PL232322B1 - Sposób zatężania gazu metanowego - Google Patents

Sposób zatężania gazu metanowego

Info

Publication number
PL232322B1
PL232322B1 PL414056A PL41405614A PL232322B1 PL 232322 B1 PL232322 B1 PL 232322B1 PL 414056 A PL414056 A PL 414056A PL 41405614 A PL41405614 A PL 41405614A PL 232322 B1 PL232322 B1 PL 232322B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
pressure
gas
adsorption
adsorption column
methane
Prior art date
Application number
PL414056A
Other languages
English (en)
Other versions
PL414056A1 (pl
Inventor
Shota KAWASHIMA
Shota Kawashima
Takahisa Utaki
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka Gas Co Ltd filed Critical Osaka Gas Co Ltd
Publication of PL414056A1 publication Critical patent/PL414056A1/pl
Publication of PL232322B1 publication Critical patent/PL232322B1/pl

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00—Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/12—Purification; Separation; Use of additives by adsorption, i.e. purification or separation of hydrocarbons with the aid of solids, e.g. with ion-exchangers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/10—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising silica or silicate
    • B01J20/103—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising silica or silicate comprising silica
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/10—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising silica or silicate
    • B01J20/16—Alumino-silicates
    • B01J20/18—Synthetic zeolitic molecular sieves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/223—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material containing metals, e.g. organo-metallic compounds, coordination complexes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28054—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J20/28078—Pore diameter
    • B01J20/2808—Pore diameter being less than 2 nm, i.e. micropores or nanopores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3416—Regenerating or reactivating of sorbents or filter aids comprising free carbon, e.g. activated carbon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3425—Regenerating or reactivating of sorbents or filter aids comprising organic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3433—Regenerating or reactivating of sorbents or filter aids other than those covered by B01J20/3408 - B01J20/3425
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3491—Regenerating or reactivating by pressure treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00—Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/005—Processes comprising at least two steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00—Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/12—Purification; Separation; Use of additives by adsorption, i.e. purification or separation of hydrocarbons with the aid of solids, e.g. with ion-exchangers
    • C07C7/13—Purification; Separation; Use of additives by adsorption, i.e. purification or separation of hydrocarbons with the aid of solids, e.g. with ion-exchangers by molecular-sieve technique
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C10L3/101—Removal of contaminants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/102—Carbon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/20—Organic adsorbents
    • B01D2253/204—Metal organic frameworks (MOF's)
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/702—Hydrocarbons
    • B01D2257/7022—Aliphatic hydrocarbons
    • B01D2257/7025—Methane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40058—Number of sequence steps, including sub-steps, per cycle
    • B01D2259/40071—Nine
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40058—Number of sequence steps, including sub-steps, per cycle
    • B01D2259/40075—More than ten
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/404—Further details for adsorption processes and devices using four beds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/54—Specific separation steps for separating fractions, components or impurities during preparation or upgrading of a fuel
    • C10L2290/542—Adsorption of impurities during preparation or upgrading of a fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/58—Control or regulation of the fuel preparation of upgrading process
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/20—Capture or disposal of greenhouse gases of methane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2
    • Y02P20/156—Methane [CH4]

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)

Abstract

Zatężanie metanu zostało dodatkowo poprawione podczas zatężania gazu metanowego przy zastosowaniu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA. W przypadku zastosowania kolumn adsorpcyjnych (A1 do A4) wypełnionych adsorbentami (A11 do A41), które adsorbują gaz metanowy w gazie kopalnianym i przeprowadzenia cyklu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA, dla każdej z kolumn adsorpcyjnych (A1 do A4), ustawionych jest wiele różnych stanów ciśnienia wewnętrznego ciśnienia kolumny adsorpcyjnej (A1 do A4) jako stan ciśnienia pośredniego. Jako etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) przeprowadza się etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegający na przesyłaniu gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych (A1 do A4) będącej w stanie wysokiego ciśnienia do górnej części innej kolumny adsorpcyjnej (A1 do A4) będącej w stanie ciśnienia pośredniego pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych (A1 do A4), aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych (A1 do A4) do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia oraz etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegający na przesyłaniu gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych (A1 do A4) będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia pod ciśnieniem wyższym niż stan niskiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej (A1 do A4) będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych (A1 do A4) do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia.

Description

Opis wynalazku
Dziedzina techniki
Przedmiotem wynalazku jest sposób zatężania gazu metanowego obejmujący: zastosowanie czterech lub więcej kolumn adsorpcyjnych wypełnionych adsorbentem, który adsorbuje gaz metanowy; oraz przeprowadzenie, dla każdej kolumny adsorpcyjnej, cyklu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA (Pressure Swing Adsorption) powtarzających się w następującym porządku:
etapu adsorpcji polegającego na odbiorze gazu metanowego w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego oraz zaadsorbowaniu gazu metanowego na adsorbencie;
etapu wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia, polegającego na przesyłaniu gazu w kolumnie adsorpcyjnej, która zakończyła etap adsorpcji i jest w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej w stanie niższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego;
etapu dekompresji, po obniżeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia, polegającego na dalszej dekompresji adsorbentu do stanu niskiego ciśnienia w celu desorpcji gazu metanowego zaadsorbowanego na adsorbencie i odzyskania tego gazu metanowego;
etapu wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), po ukończeniu etapu dekompresji, polegającego na odbiorze gazu z innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie wyższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego; oraz etapu zwiększania ciśnienia, po zwiększeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia, polegającego na dalszym doprowadzaniu gazu zwiększającego ciśnienie do kolumny adsorpcyjnej w celu przywrócenia adsorbentu do stanu wysokiego ciśnienia, w którym będzie mógł selektywnie adsorbować gaz metanowy.
Stan techniki
Jeśli chodzi o efektywne wykorzystanie gazu palnego, konieczne jest oddzielenie gazu, takiego jak powietrze, od gazu źródłowego zawierającego gaz palny i zatężenie gazu palnego do odpowiedniego zakresu stężenia. Proponowano już różne urządzenia i metody zatężania gazu palnego i proponowano wynalazki, w których gaz czyli tzw. gaz kopalniany, pozyskiwany z kopalni w postaci gazu zawierającego metan wykorzystuje się jako gaz źródłowy, gdzie powietrze, głównie zawierające azot, tlen i dwutlenek węgla, jest oddzielane od gazu źródłowego za pomocą adsorbentu, a gaz metanowy jest zatężany do jego użycia.
Dokładniej rzecz biorąc, dokument patentowy 1 stanowi propozycję rozwiązania urządzenia i metody zatężania gazu metanowego. Według tego wynalazku, przy użyciu naturalnego zeolitu, który ma dużo mniejszą szybkość adsorpcji dla gazu metanowego niż dla azotu, jako adsorbentu, to znaczy, przy użyciu adsorbentu, który preferencyjnie adsorbuje azot, tlen i dwutlenek węgla z gazu metanowego, gaz kopalniany zostaje wprowadzony do kolumny adsorpcyjnej wypełnionej adsorbentem za pomocą sprężarki lub podobną metodą, aż do osiągnięcia wcześniej określonego ciśnienia. Następnie, azot, tlen i dwutlenek węgla zawarte w gazie kopalnianym są adsorbowane najpierw w przedniej części lub dolnej części kolumny adsorpcyjnej, a gaz metanowy, dla którego tempo adsorpcji jest wolne, jest adsorbowany w tylnej części (górnej części) kolumny adsorpcyjnej. Ponadto, gaz metanowy jest uwalniany z górnej części kolumny adsorpcyjnej aż do osiągnięcia ciśnienia atmosferycznego.
W ten sposób można oddzielić powietrze od gazu kopalnianego jako gazu źródłowego za pomocą adsorbentu, gaz metanowy można zatężyć, a zatężony gaz metanowy użyć jako paliwo lub spożytkować w podobny sposób.
Zatem w cyklu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA, możliwa jest konfiguracja z zapewnionymi środkami sterowania do przeprowadzenia kolejno etapu adsorpcji gazu palnego polegającego na doprowadzeniu gazu źródłowego do kolumny adsorpcyjnej za pomocą środków doprowadzania i uwalniania, i uwolnieniu gazów odlotowych z kolumny adsorpcyjnej oraz etapu desorpcji gazu palnego polegającego na odbiorze zdesorbowanego gazu palnego przez środki odbioru.
Ponadto, jako taki cykl adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA, rozważono przeprowadzenie etapu wyrównywania ciśnienia polegającego na przesyłaniu gazu w kolumnie adsorpcyjnej, która zakończyła etap adsorpcji i jest w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej w stanie niższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego, oraz
PL 232 322 B1 etapu wyrównywania ciśnienia, po ukończeniu etapu dekompresji, polegającego na odbiorze gazu z innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie wyższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego, poprawiając w ten sposób wydajność energii wymaganej do zwiększenia ciśnienia i jednoczesnego obniżenia ciśnienia w kolumnach adsorpcyjnych oraz zwiększenia szybkości odzysku gazu do zatężenia.
Należy zauważyć, że według niniejszego wynalazku w parze kolumn adsorpcyjnych, w których przeprowadzane są etapy wyrównywania ciśnienia, etap wyrównywania ciśnienia przeprowadzany przez kolumnę adsorpcyjną, której ciśnienie wewnętrzne jest obniżane przez przesyłanie gazu do drugiej kolumny nazywany jest etapem wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia, natomiast etap wyrównywania ciśnienia przeprowadzany przez kolumnę adsorpcyjną, której ciśnienie wewnętrzne jest zwiększane przez odbiór gazu z drugiej kolumny nazywany jest etapem wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia.
