DE3045451C2

DE3045451C2 - Verfahren und Einrichtung zur Gasaufbereitung unter Anwendung der Druckswing-Adsorption

Info

Publication number: DE3045451C2
Application number: DE3045451A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Yamaguchi Ichihara; Shunsuke Nogita; Koji Otani; Ikuo Ibaraki Shimokobe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-12-03
Filing date: 1980-12-02
Publication date: 1986-08-21
Also published as: JPS5924654B2; DE3045451A1; JPS5678615A

Description

daß die Adsorption in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei

in der ersten Adsorptionsstufe das Ausgangsgas durch eine Zeolithschicht geleitet wird, so daß aus dem Ausgangsgas ausschließlich der oder die zu adsorbierenden Stoffe adsorbiert werden, und

in der zweiten Adsorptionsstufe das Ausgangsgas nach Durchströmen der Zeolithschicht durch eine aktivierte Aluminiumoxidschicht geleitet wird, so daß aus dem Ausgangsgas ausschließlich der Rest des oder der zu adsorbierenden Stoffe adsorbiert werden.

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2. Gasaufbereitungseinrichtung für die Druckswing-Adsorption nach Anspruch 1, mit

— einer eine Adsorptionsschicht enthaltenden Adsorptionskolonne,

— einem ersten Gasleitungssystem, das mit einem Ende der Adsorptionskolonne verbunden ist und das abwechselnd von einem Ausgangsgas und einem Abgas, dessen Druck niedriger als derjenige des Ausgangsgases ist, durchströmbar ist.

— einem zweiten Gasleitungssystem, das mit dem anderen, vom ersten Gasleitungssystem fernen Ende der Adsorptionskolonne verbunden ist und von einem aufbereiteten Gas, das durch Leiten des Ausgangsgases durch die Adsorptionsschicht erhalten wurde, und einem Desorptionsgas, dessen Druck niedriger als derjenige des aufbereiteten Gases ist, abwechselnd durchströmbar ist, und

— Mittein zum Erzeugen eines Druckswings zwischen dem Ausgangsgas und dem Abgas,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Adsorptionsschicht umfaßt:

— wenigstens eine erste Adsorptionsschicht (14; 16) aus Zeolith, die zur Adsorption eines Teils wenigstens eines zu adsorbierenden Stoffes der Gruppe CO₂, H₂O, NHi und NO im Ausgangsgas innerhalb eines hohen Konzentrationsbereichs dient, und

— eine zweite Adsorptionsschicht (15; 17) aus aktiviertem AI₂Oj, die zur Adsorption eines Teils dieses oder dieser Stoffe innerhalb eines niedrigen Konzentrationsbereichs dient.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß die erste Adsorptionsschicht (14; 16) mit Zeolith, der eine selektive Adsorptionsfähigkeit für den oder die zu adsorbierenden Stoffe und eine Koadsorptionsfähigkeit für andere, davon verschiedene und gleichzeitig vorhandene Komponenten in einem Bereich aufweist, in dem die Adsorption des oder der zu adsorbierenden Stoffe durch das erste Adsorbens eine Koadsorption der anderen Komponenten verhindert, beschickt ist, und

— daß die zweite Adsorptionsschicht (15; 17) mit aktiviertem Aluminiumoxid, dessen selektive Adsorptionsfähigkeit für den oder die zu adsorbierenden Stoffe und Koadsorptionsfähigkeit für die gleichzeitig vorhandenen Komponenten geringer als diejenigen des ersten Adsorbens sind und in einem Bereich liegen, in dem die Adsorption dieses oder dieser Stoffe eine Koadsorption der gleichzeitig vorhandenen Komponenten verhindert, beschickt ist, und

.— daß die erste Adsorptionsschicht (14; 16) in der Adsorptionskolonne auf der Seite des ersten Gasleitungssystems (4; 6) und die zweite Adsorptionsschicht (15; 17) in der Adsorptionskolonne (10; 11) auf der Seite des zweiten Gaslcit jngssystems (18; 19) liegen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

— daß das aktivierte Aluminiumoxid ein Volumen von 25—80% der aus Zeolith und aktiviertem Aluminiumoxid bestehenden gesamten Adsorptionsschicht einnimmt.

40 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 vorausgesetzten Art.
Wenn ein Gas wie Luft oder Stickstoff für Stcuer- oder Spülzwecke, für Gefrierabscheidung usw. eingesetzt wird, oder wenn unter Einsatz von Luft als Rohstoff ein sauerstoff- oder stickstoffreiches Gas erzeugt wird, ist es sehr wichtig, aus der Luft od. dgl. Kohlcnsäuregas (CO₂) und Feuchtigkeit (H₂O), die als Verunrcinigungen in dem einzusetzenden Gas enthalten sind, auszuscheiden. Zu diesem Zweck wird eine Adsorptionsbehandlung durchgeführt.

