzeugten Reingases entgegen der Ädsorptionsrichtung.

Durch die beschriebene, erfindungsgemäße Verfahrensweise wird ein solches Hin- und Herschieben der Beladungsfront erreicht, daß einerseits die Fortbewegung der Massenübergangszone über ein bestimmtes, vom jeweiligen Prozeß abhängiges Maß hinaus,

vermieden wird, andererseits solche Ad- und Desorptionsbedingungen geschaffen werden, die zur periodischen Erreichung der für diesen Prozeß charakteristischen Arbeitskapazität erforderlich sind. Es wurde überraschend gefunden, daß die Verbindung dieser wesentlichen Faktoren in ausgezeichneter Weise gewährleistet ist, wenn die Entspannungsgeschwindigkeit in Adeorptionsrichtung, d.h. des ersten Teilschrittes der Entspannung, nicht größer als die Gasströmungsgeschwindigkeit während der Adsorptionsphase ist, dagegen die Entspannung entgegen der Adsorptionsrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit durchgeführt wird, die mindestens zweimal so groß ist wie die Entspannungsgeschwindigkeit im ersten Teilschritt. Das beschriebene Druckwechseladsorptionsverfahren arbeitet außerordentlich vorteilhaft bezüglich der Niedrighaltung der Gasverluste und der Erhöhung der Ausbeute an Reingas, ohne daß komplizierte und kostspielige, sondern einfache bekannte verfahrenstechnische Losungen angewandt werden können. Dies ist besonders vorteilhaft z.B. bei der Erzeugung von Schutzgasen bzw. gesteuerten Atmosphären -in Lagerräumen, in denen die Gasverluste durch Luft ausgeglichen werden müssen und somit zu gesteigerter COp~Biläung und damit; zusätzlichem Substanzabbau des Lagergutes führen· Die nachfolgenden Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren erläutern, jedoch nicht einschränken.

Beispiel 1

Herstellung einer gesteuerten Atmosphäre üis wurden eine Druckwechseladsorptionsapparatur mit zwei Adsorptionsmittelbetten verwendet. In jedem Adsorber befanden.sich 37,5 kg Molekularsieb "Zeosorb" 5A/2,5 kg Kieselgel A. . " " .

Zyfelusdauer:·	ΊΟ	min
Adsorptionsdauer:	9,2	min
Adsorptionsdruckj	14.1.1 ^	MPa
Adsorptionstemperatur s	288	K
Eingangsgas; :	40

Nnr/h Luft, enthaltend 6g H₂O/m³ und 4,6 VoI·-% CC Desorptionsdrucks 2 KPa Desorptions-/Spüldauerj 9»96 min

Entspannung:

Einstufige Entspannung von 1,114 MPä_auf 0,1013 MPa entgegen der Adsorptionsrichtung: 0,84 min

2. Erfindu_ngs£emäßes_ Verfahren

Erster_ Teilschritts Entspannung von 1,114 MPa auf 0,203 MPa in der Adsorptionsrichtung: 0,8 min

Zweiter^ Teilschritt: Entspannung von 0,203 MPa auf 0,111 MPa entgegen der Adsorptionsrichtung: 0,04 min

Dritter. Teilschritt: Restentspannung von 0,111 MPa auf 0,1013 MPa und Erzeugung von'Unterdruck bei gleich« zeitiger Spülung mit 2,5 % Reingas entgegen der Adsorptionsrichtung

Produktgasausbeute (C0₂-freies Gas)s

Gasverlustes . 5,480 Nm³/h CO₂: ' 1,840 Nm³/h

Spülung: ' 1,000 Um³/h Entspannung: 2,400 -Nm³/h ' Evakuierung: 0,24 Nm³/h

34,520 Nm³/h = 86,3 % des Eingangsgases ., *

2. Srfiadungsgj3mäße_s Verfahren Gasverluste: 3,3.20 Nm³/Ii CO₂: 1,840 Nm³/h

Spülung: 1,000 Nm³/h

Entspannung: 0,24 (2./3. Teilschritt) Evakuierung: 0,24 Nur/h 36,680 Nm³/h =91,7 % des Eingangsgases

Es wurde eine JÄoduktausbeutesteigerung von von 5,4 % erreicht.

Beispiel 2

Erzeugung von Schutzgas · Es wurde eine Druckwechseladsprptionsapparatur mit zwei Adsorbern verwendet. Die.Adsorber'waren jeweils mit 40 kg "Zeosorb" 5A beschickte

Zyklusdauers 20 min

Adsorptionsdauer: 18,4 min Adsorptionsdruck: . 1,519 MPa Adsorptionstemperatur: 293 -K Eingangsgas; " 18 Nm^/h, enthaltend

10 g H₂0/m³ und.9,8 Vol.-% CO₂

Desorptionsdruck: 2,664 KPa

Desorptions-VSpüldauer: 19»9 Entspannung:

1. Bekanntes Verfahren

Einstufige Entspannung von 1,519 MPa auf 0,1013 MPa entgegen der Adsorptionsrichtung: 1,7 min

2. Erfindu_ngs£emäße£ Verfahren

Erster Teilschritt: Entspannung von .1,519 MPa auf 0,304 MPa in der Adsorptionsrichtung: 1,6 min

Zweite^ Teilschritt: Entspannung von 0,304 MPa auf 0,111 MPa entgegen der Adsorptionsrichtung: 0,1 min

Dritter Teilschritt: Hestentspannung von 0,111 MPa auf 0,1013 MPa und Erzeugung von Unterdruck bei gleichzeitiger Spülung mit 4 % Reingas entgegen der Adsorptionsrichtung

Produktgasausbeute (C0₂~freies Gas)s

1e Bekanntes Verfahren _____ _ _ _ __.„„.