Poza tym, dokument patentowy 2 ujawnia także sposób zatężania helu obejmujący: zastosowanie czterech kolumn adsorpcyjnych wypełnionych adsorbentem, który adsorbuje gaz metanowy i azot; oraz w przypadku przeprowadzania, dla każdej kolumny adsorpcyjnej, cyklu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA polegającej na przeprowadzeniu:
etapu adsorpcji polegającego na odbiorze doprowadzenia gazu metanowego zawierającego hel, zaadsorbowaniu gazu metanowego na adsorbencie i odzyskaniu helu;
etapu wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia polegającego na przesyłaniu gazu w kolumnie adsorpcyjnej, która zakończyła etap adsorpcji i jest w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej w stanie niższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego;
etapu dekompresji, po obniżeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia, polegającego na dalszej dekompresji adsorbentu do stanu niskiego ciśnienia w celu desorpcji gazu metanowego zaadsorbowanego na adsorbencie;
etapu wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia, po ukończeniu etapu dekompresji, polegającego na odbiorze gazu z innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie wyższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego; oraz etapu zwiększania ciśnienia, po zwiększeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia, polegającego na dalszym doprowadzaniu gazu zwiększającego ciśnienie do kolumny adsorpcyjnej w celu przywrócenia adsorbentu do stanu wysokiego ciśnienia, w którym będzie mógł selektywnie adsorbować gaz metanowy;
dwa różne stany ciśnienia wewnętrznego ciśnienia kolumny adsorpcyjnej są ustawione jako stan ciśnienia pośredniego;
metoda obejmuje, jako etap wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia;
etap wstępnego wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia polegający na przesyłaniu gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie ciśnienia pośredniego pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie jednej z kolumn adsorpcyjnych, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia; oraz etap końcowego wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia, polegający na przesyłaniu gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia pod ciśnieniem wyższym niż stan niskiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia; oraz etap wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia obejmuje:
etap wstępnego wyrównywania ciśnienia zwiększania ciśnienia polegający na odbiorze gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia; oraz etap końcowego wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia, polegający na odbiorze w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia gazu w innej kolumnie adsorpcyjnej będącej w stanie wysokiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia.
PL 232 322 B1
Dokumenty ze stanu techniki
Dokumenty patentowe
Dokument patentowy 1: opis patentowy JP S58-198591A
Dokument patentowy 2: opis patentowy JP H02-503553W (w szczególności, FIG. 3)
Istota wynalazku w świetle stanu techniki
Problem do rozwiązania przez wynalazek
Mimo, że sposób ujawniony w dokumencie patentowym 2 jest sposobem odzyskiwania helu, który nie jest zaadsorbowany na adsorbencie, jest to również sposób odzyskiwania gazu metanowego zaadsorbowanego na etapie dekompresji. Zatem można rozumieć, że sposób ten może być stosowany jako sposób zatężania gazu metanowego zawartego w gazie kopalnianym, niezależnie od tego, czy gaz kopalniany zawiera hel, czy nie.
Jednakże, wyżej opisany sposób jest sposobem odzyskiwania helu, który nie został zaadsorbowany na adsorbencie, a zatem nie uwzględniono szybkości odzyskiwania czy też stężenia odzyskanego metanu w przypadku odzyskiwania metanu zaadsorbowanego na adsorbencie. W szczególności, jeśli chodzi o sposób stosowania sposobu ujawnionego w dokumencie patentowym 2 w celu zwiększenia stężenia odzyskanego metanu, trudno jest w prosty sposób znaleźć odpowiednie warunki, ponieważ zależność między stężeniem odzyskanego metanu i różnymi parametrami, takimi jak warunki pracy, jest zupełnie nieznana. Ponadto, wątpliwe jest, czy sposób ten rzeczywiście ma zastosowanie.
Zatem, w związku z wyżej opisanym stanem, celem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu zatężania gazu metanowego, który może dodatkowo poprawić stężenie metanu podczas zatężania gazu metanowego przy zastosowaniu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA.
Sposoby rozwiązania problemu
Układ 1
Charakterystycznym elementem sposobu zatężania gazu metanowego według niniejszego wynalazku do osiągnięcia wyżej opisanego celu jest sposób zatężania gazu metanowego obejmujący:
zastosowanie czterech lub więcej kolumn adsorpcyjnych wypełnionych adsorbentem, który adsorbuje gaz metanowy w gazie zawierającym metan; oraz przeprowadzenie, dla każdej kolumny adsorpcyjnej, cyklu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA powtarzających się w porządku:
etapu adsorpcji polegającego na odbiorze doprowadzenia gazu zawierającego metan w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego z dolnej części kolumny adsorpcyjnej, zaadsorbowaniu gazu metanowego na adsorbencie i uwolnieniu gazu wylotowego składającego się głównie z powietrza z górnej części kolumny adsorpcyjnej;
etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegającego na przesyłaniu gazu w kolumnie adsorpcyjnej, która zakończyła etap adsorpcji i jest w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej w stanie niższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego;
etapu dekompresji, po obniżeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia czyli w tym przypadku obniżania ciśnienia, polegającego na dalszej dekompresji adsorbentu do stanu niskiego ciśnienia w celu desorpcji gazu metanowego zaadsorbowanego na adsorbencie i odzyskania tego gazu metanowego z dolnej części kolumny adsorpcyjnej;
etapu wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia, po ukończeniu etapu dekompresji, polegającego na odbiorze gazu z innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie wyższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego; oraz etapu zwiększenia ciśnienia, po zwiększeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia, polegającego na dalszym doprowadzaniu powietrza zwiększającego ciśnienie do kolumny adsorpcyjnej z górnej części kolumny adsorpcyjnej w celu przywrócenia adsorbentu do stanu wysokiego ciśnienia, w którym będzie mógł selektywnie adsorbować gaz metanowy, przy czym adsorbent ma właściwość selektywnego adsorbowania gazu metanowego zawartego w powietrzu w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego i desorbowania zaadsorbowanego gazu metanowego w stanie niskiego ciśnienia, oraz właściwość preferencyjnego desorbowania powietrza podczas desorpcji gazu metanowego, gdzie wiele różnych stanów ciśnienia wewnętrznego kolumny adsorpcyjnej jest ustawionych jako stan ciśnienia pośredniego,
PL 232 322 B1 sposób obejmuje, jako etap wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia, etap wstępnego wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia polegający na przesyłaniu gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie ciśnienia pośredniego pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie jednej z kolumn adsorpcyjnych, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia; oraz etap końcowego wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia polegający na przesyłaniu gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia pod ciśnieniem wyższym niż stan niskiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia;
etap wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia obejmuje:
etap wstępnego wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia, polegający na odbiorze gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia; oraz etap końcowego wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia polegający na odbiorze, do jednej z kolumn adsorpcyjnych będących w stanie ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia, gazu w innej kolumnie adsorpcyjnej będącej w stanie wysokiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia, oraz gaz jest przesyłany z jednej z kolumn adsorpcyjnych, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia czyli zwiększania ciśnienia z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych do górnej części drugiej kolumny adsorpcyjnej.
Realizacja i efekt układu 1
Ponieważ wyżej opisany układ obejmuje podstawowy układ wyżej opisanego typowego urządzenia do zatężania gazu palnego, możliwe jest zatężanie gazu metanowego przez adsorbowanie gazu metanowego na kolumnie adsorpcyjnej i kolejne przeprowadzanie etapu adsorpcji i etapu desorpcji.
W wyżej opisanym układzie, adsorbent ma właściwość selektywnego adsorbowania gazu metanowego zawartego w powietrzu w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego i desorbowania zaadsorbowanego gazu metanowego w stanie niskiego ciśnienia i ma właściwość preferencyjnego desorbowania gazu innego niż gaz metanowy podczas desorpcji gazu metanowego w stanie niskiego ciśnienia. Zatem, adsorbent ma taką właściwość, że powietrze zaczyna być desorbowane preferencyjnie do gazu metanowego w początkowym etapie po rozpoczęciu desorpcji podczas desorpcji gazu metanowego, lecz wskaźnik desorpcji gazu metanowego wzrasta wraz z kontynuacją operacji desorpcji.
W związku z tym, gdy przeprowadzany jest etap wstępnego wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia, po etapie adsorpcji, gazów doprowadzanych do kolumny adsorpcyjnej, gaz w przestrzeni, która nie jest wypełniona adsorbentem wewnątrz kolumny adsorpcyjnej oraz gaz, który nie został zaadsorbowany na adsorbencie są w pierwszej kolejności preferencyjnie odprowadzane z kolumny adsorpcyjnej. W związku z tym, ponieważ gaz metanowy jest doprowadzany do kolumny adsorpcyjnej z jej dolnej części, a gaz wylotowy jest uwalniany z kolumny adsorpcyjnej z jej górnej części, stężenie metanu zaadsorbowanego na adsorbencie w kolumnie adsorpcyjnej wzrasta w kierunku dolnej części i spada w kierunku górnej części. Zatem, gdy wnętrze kolumny adsorpcyjnej ulega dekompresji podczas etapu wyrównywania ciśnienia w takim stopniu, że gaz, który został uprzednio zaadsorbowany na adsorbencie jest uwalniany, powietrze zawarte w gazach zaadsorbowanych na adsorbencie jest preferencyjnie uwalniane z adsorbentu ze względu na właściwości adsorbentu. W związku z tym, na etapie wstępnego wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia, gaz o szczególnie niskiej zawartości metanu jest odprowadzany z kolumny adsorpcyjnej, w której zakończył się etap adsorpcji, a następnie gaz o wysokim stężeniu metanu jest stopniowo odprowadzany.
Oznacza to, że gaz uwolniony z kolumny adsorpcyjnej ma niższe stężenie metanu na wcześniejszym etapie, a jego stężenie wzrasta wraz z powtarzaniem się etapu wyrównywania ciśnienia czyli obniżania ciśnienia.
Ponadto, w fazie przeprowadzania etapu końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), po przeprowadzeniu etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), gaz o nawet wyższej zawartości metanu jest odprowadzany ze względu na właściwość adsorbentu, a zatem czystość metanu zaadsorbowanego na adsorbencie w kolumnie adsorpcyjnej zwiększa się.
PL 232 322 B1
Ponadto, gdy gaz jest przesyłany z kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), z górnej części kolumny adsorpcyjnej do górnej części innej kolumny adsorpcyjnej, gradient stężenia metanu zaadsorbowanego na adsorbencie w kolumnie adsorpcyjnej jest utrzymywany w stanie, w którym stężenie metanu wzrasta w kierunku górnej części i maleje w kierunku dolnej części.
W związku z tym, odzysk gazu metanowego o wysokim stężeniu jest ułatwiony dzięki przeprowadzeniu etapu dekompresji polegającego na odzyskaniu gazu metanowego z dolnej części kolumny adsorpcyjnej po etapie wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia).
Na etapie wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), na przykład na etapie wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), kolumna adsorpcyjna odbiera gaz z innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia). W związku z tym, kolumna adsorpcyjna odbiera gaz o wyższym stężeniu metanu w początkowych seriach etapu wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) przeprowadzanego w wielu etapach, a stężenie metanu w odebranym gazie maleje za każdym razem, gdy przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia.
Następnie, ponieważ gaz jest przesyłany z górnej części kolumny adsorpcyjnej do górnej części innej kolumny adsorpcyjnej, gaz, który zwiększył wewnętrzne ciśnienie kolumny adsorpcyjnej ma tendencję do tworzenia gradientu stężenia, w którym stężenie metanu maleje w kierunku górnej części i wzrasta w kierunku dolnej części adsorbentu w kolumnie adsorpcyjnej.