Gasaufbereitungsverfahren unter Anwendung einer Adsorptionsbehandlung werden grob in Verfahren unter Anwendung der Wärmeswing-Adsorption, bei der die Regenerierung eines Adsorbens, das ein Adsorbat adsorbiert hat, durch Spülen mit einem erwärmten Gas erfolgt, und in ein Verfahren unter Anwendung der Druckswing-Adsorption, bei der die Regenerierung durch Spülen mit einem Gas unter niedrigerem Druck als bei der Adsorption und ohne Erwärmung erfolgt, unterteilt. Bei dem Wärmeswing-Verfahren werden bisher als Adsorptionsmittel synthetische Zeolithe der Formel CaA oder NaX eingesetzt. Dieses Verfahren vcrlangt jedoch ein Erwärmen und Abkühlen, so daß sich der Nachteil einstellt, daß der Wechsel zwischen Adsorption und Desorption 4—8 h dauert.

Aus der DE-AS 26 27 327 ist ein Wärmeswine-Vcr-

fahren zur Trocknung von Gasen durch Adsorption in zwei hintereinander angeordneten Kieselgelschichten jekannt, wobei die erste Schicht aus grobporigen Partikeln besteht und 30 bis 90% des Volumens beider Schichten einnehmen kann, während die zweite Schicht aus feinporigen Partikeln besteht. Die Regenerierung der Schichten erfolgt mit etwa 120°C he.Cen Gasen.

Seil einigen Jahren wird das Druckswing-Verfahren angewandt, das dem Wärmeswing-Verfiihren insofern Oberlegen ist, als keine Heiz- oder Kühlvorrichtungen benötigt werden und das Packungsvolumen des Adsorptionsmittels verringert werden kann, weil die Zeit für den Wechsel einer Adsorptionskolonne kürzer ist.

Es handelt sich hierbei um ein Gasaufbereitungsverfahren unter Anwendung der Druckswing-Adsorption, wobei die selektive Adsorption und Ausscheidung einer bestimmten Komponente aus einem Ausigangsgas zum Erhalt eines aufbereiteten Gases und die Desorption des Adsorbats aus einem bei der Adsorption eingesetzten Adsorbens zur Regenerierung desselben abwechselnd durchgeführt werden.

Eine Gasaufbereitungseinrichtung zur Durchführung der Druckswing-Adsorption umfaßt eine eine Adsorptionsschicht enthaltende Adsorptionskolonne, ein erstes Gasleitungssystem, das mit einem Ende der Adsorptionskolonne verbunden ist und abwechselnd für die Zufuhr von Ausgangsgas und die Abfuhr von Abgas benutzt wird, ein zweites Gasleitungssystem, das mit dem anderen Ende der Kolonne verbunden ist und abwechselnd für die Abfuhr des aufbereiteten Gases und die Zufuhr eines Desorptionsgases benutzt wird, und eine Druckswing-Erzeugungsvorrichtung, z. B. einen Verdichter oder eine Unterdruckpumpe, die entweder im ersten oder irn zweiten Gasleitungssystern angeordnet ist. Um das aufbereitete Gas kontinuierlich erzeugen zu können, werden mehrere Adsorptionskolonnen eingesetzt, deren jede die beiden Arten von Gasleitungssystemcn aufweist.

Gegenüber dem Wärmeswing-Verfahren tritt jedoch bei dem Druckswing-Verfahren ein neues Problem auf: Während der abwechselnd aufeinanderfolgenden Adsorption und Desorption erhöht sich die Konzentration der bestimmten Komponente im aufbereiteten Gas, die adsorbiert und ausgeschieden werden sollte. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Adsorptionsschicht, die eine hohe selektive Adsorptionsfähigkeit für die durch Adsorption aus dem Ausgangsgas auszuscheidende bestimmte Komponente hat, unvermeidlich auch andere, gleichzeitig vorhandene Komponenten aus dem Ausgangsgas adsorbiert. Untersuchungen haben gezeigt, daß dies folgenden Grund hat.