Gasverluste: 4,324 Fnr/h

CO₂: 1,764 Nm³/h

Spülung: 0,760 Nm³/h

Entspannung: 1,680 Nnr/h

Evakuierung: 0,120 Nm³/Ja

13,676 Hnr/h = 76,0 % des Eingangsgases ·

2_β Erfind^nj^sgemäßes. Verfahren

Gasverluste: 2,764 Nm³/h

CO₂: V/64 Nm³/h

Spülung: ' 0,760 Ήΰ?/η

Entspannung: 0,120 Nm³/h (2o Teilschritt)

Evakuierung: 0,120 Nm³/h

15,236 Nm^/h = 84,6 % des Eingangsgases

Es wurde eine Produktgasausbeutesteigerung von 8,6 % erreicht. .

Claims (5)

1. 226

   Erfindungsanspruch

   Verfahren zum Reinigen und Trennen von Gasgemischen, die GOoj lUO-Dampf und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffe, entnalten, bei dem aas Gasgemisch durch Adsorber mit geeignetem Adsorptionsmittel geleitet wird, in denen im Wechsel die Adsorption bei höherem Druck und die Desorption bei niedrigerem Druck durchgeführt werden, gekennzeichnet dadurch, daß der Druckwechsel vom Adsorptionsdruck auf Desorptionsdruck in drei Teilschritten erfolgt, wobei im ersten 'Peilschritt eine Entspannung in Adsorptionsrichtung derart erfolgt, aaji bei Zyklenlängen von 5-30 min für den .Druckbereich von 1,013 bis 4,05 MPa ein Druckverhältnis Adsorptionsdr uck: Zwischendruck 5 bis 20:1 eingehalten wird, wobei ein Zwischendruck von 0,2026 MPa nicht unterschritten werden darf, im zweiten Teilschritt eine weitere Entspannung entgegen der Adsorptionsrichtung auf einen Druck nahe Atmospharendruck und im dritten Teilschritt eine Restentspannung und Evakuierung bei gleichzeitiger Spülung entgegen der Adsorptionsrichtung vorgenommen.wird»
2. 2. Verfahren gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Entspannungsgeschwindigkeit im Teilschritt 1 nicht größer als die Gasgeschwindigkeit während der Adsorptionsphase ist«
3. 3. Verfahren gemäß den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Entspannungsgeschwindigkeit im Teilschritt 2 mindestens zweimal so groß ist wie die Entspannungsgeschwindigkeit im ersten Teilschritt.
4. 4. Verfahren gemäß den Punkten .1 bis 3, gekennzeichnet

   ^w dadurch, daß das Zeitverhältnis der Desbrptions-'bzw.¹ Spülphase j ersten Entspannungsphase'5 bis 25i1 beträgt. . ·
5. 5. Verfahren zum Reinigen und Trennen von Gasgemischen gemäß den Punkten 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein Zeitverhältnis erste Entspahnungsphase:zweite

   . Entspannungsphase von mindestens ^:Λ eingehalten wird.

   6» Verfahren zum Reinigen und Trennen von Gasgemischen, die Cüoj S2O-Dampf und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffe enthalten, bei dem das Gasgemisch durch Adsorber mit geeignetem Adsorptionsmittel geleitet wird, in denen im Wechsel die Adsorption bei höherem Druck und die Desorption bei niedrigerem Druck durchgeführt werden, gemäß den Punkten 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Druckwechsel vom Adsorptionsdruck auf Desorptionsdruck in drei Teilschritten erfolgt, wobei im ersten Teilschritt eine Entspannung in Adsorptionsrichtung derart erfolgt, daß bei Zyklenlängeri von 5 bis 30 Minuten für den Druckbereich von 1,013-1,519. MPa ein Druckverhältnis Adsorptionsdruck:Zwischendruck von 5:1 eingehalten wird, wobei ein Zwischendruck von 0,2026 MPa nicht unterschritten werden darf, im zweiten Teilschritt eine weitere Entspannung entgegen der Adsorptionsrichtung auf einen Druck nahe Atmospnärendruck

   ~ 12 -

   und im dritten Teilschritt eine Eestentspannung und Evakuierung bei gleichzeitiger Spülung entgegen der Adsorptionsrichtung vorgenommen wird* ·

   Verfahren gemäß Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß ein Zeitverhältnis erste Entspannungsphase:zweite Entspannungsphase von 12-32:1 eingehalten wird«