W związku z tym, przeprowadzając etap zwiększania ciśnienia po etapie wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), a następnie rozpoczynając etap adsorpcji, gradient stężenia metanu w kolumnie adsorpcyjnej nie może się w łatwy sposób zmniejszyć, umożliwiając odzyskanie gazu metanowego doprowadzonego do kolumny adsorpcyjnej tak, że stężenie metanu wzrasta w kierunku dolnej części, a także przyczyniając się do utrzymania wysokiego stężenia odzyskanego gazu metanowego.
W związku z tym, zatężanie gazu metanowego przy zastosowaniu wyżej wymienionej konfiguracji umożliwiło odzyskanie gazu metanowego o jeszcze większym stężeniu.
W przypadku przeprowadzenia etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) tylko jeden raz, wewnętrzne ciśnienie kolumny adsorpcyjnej po etapie wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) osiąga zasadniczo tylko ciśnienie pośrednie między najwyższym ciśnieniem a najniższym ciśnieniem tej kolumny adsorpcyjnej. Jednakże, po etapie końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) przeprowadzonym po wielu seriach etapu wyrównywania ciśnienia, wewnętrzne ciśnienie kolumny adsorpcyjnej może być dalej obniżane, zasadniczo w porównaniu z ciśnieniem pośrednim między najwyższym ciśnieniem a najniższym ciśnieniem tej kolumny adsorpcyjnej.
Tutaj najwyższym ciśnieniem jest ciśnienie adsorpcji gazu podczas etapu adsorpcji, a najniższym ciśnieniem jest ciśnienie desorpcji gazu podczas etapu dekompresji. Każdy adsorbent ma swoje unikalne wartości charakterystyczne tych dwóch ciśnień. Ponadto, moc czyli różnica ciśnień wymagana do desorpcji metanu z adsorbentu podczas etapu dekompresji odpowiada różnicy ciśnień między niższym ciśnieniem po etapie końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) a wyżej wspomnianym najniższym ciśnieniem.
Zostanie to opisane poniżej na konkretnym przykładzie. W przypadku przeprowadzania etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) tylko jeden raz, ciśnienie różnicowe, które powinno zostać obniżone na etapie dekompresji wynosi około % różnicy między najwyższym ciśnieniem a najniższym ciśnieniem. Jednakże, w przypadku przeprowadzania etapu wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) i etapu końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), etap wyrównywania ciśnienia przeprowadza się dwa razy, a zatem ciśnienie różnicowe, które powinno zostać obniżone na etapie dekompresji wynosi około 1/3 różnicy między najwyższym ciśnieniem a najniższym ciśnieniem.
W przypadku dalszego przeprowadzania etapu wyrównywania ciśnienia, etap wyrównywania ciśnienia przeprowadza się n razy, a ciśnienie różnicowe, które powinno zostać obniżone na etapie dekompresji wynosi około 1/(n+1) różnicy między najwyższym ciśnieniem a najniższym ciśnieniem.
Oznacza to, że im więcej razy przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia, tym mniejsze może być obciążenie w przeprowadzaniu określonego etapu dekompresji.
Należy zauważyć, że większa ilość razy przeprowadzania etapu wyrównywania ciśnienia będzie prowadziła do zwiększonej złożoności etapów i dłuższego łącznego czasu przeprowadzania etapów, a także ograniczenia efektu zmniejszenia obciążenia na etapie dekompresji przez zwiększoną ilość razy
PL 232 322 B1 przeprowadzania etapu wyrównywania ciśnienia. W związku z tym, praktycznym jest przeprowadzenie etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) dwukrotnie w początkowej i końcowej fazie lub trzykrotnie w początkowej, środkowej i końcowej fazie.
W rezultacie za pomocą wyżej opisanego sposobu zatężania gazu metanowego można obniżyć ciśnienie różnicowe dla każdej ilości razy przeprowadzania wyrównywania ciśnienia i zmniejszyć obciążenie w przeprowadzaniu etapu dekompresji, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniego gradientu stężenia metanu w kolumnie adsorpcyjnej, utrzymując w ten sposób wysokie stężenie odzyskanego metanu.
Układ 2
Ponadto, korzystne jest, aby gdy etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) składa się z etapu wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) i etapu końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), a etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) składa się z etapu wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) i etapu końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), gaz odprowadzany z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych na etapie wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) był doprowadzany do górnej części innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzane jest końcowe wyrównywanie ciśnienia (zwiększanie ciśnienia), oraz gaz odprowadzany z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych na etapie końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) był doprowadzany do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap początkowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia).
Działanie i efekt układu 2
Jako szczególny układ dla utrzymania odpowiedniego gradientu stężenia gazu metanowego w kolumnie adsorpcyjnej, gaz jest przesyłany z jednej z kolumn adsorpcyjnych, w których przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych do górnej części drugiej kolumny adsorpcyjnej. W przypadku przeprowadzania każdego etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) i etapu wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) w dwóch etapach, stwierdzono, że gdy gaz odprowadzany z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych na etapie wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) jest doprowadzany do górnej części innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzane jest końcowe wyrównywanie ciśnienia (zwiększanie ciśnienia); oraz gaz odprowadzany z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych na etapie końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) jest doprowadzany do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap początkowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), gradient stężenia gazu metanowego w kolumnie adsorpcyjnej można odpowiednio kontrolować bez zakłóceń. Stwierdzono również na podstawie wyników eksperymentalnych opisanych poniżej, że powyższe może poprawić czystość oczyszczonego gazu metanowego bez istotnego zmniejszenia szybkości odzyskiwania.
Powyższe oznacza, że w przypadku przeprowadzania każdego etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) i etapu wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) w dwóch etapach, stwierdzono, że przesył gazu na obu etapach wyrównywania ciśnienia wykazuje poprawę bliską 10% w zakresie czystości metanu w produkcie gazowym w porównaniu do przypadku wykorzystania dolnej części kolumny adsorpcyjnej. W wyniku badania różnych kombinacji, stwierdzono również, że możliwe jest uzyskanie produktu gazowego o około 3% większej czystości gazu metanowego niż w przykładzie z drugą najwyższą czystością metanu.
Układ 3
Dalej, gaz zawierający metan może składać się głównie z co najmniej jednego gazu wyselekcjonowanego z następujących rodzajów gazu: gazu kopalnianego, biogazu, gazu reformowanego oraz gazu ziemnego.
Działanie i efekt układu 3
Użyte w niniejszym opisie patentowym określenie gaz kopalniany oznacza gaz uzyskiwany z kopalni węgla. Około 20 do 40% objętościowych gazu metanowego i około 60 do 80% objętościowych powietrza, głównie zawierającego azot i tlen, jest zawartych w gazie kopalnianym, chociaż zawartość ta może się różnić w zależności od warunków.
Biogaz jest na przykład gazem uzyskiwanym dzięki przetwarzaniu ścieków organicznych itp. przy użyciu fermentora metanu itp. i składa się głównie z gazu metanowego i dwutlenku węgla i zawiera około 40 do 60% objętościowych gazu metanowego i około 20 do 50% objętościowych dwutlenku węgla, chociaż zawartość ta może się różnić w zależności od warunków.
PL 232 322 B1
Ponadto, wiadomo, że gaz zawierający metan, taki jak gaz reformowany lub gaz ziemny również zawiera około 4 do 95% objętościowych metanu i stwierdzono, że jest on odpowiedni do wykorzystania w metodzie zatężania gazu metanowego, zgodnie z niniejszym wynalazkiem.
Układ 4
Dalej, możliwe jest zastosowanie, w charakterze adsorbentu, adsorbentu zawierającego, jako główny składnik, co najmniej jeden wybrany z grupy składającej się zwęgla aktywnego, zeolitu, żelu krzemionkowego i organometalicznego związku kompleksowego o średniej średnicy porów wynoszącej 4,5 do 15 A mierzonej za pomocą metody MP i o wielkości adsorpcji gazu metanowego w warunkach ciśnienia atmosferycznego i przy temperaturze 298 K wynoszącej 20 Nml/g lub więcej.
Działanie i efekt 4
Zastosowanie takiego adsorbentu pozwala na zaadsorbowanie gazu metanowego na adsorbencie gazu metanowego w warunkach ciśnienia atmosferycznego i przy temperaturze 298 K.
Oznacza to, że gdy wielkość adsorpcji gazu metanowego w warunkach ciśnienia atmosferycznego i przy temperaturze 298 K jest niższa niż 20 Nml/g, stężenie zatężonego gazu metanowego spada w wyniku zmniejszenia wydajności adsorpcji gazu metanowego przy niskich ciśnieniach, w szczególności, w przybliżeniu przy ciśnieniu atmosferycznym. Ponadto, zwiększona ilość absorbentu gazu metanowego wymagana jest do utrzymania wydajności adsorpcji, co prowadzi do zwiększenia wielkości urządzenia. Mimo, że górna granica wielkości adsorpcji gazu metanowego nie jest szczególnie ograniczona, aktualnie osiągalna wielkość adsorpcji gazu metanowego adsorbentu gazu metanowego wynosi około 40 Nml/g lub mniej. Ponadto, gdy średnia średnica porów mierzona metodą MP jest mniejsza niż 4,5 A, stężenie metanu w stężonym gazie kopalnianym spada w wyniku wzrostu wielkości adsorpcji tlenu lub azotu lub szybkość adsorpcji zmniejsza się, ponieważ średnia średnica porów jest bliska średnicy cząsteczkowej gazu metanowego, zmniejszając tym samym wydajność adsorpcji gazu metanowego lub hamując adsorpcję. Z drugiej strony, gdy średnia średnica porów mierzona metodą MP jest większa niż 15 A, stężenie zatężonego gazu metanowego spada w wyniku zmniejszenia wydajności adsorpcji gazu metanowego przy niskich ciśnieniach (w szczególności, w przybliżeniu przy ciśnieniu atmosferycznym). Ponadto, zwiększona ilość adsorbentu gazu metanowego jest wymagana do utrzymania wydajności adsorpcji, co prowadzi do zwiększenia wielkości urządzenia.
Korzystne skutki wynalazku
Stosownie do tego, możliwym stało się odzyskiwanie gazu metanowego o wyższym stężeniu, dzięki czemu możliwe jest skuteczne wykorzystywanie gazu kopalnianego, który trudno było ponownie wykorzystać w przeszłości.
Krótki opis rysunków
FIG. 1 przedstawia schemat urządzenia do zatężania metanu.
FIG. 2 przedstawia schemat działania urządzenia do zatężania metanu, które odpowiada sposobowi zatężania metanu.