Während das Ausgangsgas durch die eine hohe selektive Adsorptionsfähigkeit für die bestimmte Komponente aufweisende Adsorptionsschicht strömt, treten in der Adsorptionsschicht ein Bereich mit hoher Konzentration der bestimmten Komponente auf der Seite des ersten Gasleitungssystems und ein Bereich mit niedriger Konzentration der bestimmten Komponente auf der Seite des zweiten Gasleitungssystems auf. Im Hochkonzentralions-Bereich wird die bestimmte Komponente selektiv sehr stark adsorbiert, so daß praktisch keine Adsorption der gleichzeitig vorhandenen Komponenten erfolgt. Dagegen ist im Niedrigkonzentrations-Bereich die Adsorptionsmenge der bestimmten Komponente gering, so daß die gleichzeitig vorhandenen Komponenten in relativ großen Mengen adsorbiert werden. Da ferner die Adsorption unter höherem Druck als die Desorption durchgeführt wird, findet eine sehr starke Koadsorption der gleichzeitig vorhandenen Komponenten statt Dadurch wird die Temperatur des Adsorbens erhöht und seine Adsorptionsfähigkeit für die bestimmte Komponente vermindert Anschließend werden unter dem verminderten Desorptionsdruck die adsorbierten Komponenten langsam aus dem Adsorbens entfernt. Dabei werden zuerst die gleichzeitig vorhandenen Komponenten, in bezug auf die das Adsorbens keine Selektivität hat, desorbiert Es ist allgemein bekannt, daß die Desorptionswärme sich während der Desorption entwickelt. Daher fällt die Temperatur des Adsorbens aufgrund der Desorptionswärme der gleichzeitig vorhandenen Komponenten ab. Im allgemeinen ist die Adsorptionsfähigkeit bei niedrigerer Temperatur höher, so daß die Adsorptionsfähigkeit des Adsorbens, dessevt Temperatur durch die Desorption der gleichzeitig vorhandenen Komponenten gesenkt wurde, intensiviert wird. Daher verschlechtert sich die Desorptionsleistung, und derjenige Anteil der bestimmten Komponente, der nicht desorbiert wurde, sammelt sich im Adsorbens an. Damit ergibt sich während der wiederholten Adsorption und Desorption das mit der Druckswing-Adsorption einhergehende neue Problem.
Es gibt kein Adsorbens, das überhaupt keine Adsorptionsfähigkeit für die gleichzeitig vorhandenen Komponenten und eine hohe selektive Adsorptionsfähigkeit für die bestimmte Komponente aufweist Wenn also die Adsorptionsbehandlung mit einer einzigen Adsorptionsschicht durchgeführt werden soll, besteht die Adsorp- tionsschicht entweder (1) aus einem Adsorbens, das für die bestimmte Komponente eine hohe selektive Adsorptionsfähigkeit hat, oder (2) aus einem Adsorbens, das für die gleichzeitig vorhandenen Komponenten keine Adsorptäonsfähigkeit hat, oder (3) aus einem Mischsystem, das die Adsorbentien (1) und (2) aufweist.

Bei der Adsorptionsschicht aus dem Adsorbens (1) ergeben sich die vorstehend erläuterten Probleme, weil dabei auch eine starke Adsorption der gleichzeitig vorhandenen Komponenten im Niedrigkonzentrations-Bereich erfolgt. Die Adsorptionsschicht aus dem Adsorbens (2) hat keine hohe selektive Adsorptionsfähigkeit für die bestimmte Komponente. Somit muß die Beschikkungsmenge des Adsorbens erhöht werden, und die Einrichtung wird sehr groß, so daß die Vorteile des Druckswing-Adsorptionsverfahrens verlorengehen. Mit der Adsorptionsschicht entsprechend (3) stellt sich einmal das mit dem Adsorbens (2) im Hochkonzentrations-Bereich der bestimmten Komponente einhergehende Problem, und zum anderen ergibt sich das mit dem Adsorbens (1) im Niedrigkonzentrations-Bereich der bestimmten Komponente einhergehende Problem.

Wenn eine Adsorptionsschicht aus dem Adsorbens (2) auf der Seite des ersten Gasleitungssystems und eine Adsorptionsschicht aus dem Adsorbens (1) auf der Seite des zweiten Gasleitungssystems angeordnet ist, ist bei der Durchführung der Adsorption die Adsorption der bestimmten Komponente im Hochkonzentrations-Bereich ungenügend, während die Koadsorption der gleichzeitig vorhandenen Komponenten im Niedrigkonzentrations-Bereich stattfindet. Ferner besteht die Gefahr, daß bei der Desorption der Gasstrom die in der Adsorptionsschicht auf der Seite des zweiten Gasleitungssystems verbliebene bestimmte Komponente austreibt, wodurch die Reinheit des aufbereiteten Gases vermindert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Einrichtung der eingangs vorausgesetzten Art dahingehend zu verbessern, daß man ein aufbe-