FIG. 3 przedstawia schemat przechodzenia ciśnienia w kolumnach adsorpcyjnych w przypadku stosowania sposobu według FIG. 2.
FIG. 4 przedstawia wykres właściwości adsorpcji metanu przez adsorbent.
FIG. 5 przedstawia wykres zmian rozkładu stężenia metanu zaadsorbowanego w kolumnie adsorpcyjnej.
FIG. 6 przedstawia schemat tradycyjnego urządzenia do zatężania metanu zawierającego trzy kolumny adsorpcyjne.
FIG. 7 przedstawia schemat metody zatężania metanu stosowanej przy użyciu tradycyjnego urządzenia do zatężania metanu zawierającego trzy kolumny adsorpcyjne.
FIG. 8 przedstawia schemat przechodzenia ciśnienia w kolumnach adsorpcyjnych w przypadku stosowania sposobu z FIG. 7.
FIG. 9 przedstawia schemat urządzenia do zatężania metanu zawierającego dolną linię do wyrównywania ciśnienia.
FIG. 10 przedstawia schemat urządzenia do zatężania metanu zawierającego pięć kolumn adsorpcyjnych.
FIG. 11 przedstawia schemat sposobu zatężania metanu stosowanego przy użyciu urządzenia do zatężania metanu zawierającego pięć kolumn adsorpcyjnych.
FIG. 12 przedstawia schemat przechodzenia ciśnienia w kolumnach adsorpcyjnych w przypadku stosowania metody z FIG. 11.
PL 232 322 B1
Najlepszy sposób realizacji wynalazku
W dalszej części opisany zostanie sposób zatężania gazu metanowego, zgodnie z przykładami wykonania niniejszego wynalazku. Mimo, że poniżej zostanie opisany korzystny przykład, opisano przykład w celu bardziej szczegółowego przedstawienia niniejszego wynalazku. Można dokonywać różnych modyfikacji bez odchodzenia od zakresu i istoty wynalazku, i niniejszy wynalazek nie ogranicza się do poniższego opisu.
Urządzenie do zatężania metanu
Jak pokazano na FIG. 1, urządzenie do zatężania metanu wyposażone jest w kolumny adsorpcyjne A1 do A4 wypełnione adsorbentami A11 do A41, urządzenie doprowadzające 1 i urządzenie uwalniające 2 do doprowadzania gazu kopalnianego ze zbiornika gazu źródłowego T1 i uwalniania gazu odlotowego, urządzenia do odzysku 3 do odzyskiwania zatężonego gazu metanowego do zbiornika produktu gazowego T3, urządzenie sterujące C, które steruje działaniami urządzenia doprowadzającego 1, urządzenia uwalniającego 2 i urządzenia do odzysku 3.
Należy zauważyć, że adsorbenty A11 do A41 nie są szczególnie ograniczone dopóki mogą selektywnie adsorbować gaz palny, taki jak gaz metanowy, lecz stosowanie adsorbentu gazu metanowego 21 a mogącego selektywnie adsorbować gaz metanowy w warunkach ciśnienia atmosferycznego i przy temperaturze 298 K pozwala na to, aby gaz metanowy był wystarczająco zaadsorbowany na adsorbencie gazu metanowego 21a w warunkach ciśnienia atmosferycznego i przy temperaturze 298 K.
Jako adsorbent metanu 21, korzystne jest zastosowanie adsorbentu gazu metanowego 21a, czyli co najmniej jednego wybranego z grupy składającej się z węgla aktywnego, zeolitu, żelu krzemionkowego i organometalicznego związku kompleksowego (np. fumaran miedzi, tereftalan miedzi, dikarboksylan cykloheksan miedzi) o średniej średnicy porów wynoszącej 4,5 do 15 A mierząc metodą MP i wielkości adsorpcji gazu metanowego w warunkach ciśnienia atmosferycznego i przy temperaturze 298 K wynoszącej 20 Nml/g lub więcej. Należy zauważyć, że wyżej wspomniana średnia średnica porów wynosi korzystnie od 4,5 do 10 A, korzystniej od 5 do 9,5 A, natomiast wyżej wspomniana wielkość adsorpcji gazu metanowego wynosi korzystnie 25 Nml/g lub więcej.
Szczególnie można to uzyskać, na przykład przez zastosowanie, jako materiału węglowego, węglika powstałego na skutek całkowitego zwęglenia łupin drzewa palmowego lub węgla z łupin drzewa palmowego w azocie w temperaturze 600°C i rozdrobnienie węglika na cząsteczki o średnicy od 1 do 3 mm i aktywowanie materiału węglowego w atmosferze od 10 do 15% objętościowych pary wodnej, do 20% objętościowych dwutlenku węgla i azotu jako pozostałość w temperaturze 860°C przy użyciu pieca wsadowego z aktywacją przepływu o średnicy wewnętrznej 50 mm. Taki węgiel aktywny ma właściwość selektywnego adsorbowania gazu metanowego zawartego w powietrzu w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego i desorbowania zaadsorbowanego gazu metanowego w stanie zdekompresowanym niższym niż stan niskiego ciśnienia niższego niż ciśnienie atmosferyczne, a także ma właściwość preferencyjnego desorbowania powietrza podczas desorpcji gazu metanowego oraz posiada właściwości adsorpcyjne, jak pokazano na FIG. 4.
Kolumny adsorpcyjne
Kolumny adsorpcyjne A1 do A4 są wypełnione odpowiednio adsorbentami A11 do A41. Ponadto, linie doprowadzające L11 do L41 do doprowadzania gazu kopalnianego ze zbiornika gazu źródłowego T1 za pomocą pompy doprowadzającej P1 znajdują się poniżej kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 i tworzą urządzenie doprowadzające 1, natomiast linie uwalniające L12 do L42 do uwalniania gazu kopalnianego doprowadzanego do kolumn adsorpcyjnych A1 do A4, gazu odlotowego o bardzo niskim stężeniu metanu i złożonego głównie z azotu i tlenu znajdują się powyżej kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 i tworzą urządzenie uwalniające 2. Gaz kopalniany jest doprowadzany z urządzenia doprowadzającego 1 do kolumn adsorpcyjnych A1 do A4, natomiast gaz odlotowy, który nie został zaadsorbowany na adsorbentach A11 do A41 jest odprowadzany z urządzenia uwalniającego 2, tym samym realizując układ, który pozwala na zaadsorbowanie gazu metanowego na adsorbentach A11 do A41 i oddzielenie go od gazu odlotowego. Ponadto, dla kolumn adsorpcyjnych A1 do A4, linie odzysku L13 do L43 do odzyskiwania gazu metanowego zaadsorbowanego na adsorbentach A11 do A41 znajdują się poniżej kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 i tworzą urządzenie do odzysku 3, w ten sposób realizując układ, który umożliwia odbiór, z gazu kopalnianego doprowadzanego z urządzenia doprowadzającego 1, gazu metanowego o wysokim stężeniu, który został zaadsorbowany na adsorbentach A11 do A41 i zatężony. Urządzenie do odzysku 3 jest wyposażone w pompę próżniową P3 do odbioru gazu metanowego o wysokim stężeniu z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 do zbiornika produktu gazowego T3 za pośrednictwem linii odzysku L13 do L43.
PL 232 322 B1
Linie zwiększania ciśnienia L14 do L44 do doprowadzania powietrza zwiększającego ciśnienie do kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 są podłączone do górnych części kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 i tworzą urządzenie do zwiększania ciśnienia 4. Ponadto, linie wyrównywania ciśnienia L15 do L45 do zapewniania połączenia między kolumnami adsorpcyjnymi A1 do A4 są podłączone do górnych części kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 i tworzą urządzenie do wyrównywania ciśnienia do przesyłania gazu wewnątrz każdej kolumny adsorpcyjnej A1 do A4 do innej kolumny adsorpcyjnej A1 do A4 z górnej części tych kolumn adsorpcyjnych A1 do A4, do górnej części drugiej kolumny adsorpcyjnej A1 do A4.
Należy zauważyć, że zawory przełączające V11 do V45 znajdują się w liniach gazowych L11 do L45, realizując w ten sposób układ, który umożliwia urządzeniu sterującemu C prowadzenie ogólnej kontroli nad przełączaniem między doprowadzaniem, odprowadzaniem a wstrzymywaniem gazu do kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 dzięki pracy pomp P1 i P3.
Sposób zatężania gazu metanowego
Jak pokazano na rysunku FIG. 2, urządzenie sterujące C steruje zaworami przełączającymi V11 do V45 i pompami P1 do P3, by sterować pracą w taki sposób, aby przeprowadzać w kolumnach adsorpcyjnych A1 do A4 w następującym porządku:
etap adsorpcji polegający na odbiorze doprowadzenia gazu metanowego w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego z dolnej części kolumn adsorpcyjnych A1 do A4, zaadsorbowaniu gazu metanowego na adsorbentach A11 do A41 i uwolnieniu gazu wylotowego składającego się głównie z powietrza z górnych części kolumn adsorpcyjnych A1 do A4;
etap wstępnego wyrównania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegający na przesyłaniu gazu o stosunkowo niskim stężeniu metanu w jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 będącej w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej A1 do A4 będącej w stanie ciśnienia pośredniego pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia;
etap gotowości;
etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegający na przesyłaniu gazu, w którym stężenie metanu jest nieznacznie wyższe niż to na etapie początkowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) w jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia pod ciśnieniem wyższym niż stan niskiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej A1 do A4 będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia;
etap dekompresji, po obniżeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), polegający na dalszej dekompresji jednego z adsorbentów A11 do A41 do stanu niskiego ciśnienia w celu desorpcji gazu metanowego zaadsorbowanego na jednym z adsorbentów A11 do A41 i odzyskaniu gazu metanowego z dolnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4;
etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) polegający na odbiorze, do jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 będącej w stanie niskiego ciśnienia, gazu w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A1 do A4 będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia;
etap końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) polegający na odbiorze, do jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia, gazu w innej kolumnie adsorpcyjnej A1 do A4 będącej w stanie wysokiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia;
etap gotowości; oraz etap zwiększania ciśnienia, po zwiększeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), polegający na dalszym doprowadzaniu powietrza zwiększającego ciśnienie do jednej z kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 z górnej części innej kolumny adsorpcyjnej A1 do A4 w celu przywrócenia odpowiedniego adsorbentu A11 do A41 do stanu wysokiego ciśnienia, w którym będzie mógł selektywnie adsorbować gaz metanowy.
Dzięki takiemu sterowaniu zmiany w wewnętrznych ciśnieniach kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 przechodzą tak jak pokazano na FIG. 3.
W szczególności kolumna adsorpcyjna A1 jest sterowana w następujący sposób. Mimo, że ta sama praca będzie również wykonywana dla innych kolumn adsorpcyjnych A2 do A4 z przesunięciem fazowym, jej szczegółowy opis pominięto i zastąpiono opisem w odniesieniu do FIG. 2, aby uniknąć
PL 232 322 B1 nadmiaru informacji. Należy zauważyć, że kolumny adsorpcyjne A1 do A4 są dalej zwane kolumnami adsorpcyjnymi od pierwszej do czwartej A1 do A4 w tej kolejności. Ponadto, FIG. 2 stanowi podsumowanie stanów otwarcia/ zamknięcia zaworów otwierających/ zamykających itp. na etapach w powiązaniu ze sobą. Należy zauważyć, że na FIG. 2 w górnej części rysunku kolejno pokazano szczegóły etapów, natomiast w dolnej części rysunku pokazano stan przełączania kanałów rurowych na etapach. Ponadto, stan otwarcia zaworu otwierającego/ zamykającego itp. stosowany w każdym z etapów jest oznaczony tym samym zakreskowaniem, jak w odpowiednim etapie w górnej części rysunku.
<1 do 3> Etap adsorpcji
Gaz kopalniany jest wprowadzany ze zbiornika gazu źródłowego T1 do pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1. W tym czasie ciśnienie w pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1 jest równe w zasadzie ciśnieniu atmosferycznemu, jak pokazano na FIG. 3 i jest utrzymywane w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonego do tego ciśnienia atmosferycznego, które zostało zwiększone przez ciśnienie doprowadzające pompy doprowadzającej P1, a gaz metanowy zawarty w gazie kopalnianym doprowadzonym ze zbiornika gazu źródłowego T1 poprzez zawór przełączający V11 linii doprowadzającej L11 jest zaadsorbowany na adsorbencie A11, podczas gdy pozostałe gazy odlotowe są odprowadzane poprzez zawór przełączający V12 linii uwalniającej L12.
Należy zauważyć, że w tym czasie, jak pokazano na FIG. 2, w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 zostaje przeprowadzony <1> etap końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) i przechodzi ona do <3> etapu zwiększania ciśnienia ze <2> stanem gotowości między jednym a drugim.
Również w trzeciej kolumnie adsorpcyjnej A3 zostaje przeprowadzony etap początkowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) po etapie dekompresji.
Ponadto, w czwartej kolumnie adsorpcyjnej A4 zostaje przeprowadzony etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) i przechodzi ona do etapu końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) ze stanem gotowości między jednym a drugim.
<4> Etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia)
W pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1, w której zakończył się etap adsorpcji zostaje przeprowadzony etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) między nią a trzecią kolumną adsorpcyjną A3, w której zostaje przeprowadzony etap końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia). Oznacza to, że niezaadsorbowany gaz w kolumnie jest odprowadzany przez zawór przełączający V15 linii wyrównywania ciśnienia L15 i jest przesyłany do trzeciej kolumny adsorpcyjnej A3 przez zawór przełączający V35 linii wyrównywania ciśnienia L35. Zatem, wyrównywanie ciśnienia zostaje przeprowadzone między pierwszą kolumną adsorpcyjną A1 a trzecią kolumną adsorpcyjną A3 w stanie ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia, a pierwsza kolumna adsorpcyjna A1 przechodzi do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia, jak pokazano na FIG. 3.
Należy zauważyć, że w tym czasie dzięki działaniu zaworów otwierających/ zamykających itp., jak pokazano na FIG. 2, w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 zostaje przeprowadzony etap adsorpcji, a w czwartej kolumnie adsorpcyjnej A4 zostaje przeprowadzony etap dekompresji.
<5> Etap gotowości
Następnie, pierwsza kolumna adsorpcyjna A1 wchodzi w stan gotowości i utrzymywany jest stan ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia, przy jednoczesnym zachowaniu równowagi w czasie z etapem adsorpcji, który wymaga najwięcej czasu. W tym czasie w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 zostaje przeprowadzony etap adsorpcji, trzecia kolumna adsorpcyjna A3 jest również na etapie gotowości, a czwarta kolumna adsorpcyjna A4 kontynuuje etap dekompresji.
<6> Etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia)
Następnie w pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1 zostaje przeprowadzony etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) między nią a czwartą kolumną adsorpcyjną A4, która zakończyła etap dekompresji i w której przeprowadzany jest etap początkowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia). Oznacza to, że każdy niezaadsorbowany gaz w kolumnie i początkowo zaadsorbowany gaz składający się głównie z powietrza z adsorbentu A11 jest odprowadzany przez zawór przełączający V15 linii wyrównywania ciśnienia L15 i jest przesyłany do czwartej kolumny adsorpcyjnej A4 przez zawór przełączający V45 linii wyrównywania ciśnienia L45. W związku z tym, jak pokazano na FIG. 3, wyrównywanie ciśnienia zostaje przeprowadzone między pierwszą kolumną adsorpcyjną A1, a czwartą kolumną adsorpcyjną A4, która zakończyła etap dekompresji i znajduje się w stanie niskiego ciśnienia, a pierwsza kolumna adsorpcyjna A1 przechodzi w stan ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia.
PL 232 322 B1
Należy zauważyć, że w tym czasie dzięki działaniu zaworów otwierających/ zamykających itp., jak pokazano na FIG. 2, w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 zostaje przeprowadzony etap adsorpcji, a w trzeciej kolumnie adsorpcyjnej A3 zostaje przeprowadzony etap zwiększania ciśnienia.
<7 do 8> Etap dekompresji
Pierwsza kolumna adsorpcyjna A1, która osiągnęła stan ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia jest w stanie, w którym gaz metanowy o wysokim stężeniu zostaje zaadsorbowany na adsorbent A11 w kolumnie, a gaz metanowy o wysokim stężeniu zaadsorbowany na adsorbent A11 zostaje odzyskany przez przeprowadzenie etapu dekompresji polegającym na dekompresji wnętrza kolumny ze stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia do stanu niskiego ciśnienia. Oznacza to, że zatężony gaz metanowy jest odzyskiwany do zbiornika produktu gazowego T3 przez zawór przełączający V13 linii odzysku L13 dzięki mocy pompy próżniowej P3. W związku z tym, jak pokazano na FIG. 3, pierwsza kolumna adsorpcyjna A1 przechodzi ze stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia do stanu niskiego ciśnienia.
Obciążenie pompy próżniowej P3 w tym czasie odpowiada ciśnieniu różnicowemu ze stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia do stanu niskiego ciśnienia i jest zatem mniejsze niż to, które było wymagane do zmniejszenia ciśnienia ze stanu ciśnienia pośredniego do stanu niskiego ciśnienia w przeszłości.
Należy zauważyć, że w tym czasie dzięki działaniu zaworów otwierających/ zamykających itp., jak pokazano na FIG. 2, w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 zostaje przeprowadzony <7> etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) między nią a czwartą kolumną adsorpcyjną A4, a następnie wchodzi ona w <8> etap gotowości.
Ponadto, etap adsorpcji przebiega w trzeciej kolumnie adsorpcyjnej A3.
Co więcej, w czwartej kolumnie adsorpcyjnej A4 zostaje przeprowadzony <7> etap końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), a następnie przechodzi ona do <8> etapu gotowości.
<9> Etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia)
W pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1, która weszła w stan niskiego ciśnienia i uwolniła zaadsorbowany gaz metanowy i w której adsorbent A11 został zregenerowany, zostaje przeprowadzony etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) między nią a drugą kolumną adsorpcyjną A2, przywracając w ten sposób ciśnienie w kolumnie i odbierając gaz odlotowy, który został odprowadzony na etapie końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 i w której stężenie metanu wzrosło pod wpływem wstępnie zaadsorbowanego gazu z adsorbentu A21. Oznacza to, że gaz w kolumnie odprowadzony z drugiej kolumny adsorpcyjnej A2 w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia jest odbierany w liniach wyrównywania ciśnienia L15 do L25 przez zawory przełączające V15 i V25. W związku z tym, jak pokazano na FIG. 3 pierwsza kolumna adsorpcyjna A1 przywraca swoje ciśnienie ze stanu niskiego ciśnienia do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia.
Należy zauważyć, że w tym czasie dzięki działaniu zaworów otwierających/ zamykających itp., jak pokazano na FIG. 2, trzecia kolumna adsorpcyjna A3 kontynuuje etap adsorpcji, a w czwartej kolumnie adsorpcyjnej A4 zostaje przeprowadzony etap zwiększania ciśnienia.
<10> Etap końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia)
Pierwsza kolumna adsorpcyjna A1, która przywróciła swoje ciśnienie do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia podejmuje próby dalszego przywracania ciśnienia w kolumnie poprzez przeprowadzenie następnie etapu końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) między nią a trzecią kolumną adsorpcyjną A3, w której zostaje przeprowadzony etap adsorpcji natychmiast po zakończeniu etapu początkowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia). Oznacza to, że gaz w kolumnie odprowadzony z trzeciej kolumny adsorpcyjnej A3 w stanie wysokiego ciśnienia jest odbierany w liniach wyrównywania ciśnienia L15 do L35 przez zawory przełączające V15 i V35. W związku z tym, jak pokazano na FIG. 3, pierwsza kolumna adsorpcyjna A1 przywraca swoje ciśnienie ze stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia.
Należy zauważyć, że w tym czasie dzięki działaniu zaworów otwierających/ zamykających itp., jak pokazano na FIG. 2, w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 zostaje przeprowadzony etap dekompresji, a w czwartej kolumnie adsorpcyjnej A4 zostaje przeprowadzony etap adsorpcji.
<11> Etap gotowości
Następnie pierwsza kolumna adsorpcyjna A1 wchodzi w stan gotowości i utrzymywany jest stan ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia, przy jednoczesnym zachowaniu równowagi
PL 232 322 B1 w czasie z etapem adsorpcji, który wymaga najwięcej czasu. W tym czasie w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 zostaje przeprowadzony etap dekompresji, trzecia kolumna adsorpcyjna A3 jest również na etapie gotowości, a czwarta kolumna adsorpcyjna A4 kontynuuje etap adsorpcji.
<12> Etap zwiększania ciśnienia
Ciśnienie pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1, która przywróciła swoje ciśnienie do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia zostaje przywrócone do stanu wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego przez doprowadzenie powietrza. Oznacza to, że powietrze atmosferyczne wpływa do pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 przez zawór przełączający V14 z linii zwiększania ciśnienia L14. W związku z tym, wnętrze pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 zostaje przywrócone do stanu wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego i jest regenerowane do stanu, w którym będzie możliwość adsorbowania gazu metanowego zawartego w gazie kopalnianym poprzez doprowadzenie gazu kopalnianego.