reitetes Gas mit hoher Reinheit unter Einsatz einer kleinen Menge Adsorbens erhält, einen Konzentrationsanstieg einer bestimmten zu adsorbierenden Komponente auch dann vermeidet, wenn Adsorption und Desorption abwechselnd aufeinanderfolgend wiederholt werden, ferner dabei keine Zunahme der nichtadsorbierten Mengen gleichzeitig vorhandener Komponenten, die in einem aufbereiteten Gas enthalten sind und aus diesem adsorbiert werden sollten, und zwar auch dann nicht erfolgt, wenn Adsorption und Desorption abwechselnd aufeinanderfolgend wiederholt werden, und schließlich ein hoher Wirkungsrad der Gasreinigung mit einer kleinen Einrichtung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 2 gelöst.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Patentansprüchen 3 und 4 gekennzeichnet.

Bei dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfindung wird also z. B. die Kohlensäuregas und Feuchtigkeit in hohen Konzentrationen enthaltende Luft durch eine Adsorptionsschicht aus syntehtischem Zeolith geleitet der ein Volumen von z. B. 50% einer Adsorptionskolonne einnimmt, so daß der größere Teil des Kohlensäuregases und der Feuchtigkeit an der Adsorptionsschicht adsorbiert und dadurch ausgeschieden wird, ohne daß eine Koadsorption von Sauerstoff und Stickstoff, die ebenfalls in der Luft enthalten sind, erfolgt. Kohlensäuregas und Feuchtigkeit in geringen Konzentrationen, die nicht durch die Adsorptionsschicht ausgeschieden wurden, werden dadurch adsorbiert und ausgeschieden, daß die Luft ferner durch eine zweite Adsorptionsschicht geleitet wird, die stromab von der ersten Adsorptionsschicht vorgesehen ist und die aus aktiviertem Aluminiumoxid besteht, das die übrigen 50% des Volumens der Adsorptionskolonne einnimmt. Dadurch wird ein Gas hoher Reinheit erzeugt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fi g. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Gasaufbereitungsanlage nach der Erfindung:

F i g. 2 eine Grafik, die die Beziehungen zwischen dem Teilchendurchmesser eines Adsorbens und dem Adsorbtionsgrad im Fall einer unter Druck ausgeführten Adsorption zeigt;

Fig. 3 eine Grafik, die die Temperaturänderungen von Adsorptionsmitteln während der Umschaltung zwischen Adsorption und Desorption über der Zeit zeigt; und

F i g. 4 eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Füllmenge von aktiviertem Aluminiumoxid und der CO2-Konzentration in einem aufbereiteten Gas in der Anlage nach F i g. 1 zeigt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf F i g. 1 erläutert

In einer einem Verdichter 1, in den Luft einströmt nachgeschalteten Stufe ist ein Gasleitungssystem 2 angeordnet Das Gasleitungssystem 2 ist mit einem Gasleitungssystem 4 über ein Ausgleichsventil 3 und mit einem Gasleitungssystem 6 über ein Ausgleichsventil 5 verbunden. Gesondert vom Gasleitungssystem 2 ist das Gasleitungssystem 4 über ein Ausgleichsventil 7 mit einem Gasleitungssystem 8 verbunden. Ebenso ist das Gasleitungssystem 6 mit dem Gasleitungssystem 8 über ein Ausgleichsventil 9 verbunden. Das Gasleitungssystem 8 öffnet sich schließlich zur Atmosphäre. Das Gasleitungssystem 4 ist mit dem unteren Teil einer Adsorptionskolonne 10 und das Gasleitungssystem 6 mit dem unteren Teil einer Adsorptionskolonne 11 verbunden Die Adsoprtionskolonnen 10 und 11 sind gleich ausge bildet, und Trennplatten 12 und 13, die zwar porös sind aber den Durchtritt von Teilchen eines Adsorptionsmil tels nicht erlauben, sind in den jeweiligen Kolonnen radial verlaufend angeordnet. Das Innere der Adsorptionskoionne 10 ist durch die Trennplatte 12 in die Seite des Gaszuleitungssystems 4, auf der eine Adsorptionsschicht 14 angeordnet ist, und die entgegengesetzte Seite, auf der eine Adsorptionsschicht 15 angeordnet ist unterteilt. Das Innere der Adsorptionskolonne 11 ist durch die Trennplatte 13 in die Seite des Gasleitungssystems 6, auf der eine Adsorptionsschicht 16 angeordnet ist, und die entgegengesetzte Seite, auf der eine Adsorptionsschicht 17 angeordnet ist, unterteilt.