Należy zauważyć, że w tym czasie dzięki działaniu zaworów otwierających/ zamykających itp., jak pokazano na FIG. 2, w drugiej kolumnie adsorpcyjnej A2 zostaje przeprowadzony etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), a w trzeciej kolumnie adsorpcyjnej A3 zostaje przeprowadzony etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), tj. przeprowadzają one wyrównywanie ciśnienia między sobą. Ponadto, w czwartej kolumnie adsorpcyjnej A4 zostaje przeprowadzony etap adsorpcji.
<13> Przechodzenie rozkładu stężenia gazu metanowego w kolumnie adsorpcyjnej
Oznacza to, że rozkład stężenia gazu metanowego w pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1 podczas powyższych etapów przebiega, jak pokazano na FIG. 5.
Oznacza to także, że gaz kopalniany o średnim stężeniu metanu jest doprowadzany do kolumny adsorpcyjnej na etapie adsorpcji, gaz odlotowy nie zawierający zasadniczo gazu metanowego jest odprowadzany, a w wyniku tego, stężenie metanu w kolumnie wzrasta.
Etap adsorpcji kończy się, gdy stężenie metanu w odprowadzanym gazie odlotowym osiągnie pewną wartość progową, a metoda przechodzi do etapu wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia). W tym stanie żaden gaz nie jest doprowadzany do pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 i w kolumnie występuje tylko przepływ gazu powodowany rozszerzaniem, dyfuzją i początkowo zaadsorbowany gaz z gazu zaadsorbowanego na adsorbencie A11. Następnie gaz składający się głównie z gazu niezaadsorbowanego pozostającego w przestrzeni komory itp. w pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1 i zawierający metan o stosunkowo niskim stężeniu jest odprowadzany z górnej części pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 na zewnątrz pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1.
Następnie na etapie, w którym przeprowadzany jest etap końcowego wyrównywania ciśnienia przez etap gotowości, gaz zawierający metan o średnim stężeniu o stosunkowo wysokim stężeniu gazu metanowego i zawierający początkowo desorbowany gaz zdesorbowany z adsorbentu A11 w pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1 jest odprowadzany na zewnątrz pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1. Następnie na tym etapie tworzy się obszar wysokiego stężenia metanu w obszernej strefie w dolnej części pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1, a gaz zawierający metan o średnim stężeniu jest zatrzymywany w jej górnej części. Gdy etap dekompresji zostanie przeprowadzony w tym stanie, gaz metanowy o wysokim stężeniu może być odbierany z dolnej części pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1. Podczas gdy gaz metanowy jest odzyskiwany w określonym z góry zakresie stężeń, metan jest adsorbowany na adsorbencie A11 w pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1 w rozkładzie stężeń, w którym stężenie gazu metanowego wzrasta w kierunku dolnej części.
Gdy przeprowadzany jest etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) po etapie dekompresji, gaz zawierający metan o średnim stężeniu wpływa do pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1. Gaz ten przemieszcza się w dół, będąc jednocześnie adsorbowanym na adsorbencie A11. W zasadzie gaz metanowy o średnim stężeniu jest zazwyczaj adsorbowany na adsorbencie A11 w górnej części pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1, ponieważ dolna część pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 jest w stanie szczelnie zamkniętym, lecz gaz ma silną tendencję do wpływania w taki sposób, aby ulegał dyfuzji i był adsorbowany przez wnętrze kolumny, oraz ją wypełniał tak, aby zwiększyć całkowite stężenie metanu we wnętrzu pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1. Zatem, stan, w którym metan adsorbowany jest na adsorbencie A11 w rozkładzie stężeń, w którym stężenie gazu metanowego wzrasta w kierunku dolnej części pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 jest utrzymywany, a różnica stężeń między górną częścią a dolną częścią pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 jest zmniejszona o pewną wielkość z uwagi na prędkość dyfuzji gazu zawierającego metan o średnim stężeniu.
Gdy przeprowadzany jest dalej etap końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), gaz zawierający metan o niskim stężeniu wpływa do pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1. Następnie cały
PL 232 322 B1 rozkład stężeń kolumnie jest utrzymywany w rozkładzie stężeń, w którym stężenie gazu metanowego wzrasta w kierunku dolnej części pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1, natomiast nierównomierny rozkład stężeń w górnej części kolumny zostaje złagodzony. Podobnie, gdy przeprowadzany jest dalej etap zwiększania ciśnienia, powietrze wolne od metanu jest doprowadzane z górnej części, a więc utrzymywany jest rozkład stężeń, w którym stężenie gazu metanowego wzrasta w kierunku dolnej części pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1.
Ponadto im niższe wewnętrzne ciśnienie kolumny, tym mniejsza szybkość dyfuzji gazu wprowadzonego do pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 w pierwszej kolumnie adsorpcyjnej A1. W związku z tym, istnieje większe prawdopodobieństwo, że gaz lub powietrze o niższym stężeniu metanu pozostanie w górnej części kolumny, a zatem można również przyjąć, że rozkład stężeń, w którym stężenie gazu metanowego wzrasta w kierunku dolnej części pierwszej kolumny adsorpcyjnej A1 ma zwykle stromy gradient, gdy etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) przeprowadza się w sposób rozdzielony większą ilość razy.
W związku z tym, na etapie wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) gaz jest stopniowo odprowadzany z wnętrza kolumny, tak że stężenie metanu stopniowo wzrasta. Odwrotnie na etapie wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), gaz jest stopniowo wprowadzany do kolumny, tak że stężenie metanu stopniowo spada. Zatem, gaz metanowy odzyskany na etapie dekompresji jest zawsze odzyskiwany z obszaru o najwyższym stężeniu metanu w kolumnie, dzięki czemu można zwiększać stężenie odzyskanego gazu metanowego.
P r z y k ł a d
Zastosowano cztery kolejne kolumny adsorpcyjne i wypełniono adsorbentami A11 do A41. Kolumny adsorpcyjne połączono za pomocą przewodów rurowych, jak pokazano na FIG. 1, w postać urządzenia do zatężania metanu. Do tego urządzenia do zatężania metanu doprowadzono symulowany gaz kopalniany o prędkości przepływu 17 l/min i przeprowadzono operację zatężania gazu metanowego pokazaną na FIG. 2 i 3 w następujących warunkach.
Kolumna adsorpcyjna: Cylindryczna o średnicy wewnętrznej: 54 mm i pojemności: 4,597 I)
Cztery kolumny
Adsorbent: Węgiel aktywny
Uzyskany przez zastosowanie, jako materiału węglowego, węglika powstałego na skutek całkowitego zwęglenia łupin drzewa palmowego lub węgla z łupin drzewa palmowego w azocie w temperaturze 600°C i rozdrobnienie węglika na cząsteczki o średnicy od 1 do 3 mm i aktywowanie materiału węglowego w atmosferze od 10 do 15% objętościowych pary wodnej, 15 do 20% objętościowych dwutlenku węgla i azotu jako pozostałość w temperaturze 860°C przy użyciu pieca wsadowego z aktywacją przepływu o średnicy wewnętrznej 50 mm.
Średnica porów: 8,5 A (średnia średnica porów mierzona metodą MP)
Objętość porów: 0,45 ml/g (objętość mierzona metodą HK)
Stosunek objętości porów o średniej średnicy porów 10 A lub mniejszej do całkowitej objętości porów: 83% (stosunek wielkości adsorpcji azotu w warunkach względnego ciśnienia 0,013 lub mniejszego był taki sam)
Powierzchnia właściwa: 1025 m2/g (powierzchnia właściwa mierzona metodą BET)
Zdolność adsorpcji gazu metanowego przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze 298 K: 27 NmL/g
Symulowany gaz kopalniany: Metan 20%
Azot 80%
Warunki pracy
Prędkość przepływu: 17 l/min
Ciśnienie adsorpcji gazu (ciśnienie manometryczne): 14 kPa
Ciśnienie desorpcji gazu (ciśnienie manometryczne): -99 kPa
Warunek zakończenia etapu adsorpcji: aż stężenie metanu w gazach odlotowych osiągnęło 3% objętościowe (144 sekundy).
W rezultacie otrzymano gaz metanowy o stężeniu metanu 57,1% objętościowych przy prędkości przepływu 5,1 l/min jako produkt gazowy.
P r z y k ł a d Porównawczy 1. Porównanie z adsorpcją zmiennociśnieniową PSA w trzech kolumnach
Do oceny wydajności urządzenia do zatężania metanu według niniejszego wynalazku przeprowadzono operację zatężania gazu metanowego przy użyciu tradycyjnego urządzenia do adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA. W szczególności zapewniono następujące trzy kolumny adsorpcyjne A1
PL 232 322 B1 do A3 i wypełniono je następującymi adsorbentami A11 do A31. Kolumny adsorpcyjne A1 do A3 połączono za pomocą przewodów rurowych, jak pokazano na FIG. 6, tym samym zapewniając urządzenie do zatężania metanu. Do tego urządzenia do zatężania metanu doprowadzono symulowany gaz kopalniany o prędkości przepływu 17 l/min i przeprowadzono operację zatężania gazu metanowego pokazaną na FIG. 7 i 8 w następujących warunkach pracy. Należy zauważyć, że na FIG. 6 do 8 te same konfiguracje, co w poprzednich przykładach wykonania (FIG. 1 do 3) są oznaczone tymi samymi numerami referencyjnymi i nazwami, a ich opis jest pominięty.
Kolumna adsorpcyjna: Cylindryczna (średnica wewnętrzna: 54 mm, pojemność: 4,597 I)
Trzy kolumny
Adsorbent: Węgiel aktywny (tak samo, jak w Przykładzie)
Symulowany gaz kopalniany: Metan 20%
Azot 80% (tak samo, jak w Przykładzie)
Warunki pracy
Prędkość przepływu: 17 l/min
Ciśnienie adsorpcji gazu (ciśnienie manometryczne): 14 kPa Ciśnienie desorpcji gazu (ciśnienie manometryczne): -99 kPa
Warunek zakończenia etapu adsorpcji: aż stężenie metanu w gazach odlotowych osiągnęło 3% objętościowe (179 sekund) (tak samo, jak w Przykładzie)
W rezultacie otrzymano gaz metanowy o stężeniu metanu 54,1% objętościowych przy prędkości przepływu 5,4 l/min jako produkt gazowy.
Porównanie tych wyników pokazało, że stosując metodę zatężania metanu według niniejszego wynalazku, jak opisano w Przykładzie skrócono czas wymagany do zakończenia etapu adsorpcji, lecz stężenie gazu metanowego otrzymanego produktu gazowego wzrosło o około 3%, co umożliwiło zatężanie gazu metanowego o wysokim stężeniu.
Ponadto, stwierdzono, że podczas gdy obciążenie pompy próżniowej wynosiło 67 kPa w Przykładzie Porównawczym 1, gaz metanowy był desorbowany z obciążeniem około 38 kPa w przykładzie, a szybkość przepływu otrzymanego produktu gazowego nie zmieniła się znacznie, co umożliwiło znaczne zmniejszenie mocy wymaganej do operacji zatężania metanu.
P r z y k ł a d Porównawczy 2. Wpływ sposobu połączenia linii wyrównywania ciśnienia na etapie wyrównywania ciśnienia
Podczas realizacji wyżej opisanej metody zatężania gazu metanowego, przeprowadzono operacje wyrównywania ciśnienia w górnych częściach kolumn adsorpcyjnych i zbadano wpływ na efekt zatężania metanu według ścieżek, wzdłuż których przeprowadzono operacje wyrównywania ciśnienia.
W szczególności urządzenie do zatężania metanu zostało stworzone w taki sam sposób, jak w Przykładzie (FIG. 1), z wyjątkiem, że urządzenie do wyrównywania ciśnienia 5 zostało utworzone poprzez zapewnienie dolnej linii do wyrównywania ciśnienia L16 do L46, w tym zawory przełączające V16 do V46 poniżej kolumn adsorpcyjnych A1 do A4 i zapewnienie linii do przekazywania L56 do połączenia linii do wyrównywania ciśnienia L15 do L45 oraz dolnych linii do wyrównywania ciśnienia L16 do L46, jak pokazano na FIG. 9. Urządzenie do zatężania metanu zostało skonfigurowane tak, że gaz wewnątrz kolumny może być przekazywany zarówno z górnej jak i dolnej strony dowolnej kolumny adsorpcyjnej A1 do A4 zarówno do górnej jak i dolnej strony innej kolumny adsorpcyjnej A1 do A4 poprzez sterowanie przełączaniem zaworów przełączających V11 do V46.
Tabela 1 przedstawia wyniki porównania stężeń produktu gazowego otrzymanych dzięki takiej konfiguracji poprzez różne zmiany sposobu przesyłania dla przesyłania gazu z kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia).
PL 232 322 Β1
Tabela 1
Etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) -> Etap początkowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) Obniżanie Obniżanie Zwiększanie Obniżanie Zwiększanie Zwiększanie
Etap początkowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) —> Etap Obniżanie Zwiększanie Zwiększanie
końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) Obniżanie Zwiększanie Zwiększanie
Stężenie gazu metanowego w produkcie gazowym (% objętościowych) 47,9 54,1 57,1
Czas adsorpcji (s) 123 148 144
Stopień odzysku(%) 92,9 92 90
Tabela 1 pokazała, że w przypadku zastosowania wyżej opisanej metody zatężania gazu metanowego, sposób, w jaki gaz w kolumnie jest przekazywany z górnej części do górnej części jest szczególnie korzystny, jako sposób przesyłania do przesyłania gazu z kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia). Oznacza to, że w przypadku przeprowadzania każdego etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) i etapu wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) dwuetapowo, zaobserwowano niemal 10% poprawę czystości gazu metanowego w produkcie gazowym, w porównaniu do sytuacji, w której dolna część kolumny adsorpcyjnej była używana do przesyłania gazu na dowolnym etapie wyrównywania ciśnienia. Zbadano również różne kombinacje, a przykład przedstawiający drugą najwyższą czystość gazu metanowego to przypadek opisany w Dokumencie Patentowym 2, w którym przesył gazu jest realizowany z górnej części kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) do dolnej części kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap początkowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), a przesył gazu realizowany jest z górnej części kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap początkowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) do górnej części kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia). Stwierdzono, że również w porównaniu z tym przypadkiem, produkt gazowy o czystości gazu metanowego około 3% większej był możliwy do uzyskania.
Inne przykłady wykonania
Mimo, że etap zwiększania ciśnienia był przeprowadzany do ciśnienia atmosferycznego w poprzednim przykładzie wykonania, zastosowanie dmuchawy lub pompy w liniach zwiększania ciśnienia jest korzystne tam, gdzie konieczne jest zwiększenie wewnętrznego ciśnienia kolumny do wartości nieco wyższej niż ciśnienie atmosferyczne, ponieważ może to poprawić efektywność pracy.
Mimo, że gaz odlotowy odprowadzany z urządzenia uwalniającego 2 jest bezpośrednio uwalniany do atmosfery w poprzednim przykładzie wykonania, możliwe jest zastosowanie zbiornika gazu wylotowego w liniach uwalniających i tymczasowe przechowywanie w nim gazu odlotowego. Ten gaz odlotowy może być również wykorzystywany jako powietrze zwiększające ciśnienie.
Adsorbentów, które adsorbują metan nie ogranicza się do adsorbentów opisanych powyżej. Każdy adsorbent może być skutecznie wykorzystany, o ile ma on właściwości selektywnego adsorbowania gazu metanowego zawartego w powietrzu w stanie wysokiego ciśnienia i desorbowania zaadsorbowanego gazu metanowego w stanie niskiego ciśnienia. Ma on także właściwość preferencyjnego desorbowania powietrza podczas desorbowania gazu metanowego, jak pokazano na FIG. 4, i zastosowanie mają różne znane adsorbenty.
Jednakże oczywistym jest, że wyżej opisany węgiel aktywny o średniej średnicy porów wynoszącej 4,5 do 15 A mierzonej za pomocą metody MP i o wielkości adsorpcji gazu metanowego w warunkach ciśnienia atmosferycznego i przy temperaturze 298 K wynoszącej 20 Nml/g lub więcej ma szczególnie wysoki stopień efektywności w stosowaniu wyżej opisanej metody zatężania gazu metanowego.
PL 232 322 B1
Mimo, że wyżej opisany przykład wykonania przedstawia przykład, w którym zastosowano cztery kolumny adsorpcyjne, ta sama metoda zatężania gazu metanowego może być również stosowana przy zastosowaniu pięciu lub więcej kolumn adsorpcyjnych.
Dla przykładu, w przypadku zastosowania pięciu kolumn adsorpcyjnych, możliwe jest przyjęcie konfiguracji, jak pokazano na FIG. 10 i zastosowanie trybu pracy pokazanego na FIG. 11 i 12. Mimo, że pominięto tu opis szczegółowy, działanie metody zatężania gazu metanowego opisanej na FIG. 11 i 12 odpowiada działaniu metody zatężania gazu metanowego, według przykładu wykonania pokazanego na FIG. 2 i 3. Na FIG. 10 do 12 te same układy, co w poprzednim przykładzie wykonania (FIG. 1 do 3) są oznaczone tymi samymi numerami referencyjnymi i nazwami, a ich opis został pominięty. Tutaj, w odróżnieniu poprzedniego przykładu wykonania, etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) i etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) zostaną opisane poniżej.
Odnosząc się do FIG. 12, przy założeniu, że skoro stan ciśnienia pośredniego między stanem wysokiego ciśnienia, w którym przeprowadzany jest etap adsorpcji, a stanem niskiego ciśnienia, w którym przeprowadzany jest etap dekompresji, pierwszy, drugi i trzeci stan ciśnienia, w którym wewnętrzne ciśnienia kolumn adsorpcyjnych są różne są ustawione, a ciśnienie zwiększa się w tym porządku, można zauważyć, że operacja przesyłania gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie ciśnienia pośredniego pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie jednej z kolumn adsorpcyjnych w celu przywrócenia ciśnienia w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia odpowiada etapowi początkowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegającemu na przesyłaniu z jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie wysokiego ciśnienia gazu w kolumnie adsorpcyjnej do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w drugim stanie ciśnienia, aby osiągnąć pierwszy stan ciśnienia; oraz operacja przesyłania gazu, na etapie końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia pod ciśnieniem wyższym niż stan niskiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie niskiego ciśnienia w celu przywrócenia ciśnienia w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia odpowiada etapowi końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegającemu na przesyłaniu gazu z jednej kolumny adsorpcyjnej będącej w drugim stanie ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby osiągnąć trzeci stan ciśnienia.
Ponadto, jako środkowy etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), etap przesyłania gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w pierwszym stanie ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w trzecim stanie ciśnienia w celu przywrócenia ciśnienia w jednej z kolumn adsorpcyjnych do drugiego stanu ciśnienia jest zawarty w etapie wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia).
To samo odnosi się do etapów wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia).
Zastosowanie w przemyśle
Metoda zatężania gazu metanowego według niniejszego wynalazku może być stosowana do odzyskiwania gazu metanowego z gazu kopalnianego, który dotychczas odrzucano oraz do zatężania i ponownego wykorzystywania gazu metanowego.