Die Adsorptionsschichten 14 und 16 sind jeweils mit synthetischem Zeolith mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,5—1 nm beladen. Dagegen sind die Adsorptionsschichten 15 und 17 jeweils mit aktiviertem Aluminiumoxid beladen, das im sauren Verfahren hergestellt ist und einen mittleren Teilchendurchmesser von 3—7 nm hat. Der Packungs- oder Füllanteil des aktivierten Aluminiumoxids in jeder Adsorptionskolonne 10 und 11 ist 50% der gesamten Adsorptionsschicht.

Ein Gasleitungssystem 18 ist mit dem oberen Teil der Adsorptionskolonne 10 und ein Gasleitungssystem 19 mit dem oberen Teil der Adsorptionskolonne 11 verbunden. Das von der Adsorptionskolonne 10 ferne Ende des Gasleitungssystems 18 ist mit einem Gasleitungssystem 21 über ein Ausgleichsventil 20 und ferner über ein Ausgleichsventil 22 mit einem Gasleitungssyslem 23 verbunden. Ebenso ist das von der Adsorptionskolonne 11 ferne Ende des Gasleitungssystems 19 mit dem Gasleitungssystem 21 über ein Ausgleichsventil 24 und mil dem Gasleitungssystem 23 über ein Ausgleichsventil 25 verbunden. Die Gasleitungssysteme 21 und 23 sind über Ausgleichsventile 26 und 27 verbunden.

Aufgrund der erläuterten Ausbildung wird der Adsorptionsschritt in der einen Adsorptionskolonnc ausgeführt, während der Desorptionsschritl in der anderen Adsorptionskolonne durchgeführt wird. Dabei wird zuerst die Luft im Verdichter 1 verdichtet und dem unteren Teil der Adsorptionskolonne 10 durch das Gasleitungssystem 2, das Ausgleichsventil 3 und das Gasleitungssystem 4 (in dieser Reihenfolge) zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgleichsventil 7 geschlossen gehalten, um die Verbindung zwischen der Adsorptionskolonne 10 und dem Gasleitungssystem 8 zu unterbre- chen. Das Ausgleichsventil 5 wird ebenfalls geschlossen gehalten, so daß die komprimierte Luft nicht in die Adsorptionskolonne 11 strömt. Wie noch erläutert wird, sind aber die Adsorptionskolonne 11 und das Gaslcitungssystem 8 miteinander in Verbindung.

Die am Unterende der Adsorptionskolonne 10 eingeführte komprimierte Luft strömt zuerst durch die Adsorptionsschicht 14 aus synthetischem Zeolith. Dabei wird der größte Teil von CO2 und H2O innerhalb eines hohen Konzentrationsbereichs adsorbiert und ausgeschieden, wobei die Stoffe CO2 und H₂O spezifische Komponenten der Luft sind, die durch Adsorption aus dieser auszuscheiden sind. Anschließend durchströmt die komprimierte Luft die Trennplatte 12 und anschließend die Adsorptionsschicht 15 aus aktiviertem Aluminiumoxid. Dabei werden die restlichen spezifischen Komponenten CO2 und H2O mit geringer Konzentration adsorbiert und ausgeschieden, ohne daß dabei gleichzeitig Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2), die im

Gasstrom ebenfalls vorhandene Komponenten sind, adsorbiert werden.

Das so erhaltene aufbereitete Gas wird zu einer Reklifizierkolonne (nicht gezeigt) geleitet, und zwar durch ■das Gasleitungssystem 18, das Ausgleichsventil 20 und das Gasleitungssystem 21. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgleichsvenlil 22 geschlossen gehalten, um die Verbindung zwischen der Adsorptionskolonne\10 und dem Gaslcitungssystem 23 zu blockieren. Ein Teil des aufbereiteten Gases strömt in das Gasleitungssystem 23 : durch die Ausgleichsventile 26 und 27. Das Gasleitungssystem 23 ist für ein für die Desorption eingesetztes Gas vorgesehen und öffnet sich zur Atmosphäre durch das Gasleitungssystem 8, wie noch erläutert wird. Das Gaslcitungssystem 23 führt zum oberen Teil der Adsorptionskolonne 11 durch das Ausgleichsventil 25 und dann durch das Gasleitungssystem 19. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgleichsventil 24 geschlossen gehalten und blockiert die Verbindung zwischen dem Gasleitungssyslcm 19 und dem Gasleitungssystem 21. Das Ausgleichsventil 22 wird ebenfalls geschlossen gehalten, so daß das für die Desorption bestimmte Gas nicht in die Adsorptionskolonne 10 strömt und den Adsorptionsschritt ausführt. Das unter vermindertem Druck vom oberen Teil der Adsorplionskolonne 11 eingeführte aufbereitete Gas durchströmt zuerst die Adsorptionsschicht 17 aus aktiviertem Aluminiumoxid. Dabei werden die in nur geringen Mengen adsorbierten Adsorbate desorbiert. Das Gasstrom bewirkt eine weitere Desorption, während er durch die Trennplatte 13 und die Adsorptionsschichl 16 strömt und am unteren Ende der Adsorptionskolonne 11 austritt. Das aus dem unteren Teil der Adsorplionskolonne 11 austretende Gas wird durch das Gasleitungssystem 6, das Ausgleichsventil 9 und das Gasleitungssystem 8 zur Atmosphäre geleitet. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgleichsventil 5 geschlossen gehalten, so daß keine komprimierte Luft einströmt. Zusätzlich wird das Ausgleichsventil 7 geschlossen gehalten, um die Verbindung zwischen den Gasleitungssystemen 4 und 8 zu blockieren. Wie oben erwähnt, werden die Ausgleichsventile 3, 9, 20 und 25 geöffnet, und die Ausgleichsventile 5,7,22 und 24 werden geschlossen, so daß der Adsorptionsschritt in der Adsorptionskolonne 10 und der Desorptionsschritt in der Adsorptionskolonne 11 durchgeführt werden. Durch das abwechselnde Durchführen dieser Schritte in den jeweiligen Kolonnen wird kontinuierlich aufbereitetes Gas erhalten. Für die Durchführung der Desorption in der Adsorptionskolonne 10 und der Adsorption in der Adsorptionskolonne It werden die Ausgleichsventile 3,9,20 und 25 geschlossen und die Ausgleichsventile 5,7,22 und 24 geöffnet.

Mit diesem Ausführungsbeispiel werden folgende Auswirkungen erhalten.

Die aus dem synthetischen Zeolith bestehenden Adsorptionsschichten 14 und 16 adsorbieren ausschließlich die spezifischen Komponenten CO2 und H2O in den hohen Konzentrationsbereichen, wogegen die Adsorptionsschichten 15 und 17 aus dem aktivierten Aluminiumoxid das verbliebene CO2 und H2O in den niedrigen Konzentrationsbereichen adsorbieren, wobei gleichzeitig möglichst wenig der mitvorhandenen Komponenten N₂ und O2 adsorbiert wird, so daß die Koadsorption von N₂ vermieden wird. Ferner werden die durch Adsorption auszuscheidenden spezifischen Komponenten CO2 und H2O in hohem Maß ausgeschieden. Da die Adsorptionsmenge der mitvorhandenen Komponente N2, bei der die Gefahr einer Desorption besteht und die möglicherweise eine Quelle für die Desorptionswärmeerzeugung werden könnte, gering ist, wird ein Temperaturabfall während der Desorption vermieden. Selbst wenn also die Adsorption und die Desorption abwechselnd wiederholt werden, erhöhen sich die Mengen von nichtadsorbiertem CO2 und H2O, die im aufbereiteten Gas enthalten sind, obwohl sie hätten ausgeschieden werden sollen, nicht.

F i g. 2 zeigt die Adsorptionsstärke über den Teilchendurchmessern der als Adsorptionsschichten vorhandenen Adsorptionsmittel, wobei diese Kurven erhalten wurden, wenn die komprimierte Luft in die Adsorptionsschichten eingeleitet wurde. Die Kurve / bezeichnet den Verlauf im Fall von H₂O. die Kurve //den Verlauf für CO2 und die Kurve ///den Verlauf im Fall von N₂. Die übrigen Linien sind Betriebskennlinien, die der Erläuterung dienen, und die Schnittpunkte zwischen den jeweiligen Kurven und den Betriebskennlinien bezeichnen die Adsorptionsstärken der entsprechenden Komponenten innerhalb einer Adsorptionskolonne. Die Betriebskennlinie a bezieht sich auf einen synthetischen Zeolith mit einem Teilchendurchmesser von 1 nm; die Betriebskennlinie b betrifft aktiviertes Aluminiumoxid, das im sauren Verfahren hergestellt wurde und einen Teilchendurchmesser von 5 nm hat; und die Betriebskennlinie c betrifft aktiviertes Aluminiumoxid, das im Alkaliverfahren hergestellt wurde und einen Teilchendurchmesser von 10 nm hat. Die doppelte Adsorptionsschicht gemäß dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel entspricht der Betriebskennlinie d Die zu Vergleichszwecken eingeführte Betriebskennlinie e betrifft eine umgekehrte doppelte Adsorptionsschicht, d. h. einen Fall, bei dem die Schicht aus aktiviertem Aluminiumoxid mit einem Teilchendurchmesser von 5 nm auf der Seite des ersten Gasleitungssystems angeordnet ist, und die Betriebskennlinie / betrifft ein gemischtes Adsorptionsmittel mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2 nm, wobei der synthetische Zeolith mit einer Teilchengröße von 1 nm und das aktivierte Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße von 5 nm im Verhältnis 1 :1 vermischt sind. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist das vorher angegebene Verfahren bezüglich der Adsorption und Ausscheidung von H2O und CO2 sehr gut, wobei gleichzeitig nur sehr wenig N2 mitadsorbiert wird. Offensichtlich ist das Verfahren von den in der Figur angegebenen Möglichkeiten für die Ausbildung der Adsorptionsschichten am besten geeignet.