Wykaz oznaczeń referencyjnych
1: Urządzenie doprowadzające
2: Urządzenie uwalniające
3: Urządzenie do odzysku
4: Urządzenie do zwiększania ciśnienia
5: Urządzenie do wyrównywania ciśnienia
A1: Pierwsza kolumna adsorpcyjna
A2: Druga kolumna adsorpcyjna
A3: Trzecia kolumna adsorpcyjna
A4: Czwarta kolumna adsorpcyjna
C: Urządzenie sterujące
L11: Linia doprowadzająca
L12: Linia uwalniająca
L13: Linia odzysku
L14: Linia zwiększania ciśnienia
L15: Linia wyrównywania ciśnienia
PL 232 322 B1
L16: Dolna linia wyrównywania ciśnienia
L56: Linia adwekcyjna
P1: Pompa doprowadzająca
P3: Pompa próżniowa
T1: Zbiornik gazu źródłowego
T3: Zbiornik produktu gazowego
V11 do V46: Zawory przełączające

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe
1. Sposób zatężania gazu metanowego obejmujący:
zastosowanie czterech lub więcej kolumn adsorpcyjnych wypełnionych adsorbentem, który adsorbuje gaz metanowy w gaz zawierający metan; oraz przeprowadzenie, dla każdej kolumny adsorpcyjnej, cyklu adsorpcji zmiennociśnieniowej PSA powtarzających się w porządku:
etapu adsorpcji polegającego na odbiorze doprowadzenia gazu zawierającego metan w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego z dolnej części kolumny adsorpcyjnej, zaadsorbowaniu gazu metanowego na adsorbencie i uwolnieniu gazu wylotowego składającego się głównie z powietrza z górnej części kolumny adsorpcyjnej;
etapu wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegającego na przesyłaniu gazu w kolumnie adsorpcyjnej, która zakończyła etap adsorpcji i jest w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej w stanie niższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego;
etapu dekompresji, po obniżeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), polegającego na dalszej dekompresji adsorbentu do stanu niskiego ciśnienia w celu desorpcji gazu metanowego zaadsorbowanego na adsorbencie i odzyskania tego gazu metanowego z dolnej części kolumny adsorpcyjnej;
etapu wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), po ukończeniu etapu dekompresji, polegającego na odbiorze gazu z innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie wyższego ciśnienia, aby doprowadzić we wnętrzu kolumny adsorpcyjnej do stanu ciśnienia pośredniego; oraz etapu zwiększania ciśnienia, po zwiększeniu wewnętrznego ciśnienia kolumny na etapie wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), polegającego na dalszym doprowadzaniu powietrza zwiększającego ciśnienie do kolumny adsorpcyjnej z górnej części kolumny adsorpcyjnej w celu przywrócenia adsorbentu do stanu wysokiego ciśnienia, w którym będzie mógł selektywnie adsorbować gaz metanowy, znamienny tym, że adsorbent ma:
właściwość selektywnego adsorbowania gazu metanowego zawartego w powietrzu w stanie wysokiego ciśnienia zbliżonego do ciśnienia atmosferycznego i desorbowania zaadsorbowanego gazu metanowego w stanie niskiego ciśnienia, oraz właściwość preferencyjnego desorbowania powietrza podczas desorpcji gazu metanowego, wiele różnych stanów ciśnienia wewnętrznego ciśnienia kolumny adsorpcyjnej jest ustawionych jako stan ciśnienia pośredniego, sposób obejmuje, jako etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegający na przesyłaniu gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie ciśnienia pośredniego pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie jednej z kolumn adsorpcyjnych, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia, oraz etap końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) polegający na przesyłaniu gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia pod ciśnieniem wyższym niż stan niskiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia, etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) obejmuje:
PL 232 322 B1 etap wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) polegający na odbiorze gazu w jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia do innej kolumny adsorpcyjnej będącej w stanie niskiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia; oraz etap końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) polegający na odbiorze, do jednej z kolumn adsorpcyjnych będącej w stanie ciśnienia pośredniego po stronie niskiego ciśnienia, gazu w innej kolumnie adsorpcyjnej będącej w stanie wysokiego ciśnienia, aby doprowadzić w jednej z kolumn adsorpcyjnych do stanu ciśnienia pośredniego po stronie wysokiego ciśnienia, oraz gaz jest przesyłany z jednej z kolumn adsorpcyjnych, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych do górnej części drugiej kolumny adsorpcyjnej.
2. Sposób zatężania gazu metanowego według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że etap wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) składa się z etapu wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) i etapu końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia), a etap wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) składa się z etapu wstępnego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia) i etapu końcowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia), gaz odprowadzany z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych na etapie wstępnego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) jest doprowadzany do górnej części innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzane jest końcowe wyrównywanie ciśnienia (zwiększanie ciśnienia), oraz gaz odprowadzany z górnej części jednej z kolumn adsorpcyjnych na etapie końcowego wyrównywania ciśnienia (obniżania ciśnienia) jest doprowadzany do innej kolumny adsorpcyjnej, w której przeprowadzany jest etap początkowego wyrównywania ciśnienia (zwiększania ciśnienia).
3. Sposób zatężania gazu metanowego według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że gaz zawierający metan składa się głównie z jednego gazu wyselekcjonowanego z gazu kopalnianego, biogazu, gazu reformowanego oraz gazu ziemnego.
4. Sposób zatężania gazu metanowego według jednego z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienny tym, że adsorbent zawiera, jako główny składnik, co najmniej jeden wybrany z grupy składającej się z węgla aktywnego, zeolitu, żelu krzemionkowego i organometalicznego związku kompleksowego o średniej średnicy porów wynoszącej 4,5 do 15 A mierzonej za pomocą metody MP i o wielkości adsorpcji gazu metanowego w warunkach ciśnienia atmosferycznego i przy temperaturze 298 K wynoszącej 20 Nml/g lub więcej.
PL414056A 2013-03-04 2014-02-27 Sposób zatężania gazu metanowego PL232322B1 (pl)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-041898 2013-03-04
JP2013041898A JP5968252B2 (ja) 2013-03-04 2013-03-04 メタンガス濃縮方法
PCT/JP2014/054844 WO2014136645A1 (ja) 2013-03-04 2014-02-27 メタンガス濃縮方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL414056A1 PL414056A1 (pl) 2016-08-01
PL232322B1 true PL232322B1 (pl) 2019-06-28

Family

ID=51491164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL414056A PL232322B1 (pl) 2013-03-04 2014-02-27 Sposób zatężania gazu metanowego

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9944575B2 (pl)
JP (1) JP5968252B2 (pl)
CN (1) CN105026528B (pl)
AU (1) AU2014227178B2 (pl)
PL (1) PL232322B1 (pl)
RU (1) RU2015141854A (pl)
UA (1) UA115467C2 (pl)
WO (1) WO2014136645A1 (pl)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017177066A (ja) * 2016-03-31 2017-10-05 大阪瓦斯株式会社 圧力変動吸着式ガス製造装置
JP6692315B2 (ja) * 2017-03-16 2020-05-13 大阪瓦斯株式会社 圧力変動吸着式水素製造装置
CN108031240A (zh) * 2017-12-18 2018-05-15 洛阳健阳科技有限公司 一种基于heu型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置
EP3806982A1 (en) 2018-06-14 2021-04-21 SYSADVANCE - Sistemas de Engenharia S.A. Multi-stage psa process to remove contaminant gases from raw methane streams
CN108896436B (zh) * 2018-07-18 2021-07-20 中煤科工集团重庆研究院有限公司 一种煤的甲烷常压吸附量测定系统
CN109126380B (zh) * 2018-09-20 2020-12-18 北京科技大学 一种带排气端空气升压的煤矿瓦斯富集装置及其方法
WO2020242863A1 (en) * 2019-05-24 2020-12-03 Entegris, Inc. Methods and systems for adsorbing organometallic vapor
CN113041782B (zh) * 2021-03-15 2021-12-17 西南化工研究设计院有限公司 一种气体变压吸附分离提纯系统及其分离提纯方法
CN113797704B (zh) * 2021-10-20 2022-07-12 中国矿业大学 一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法及系统
WO2025128829A1 (en) * 2023-12-13 2025-06-19 Ameresco, Inc. Gradient separator system and method
CN121068408B (zh) * 2025-11-06 2026-03-06 重庆医药高等专科学校附属第一医院 医疗实验室有毒气体分级吸附的实时监测系统

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5512295B1 (pl) * 1970-04-10 1980-04-01
IT1123460B (it) * 1978-07-10 1986-04-30 Westinghouse Canada Ltd Metodo per riscaldare le palette direttrici in una turbina a gas
JPS58198591A (ja) 1982-05-14 1983-11-18 Shigeji Honda メタン濃縮法
DE3716898A1 (de) 1987-05-20 1988-12-15 Bergwerksverband Gmbh Verfahren und vorrichtung zur heliumanreicherung
PL163229B1 (pl) 1990-09-27 1994-02-28 Inst Ciezkiej Syntezy Orga Sposób selektywnej adsorpcji zmiennoclśnlenlowej
DE4400197A1 (de) 1994-01-05 1995-07-06 Linde Ag Adsorptionsverfahren
PL318330A1 (en) 1997-02-03 1998-08-17 Inst Ciezkiej Syntezy Orga Method of carrying on a variable-pressure adsorption process
US6699307B1 (en) 2002-10-11 2004-03-02 H2Gen Innovations, Inc. High recovery PSA cycles and apparatus with reduced complexity
CN1250321C (zh) 2004-06-11 2006-04-12 成都天立化工科技有限公司 一种两段全回收变压吸附气体分离方法
CN100444933C (zh) * 2006-03-22 2008-12-24 四川省达科特化工科技有限公司 一种变压吸附法回收低分压气体的方法
DE202010017546U1 (de) 2010-03-12 2012-03-06 Dge Dr.-Ing. Günther Engineering Gmbh Vorrichtung zur adsorptiven Trocknung von gereinigtem Biogas und Regenerierung beladener Adsorptionsmittel
JP5537208B2 (ja) * 2010-03-24 2014-07-02 大阪瓦斯株式会社 可燃性ガス濃縮方法
CN102380285B (zh) * 2011-10-11 2014-01-15 北京科技大学 多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法及装置
CN102861499A (zh) * 2012-08-31 2013-01-09 杭州宝诺空分设备有限公司 四塔变压吸附气体分离方法及其设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN105026528B (zh) 2018-05-11
US20160016866A1 (en) 2016-01-21
AU2014227178B2 (en) 2017-10-19
CN105026528A (zh) 2015-11-04
JP2014169383A (ja) 2014-09-18
WO2014136645A1 (ja) 2014-09-12
JP5968252B2 (ja) 2016-08-10
US9944575B2 (en) 2018-04-17
RU2015141854A (ru) 2017-04-07
UA115467C2 (uk) 2017-11-10
PL414056A1 (pl) 2016-08-01
AU2014227178A1 (en) 2015-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
PL232322B1 (pl) Sposób zatężania gazu metanowego
KR100254295B1 (ko) 단일 흡착 베드를 이용한 압력 스윙 흡착 방법
JP3464766B2 (ja) 吸着材床の頂部及び底部の同時排気を用いたｐｓａ方法
PL234955B1 (pl) Sposób oczyszczania gazu
JP2004154761A (ja) 供給ガスの処理方法及び装置
CN103521033B (zh) 一种火驱采油中次生气的净化回收方法
US20250128201A1 (en) Method and system for upgrading biogas using psa
US12458917B2 (en) System for recovering methane from a biogas
JP6351721B2 (ja) ガス濃縮方法
CN110354637A (zh) 一种变压吸附法增浓易吸附气体的方法
EP3369703A1 (en) Hydrogen recovery method
JP2017148715A (ja) 圧力変動吸着式水素製造装置およびその運転方法
JP2017226562A (ja) 水素ガス製造方法及び水素ガス製造装置
CN105188885A (zh) 甲烷和氮的分离方法
PL220637B1 (pl) Sposób wzbogacania gazu palnego
JPH0459358B2 (pl)
CN104357118B (zh) 一种提高液化天然气回收率的方法
CN104312650B (zh) 一种提高液化天然气回收率的系统
JP2017218363A (ja) 水素ガス製造方法及び水素ガス製造装置
CN120094347A (zh) 一种加压吸收吸附油气回收工艺
CN102329642A (zh) 脱除催化裂化干气中丙烯及c3以上组分的方法
JPH01274822A (ja) 圧力変動吸着方式による酸素ガスの精製方法