Fig.3 zeigt Temperaturänderungen innerhalb der Adsorptionsschichten während des Wechsels zwischen Adsorption und Desorption, wobei diese Temperaturänderungen erhalten werden, wenn der synthetische Zeolith und das im sauren Verfahren hergestellte aktivierte Aluminiumoxid jeweils für sich eingesetzt wurden. Dabei bezeichnet die Kurve iv die Tendenz des synthetischen Zeoliths, und die Kurve ν bezeichnet die Tendenz des aktivierten Aluminiumoxids. Wie aus der Figur ersichtlich ist, verläuft die Temperaturänderung des synthetischen Zeoliths sehr steil im Gegensatz zu derjenigen des aktivierten Aluminiumoxids. Somit ist ersichtlich, daß dann, wenn nur der synthetische Zeolith eingesetzt wird, ein unbefriedigendes Desorptionsergebnis erhalten wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt das Volumen des aktivierten Aluminiumoxids in der gesamten Adsorptionsschicht 50%. Dies ist die optimale Füllmenge Im Hinblick auf die Ausscheidung von CO2 aus dem Gas, wie aus F i g. 4 hervorgeht, die die Beziehung zwischen der Füllmenge des aktivierten Aluminiumoxids und der C0₂-Konzentration im aufbereiteten Gas zeigt. Nach

durchgeführten Untersuchungen ist es für die Unterdrückung der CO₂-Konzentration im gereinigten Gas auf 20 ppm oder weniger erwünscht, die Füllmenge des aktivierten Aluminiumoxids auf 25—80% einzustellen.

Ferner wird bei dem Ausführungsbeispiel ein Teil des durch die Adsorption erhaltenen aufbereiteten Gases als Desorptionsgas eingesetzt. Dies hat die Auswirkung, daß der Einsatz eines gesonderten Gases für die Desorption entfallen kann.

Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf ein Gasaufbereitungsverfahren erläutert, bei dem CO2 und H2O aus der Luft abgeschieden werden; die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.

Nachstehend werden konkrete Beispiele für die Aufbereitung von stickstoffreichem Gas oder von Luft unter Verwendung der eingangs erläuterten Einrichtung beschrieben, wobei nur die Adsorptionsschichten innerhalb der Adsorptionskolonnen unterschiedlich sind. Beide Adsorptionskolonnen hatten einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Höhe von 1000 mm.

Beispiel 1: Aufbereitung von Luft durch Abscheidung von H₂O undCO₂(I)

Die Adsorptionsschichten 15 und 17 wurden mit im sauren Verfahren hergestelltem aktiviertem Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße von 5 nm beladen, und die Adsorptionsschichten 14 und 16 wurden mit synthetischem Zeolith mit einer Teilchengröße von 1 nm beladen. Der Füllanteil des aktivierten Aluminiumoxids betrug 60%.

Für die Durchführung betrug der Adsorptionsdruck 8 bar, der Desorptionsdruck war Atmosphärendruck, der Luftdurchsatz betrug 100 NmVh, und der Durchsatz von aufbereitetem Gas für die Regeneration betrug 40 NmVh. Die Konzentrationen von H₂O und CO2 in der komprimierten Luft betrugen 1600 ppm bzw. 330 ppm. Die Zeit der Umstellung der Adscrptionsko-Ionnen betrug 15 min in einem halben Kreislauf. Das Ergebnis war. daß die Konzentrationen sowohl von H₂O als auch von CO₂ im aufbereiteten Gas unter 1 ppm sanken.

Konkretes Beispiel 2: Aufbereitung von Luft durch Ausscheidung von H2O und CO₂ (2)

Es wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 angewandt, wobei nur die Fülimenge des aktivierten Aluminiumoxids 30% betrug. Dabei wurden die Konzentrationen von H₂O und CO₂ im aufbereiteten Gas auf 2 ppm bzw. 5 ppm gesenkt.

Vergleichsbeispiel 1: Aufbereitung von Luft durch Ausscheidung von H₂O und CO₂(I)

Die Adsorptionskolonnen wurden nur mit dem synthetischen Zeolith beladen; im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie im konkreten Beispiel i angewandt. Dabei wurden die Konzentrationen von H₂O und CO₂ im aufbereiteten Gas auf 5 ppm bzw. 30 ppm gesenkt

Vergleichsbeispiel 2: Aufbereitung von Luft durch Ausscheiden von H₂O und CO₂ (2)

Die Adsorptionskolonnen wurden ausschließlich mit dem aktivierten Aluminiumoxid beladen, und im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie im konkreten Beispiel 1 angewandt. Dabei wurden die Konzentrationen von H₂O bzw. CO₂ im aufbereiteten Gas auf 4 ppm bzw. 25 ppm gesenkt

Konkretes Beispiel 3: Aufbereitung von N₂-GaS durch Ausscheidung von H₂O und CO₂

Ein N₂-reiches Gas mit einer Konzentration an H₂O von 1600 ppm und an CO₂ von 1200 ppm, das unter einem Druck von 8 kg/cm²G stand, wurde als Ausgangsgas eingesetzt, und ein N₂-GaS, dessen Konzentration an H₂O 10 ppm und an CO2 0,1 ppm betrug, wurde als Desorptionsgas eingesetzt. Im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie im konkreten Beispiel 1 angewandt. Dabei wurden die Konzentrationen an H₂O bzw. CO₂ im aufbereiteten N₂-reichen Gas auf 3 ppm bzw. 5 ppm gesenkt.

Konkretes Beispiel 4: Aufbereitung von N₂-GaS durch Ausscheiden von NH3

Die Adsorptionsschichten 15 und 17 wurden mit aktiviertem Aluminiumoxid mit einem Teilchendurchmesser von 5 nm und die Adsorptionsschichten 14 und 16 mit synthetischem Zeolith mit einem Teilchendurchmesser von 1 nm beschickt. Der Füllanteil des aktivierten Aluminiumoxids betrug 50%.

Das Beispie! wurde durchgeführt mit einem Adsorptionsdruck von 6 bar, einem Desorptionsdruck, der Atmosphärendruck war, einem Durchsatz des Ausgangsgases von 150 NmVh und einem Durchsatz eines für die Regeneration eingesetzten aufbereiteten Gases von 30 NmVh. Das Ausgangsmaterial war ein N₂-reiches Gas, das 1000 ppm NH₃ enthielt. Die Zeit für den Wechsel der Adsorptionskolonnen betrug 15 min in einem halben Kreislauf. Dabei wurde die NH3-Konzentration im aufbereiteten Gas auf weniger als 5 ppm gesenkt.

Vergleichsbeispiel 3: Aufbereitung von N₂-GaS durch Ausscheiden von NH3

Die Adsorptionskolonnen wurden nur mit dem synthetischen Zeolith beschickt, und im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie im konkreten Beispiel 4 angewandt. Dabei wurde die NH3-Konzentration im aufbereiteten Gas auf 45 ppm gesenkt.

Konkretes Beispiel 5: Aufbereitung von Nj-Gas durch Ausscheiden von H₂O, CO₂ und NO

Das Ausgangsmaterial war ein N₂-reiches Gas mit 1600 ppm H₂O, 1200 ppm CO₂ und 300 ppm NO; im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie im konkreten Beispiel 1 angewandt. Die H2O- bzw. CO2- bzw. NO-Konzentrationen im aufbereiteten N₂-reichen Gas wurden auf 3 ppm bzw. 7 ppm bzw. 15 ppm gesenkt.

Vergleichsbeispiel 4: Aufbereitung von N2-Gas durch Ausscheiden von H₂O, CO₂ und NO

Die Adsorptionskolonnen wurden nur mit dem synthetischen Zeolith beschichtet; im übrigen wurden die gleiche Einrichtung und die gleichen Bedingungen wie im konkreten Beispiel 5 angewandt. Dabei wurden die H₂O- bzw. CO₂- bzw. NO-Konzentrationen im aufbereiteten N₂-reichen Gas auf 5 ppm bzw. 41 ppm bzw. 120 ppm gesenkt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasaufbereitungsverfahren unter Anwendung der Druckswing-Adsorption, wobei
die selektive Adsorption und Ausscheidung eines oder mehrerer der Stoffe CO₂, H₂O, NH₃ und NO aus Luft oder Stickstoff zum Erhalt eines aufbereiteten Gases und

die Desorption der Adsorbate aus einem bei der Adsorption eingesetzten Adsorbens in einer Atmosphäre niedrigeren Drucks als bei der Adsorption zur Regeneration des Adsorbens abwechselnd durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet,