DE3150624A1

DE3150624A1 - Verfahren und vorrichtung zum auftrennen eines rohgasgemisches

Info

Publication number: DE3150624A1
Application number: DE19813150624
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Amitani; Jun Izumi; Masayoshi Kubo; Kenichi Maehara; Hiroyuki Nagasaki Tsutaya
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1980-12-25
Filing date: 1981-12-21
Publication date: 1982-07-08
Also published as: GB2090160A; FR2497119A1; GB2090160B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich-
tung zum Auftrennen eines Gasgemisches, mit denen ein bestimmter Bestandteil des Gasgemisches, oB ¢ von aus Sauerstoff und Stickstoff zusammengesetzter Luft oder eines Gemisches aus Luft und Feuchtigkeit, durch Adsorption an ein Adsorptionsmittel bzw. einen Adsorbens abgetrennt werden kann.
Gemäß Fig. 1 wird bei einem bisherigen Verfahren zur durch Adsorption erfolgenden Trennung von 0 2 und N2 natürlicher Mordenit oder synthetischer Zeolith (5#) als Adsorbens benutzt, um bevorzugt den N2-Gasbestandteil zu adsorbieren. Hierbei sind Sammelrohre 3,4,5 und 6 an gegenüberliegende Seiten von zwei Adsorptionssäulen 1 und 2 angeschlossen. Das Sammelrohr 3 ist mit einer ein Ventil 7 enthaltenden Luftzufuhrleitung 8, einer Luftableitung 10 mit Ventil 9 und einer N2-Gasableitung 12 mit Ventil 11 verbunden Ebenso ist das Sammelrohr 5 mit einer Luftzufuhrleitung 14 mit VentiL 13, einer Luftableitung 16 mit Ventil 15 und einer N>-Ableitung 18 mit Ventil 17 verbunden. Das Sammelrohr 4 ist an eine 02-Gasableitung 20 mit Ventil 19 sowie eine 02-Gaszufuhrleitung 22 mit Ventil 21 angeschlossen, während das Sammelrohr 6 ähnlich mit einer 02-Ableitung 24 mit Ventil 23 und einer 02-Zufuhrleitung 26 mit Ventil 25 verbunden ist Die Luftzufuhrleitungen 8 und 14 sind mit einer Luftzufuhr-Hauptleitung 29 verbunden, die mit einem durch einen Motor 27 angetriebenen Kompressor bzw. Luftpresser 28 in Verbindung steht.
Die Luftableitungen 10 und 16 stehen mit einer Luftabführ- oder Luftaustrag-Hauptleitung 30 in Verbindung, und die N2-Ableitungen 12 und 18 sind mit einer N Hauptableitung 33 verbunden, die an eine durch einen Motor 31 angetriebene Vakuumpumpe 32 angeschlossen ist.
Die 02-Ableitungen 20 und 24 sind mit einer 02-Hauptableitung 35 mit in diese eingeschaltetem Reduzierventil 34 verbunden, während die G2-ZuEuhrleitungen 22 und 26 mit einer 02-Hauptzufuhrleitung 37 verbunden sind, die von der 02-Hauptableitung 35 stromauf des Reduzierventils 34 abzweigt und ebenfalls mit einem Ventil 36 versehen ist.
Die Adsorptionssäulen 1 und 2 sind jeweils mit einem Adsorbens für N2-Gas gefüllt. Durch den vom Motor 27 angetriebenen Kompressor 28 wird Luft verdichtet und durch die Luft-Hauptzufuhrleitung 29 geleitet. Im folgenden sei angenommen, daß in den Adsorptionssäulen 1 und 2 ein Adsorptionsvorgang bzw. ein Desorptionsvorgang stattfindet.
Dabei werden die Ventile 7 und 19 auf beiden Seiten der Säule 1 geöffnet, während die Ventile 9, 11 und 21 geschlossen werden. Die über die Hauptzufuhrleitung 29 zugeführte Druckluft strömt über die Luftzufuhrleitung 8, über das Ventil 7 in das Sammelrohr 3 und tritt sodann in die Säule 1 ein. Wenn die Druckluft in die Säule 1 einströmt und diese durchströmt, wird gasförmiges N2 durch den Adsorbens bevorzugt adsorbiert, während das verbleibende gasförmige 02 konzentriert und über das Sammelrohr 4 abgesaugt wird. Das 02-Gas strömt über das Ventil 19 und die °2-Ableitung 20 in die 02-Hauptableitung 35 und durchströmt sodann das Reduzierventil 34, um anderen Verarbeitungsstufen zuqetükrt zu werden, während die Adsorptionssäule 1 auf einem vorbestimmten Adsorptionsdruck gehalten wird.
In der anderen Adsorptionssäule 2 findet inzwischen ein Desorptionsvorgang statt. Dabei ist anfänglich das Ventil 15 geöffnet, während die anderen Ventile 13, 17, 23, 25 und 36 geschlossen sind. Bei geöffnetem Ventil 15 wird die hauptsächlich 02'Gas enthaltende Luft aus der Adsorptionssäule 2 abgesaugt, über das Ventil 15, die Luftaustragleitung 16 und die Luft-Hauptaustragleitung 30 geleitet und dann abgeführt bzw. ausgetragen. Wenn der in der Adsorptionssäule 2 herrschende Druck durch die Luft ab führung auf einen vorbestimmten Wert verringert worden ist, werden das Ventil 17 geöffnet und der Motor 31 eingeschaltet, um die Luft aus der Adsorptionssäule 2 über die N2-Hauptab- leitung 35, die N2-Ableitung 18 und das Ventil 17 abzusaugen und dadurch den Druck in der Adsorptionssäule 2 weiter zu verringern, wobei das vom Adsorbens adsorbierte N2-Gas desorbiert wird. Nachdem das N2-Gas desorbiert und von der Adsorptionssäule 2 abgeführt worden ist, wird das Ventil 17 geschlossen, während die Ventile 36 und 25 geöffnet werden, wobei ein Teil des über die 02-Ableitung 35 strömenden, verdichteten 02-Gases über die 02-Hauptzufuhrleitung 37, die 02-Zufuhrleìtung 26 und das Sammelrohr 6 geleitet und in die Adsorptionssäule 2 eingeführt wird, um den in dieser herrschenden Druck zu erhöhen.
Bei dem vorstehend beschriebenen; bisherigen Verfahren wird Energie für das Verdichten der Luft und zum Kühlen der verdichteten Luft benötigt, wobei keine Vorkehrungen zur wirksamen Rückgewinnung dieser Energie getroffen sind Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Auftrennen eines Gasgemisches durch Adsorption; bei denen eine wirksame Energierückgewinnung möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen und Merkmale gelöst.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erz in dung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bisherigen Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Auftrennen von Luft durch Adsorption und Fig. 2 bis 9 Blockschaltbilder verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auf trennen von Luft durch Adsorption.
Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform entspricht die Vorrichtung weitgehend der vorstehend beschriebenen, bisherigen Vorrichtung, weshalb den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind. Das Verfahrens- und Vorrichtungsschema nach Fig. 2 weist somit zwei Adsorptionssäulen 1 und 2 sowie Sammelrohre 3 bis 6 auf. Das Sammelrohr 3 ist dabei, wie im Fall von Fig. 1, mit Leitungen 8 und 10 verbunden, in die Ventile 7 bzw. 9 eingeschaltet sind. Gemäß Fig. 2 ist jedoch die das Ventil 11 aufweisende 02-Gasableitung mit 51 bezeichnet. Ebenso ist das Sammelrohr 5 mit Leitungen 14 und 16 verbunden, in die Ventile 13 bzw. 15 eingeschaltet sind, wobei jedoch die 02-Gasableitung mit dem Ventil 17 mit 52 bezeichnet ist und in eine 02-Hauptableitung 57 übergeht, die ihrerseits mit der Vakuumpumpe 32 verbunden ist. Das Sammelrohr 4 ist an eine N2-Gasableitung 53 mit einem Ventil 19 sowie eine N2-Gaszufuhrleitung 54 mit Ventil 21 angeschlossen, während auf ähnliche Weise das Sammelrohr 6 mit einer ein Ventil 23 aufweisenden N2-Gasableitung 55 und einer ein Ventil 25 Eweisenden N2-Gaszufuhrleitung 56 verbunden ist. Die Leitungen 53 und 55 sind an eine N2-Gas-Hauptableitung 58 angeschlossen, während die N2-Gaszufuhrleitungen 54 und 56 mit einer ein Ventil 36 aufweisenden N2-Gas-Hauptzufuhrleitung 59 verbunden sind, die von der Hauptableitung 58 abzweigt. In die Luft-Hauptzufuhrleitung 29 zwischen dem Kompressor 28 und den Zufuhrleitungen 8 und 10 sind der Reihe nach in Strömungsrichtung ein Wärmetauscher 61, ein wassergekühlter Nachkühler 60, ein Entwässerer (drain-separator) 63, ein Trockner 64 und ein Khlgerät 42 eingeschalt#t. Das stromabseitige Ende der NL auptableituny 58 ist mit einem Kühlmitteleinlaß des Wärmetauschers 61 verbunden Am Kühlmittelauslaß des Wärmetauschers 61 ist eine Verbindungsleitung 66 vorgesehen, die mit dem Einlaß einer mit dem Motor 27 gekoppelten Expansionsturbine 67 kommuniziert, an deren Auslaß wiederum eine N2-Ableitung 68 angeschlossen ist.
Die Adsorptionssäulen 1 und 2 sind jeweils mit einem Adsorbens zum Adsorbieren von 02 gefüllt, beispielsweise mit Zeolith, bei dem Eisen mit einer Wertigkeit von 2 oder höher in reinem Na-A-Typ- Zeolith gelöst ist (im folgenden auch als Fe-Na-A-Zeolith bezeichnet) und/oder ein Teil des Na durch K ersetzt ist (im folgenden auch als Fe-K-Na-A-Typ-Zeolith bezeichnet).
Im Betrieb der Vorrichtung strömt die durch den Kompressor 28 verdichtete Luft über die Luftzufuhrleitung 29.
Die hohe Temperatur besitzendetverdichtete Luft bzw.
Druckluft durchströmt zuerst den Wärmetauscher 61, in welchem sie gekühlt wird, worauf sie durch einen wassergekühlten Nachkühler 60 weitergekühlt wird. Sodann wird die Druckluft zu einem Entwässerer (drain-separator) 63 geleitet, in welchem das beim Kühlvorgang entstandene Kondenswasser abgetrennt wird, worauf die Druckluft zum Trockner 6 geleitet wird, in welchem ihr etwaige Restfeuchtigkeit entzogen wird. Die aus dem Trockner 64 ausströmende Druckluft gelangt dann zum Kühlgerät 42, in welchem sie auf Adsorptionstemperatur gekühlt wird.
Im folgenden sei angenommen, daß in den Adsorptionssäulen 1 und 2 ein Adsorptionsvorgang bzw. ein Desorptionsvorgang stattfindet. Dabei sind die Ventile 7 und 19 der Adsorptionssäule 1 geöffnet, während die Ventile 9, 11 und 21 geschlossen sind. Die von der Hauptluftzufuhrleitung 29 kommende, verdichtete und anschließend gekühlte Luft strömt durch die Luftzufuhrleitung 8 sowie über das Ventil 7 und das Sammelrohr 3 in die Adsorptionssäule 1 ein.
In letzterer wird das in der Luft enthaltene 0 Gas durch den Adsorbens adsorbiert, während das restliche N2-Gas konzentriert und iber das Sammelrohr 4 abgezogen wird, wobei dieses Gas über das Ventil 19 und die N-Gasableitung 53 zur betreffenden Hauptableitung 58 strömt. Dieses Gas wird sodann als Kühlmittel zum Wärmetauscher 61 geleitee. Im Wärmetauscher 61 findet ein Wärmeaustausch mit der Luft statt, wobei das N2-Gas erwärmt und dber die Verbindungsleitung 66 zur Expansionsturbine 67 geleitet wird, in welcher das N2-Gas unter Antrieb der Expansionsturbine 67 einer adiabatischen Expansion bzw. Ausdehnung unterliegt. Das N2-Gas, dessen Druck sich wegen der adiabatischen Expansion in der Expansionsturbine 67 verringert hat, wird über die betreffende Ableitung 68 zu anderen Ausrüstungsteilen bzw. Verarbeitungsstufen geleitet. In der anderen Adsorptionssäule 2 findet zwischenzeitlich ein Desorptionsvorgang statt, wobei zunächst das Ventil 15 offen ist, während die anderen Ventile 13, 17, 23, 25 und 36 geschlossen sind. Bei geöffnetem Ventil 15 wird die hauptsächlich gasförmiges N2 enthaltende Luft über das Sammelrohr 5 aus der Adsorptionssäule 2 abgesaugt und über das Ventil 15 durch die Luftabführ- bzw. Austragleitungen 16 und 30 geleitet, um dann entlassen zu werden.
Wenn der in der Adsorptionssäule 2 herrschende Druck durch den Luftaustrag auf einen vorbestimmten Wert verringert worden ist, beispielsweise etwa auf den Atmosphärendruck, wird das Ventil 15 geschlossen, worauf das Ventil 17 geöffnet wird. Gleichzeitig wird der Motor 31 eingeschaltet, um mittels der Vakuumpumpe 32 die in der Adsorptionssäule 2 enthaltene Luft über die 02-Gasableitung 57, die 02Gas ableitung 52 und das Ventil 17 abzusaugen. Dabei wird der in der Adsorptionssäule 2 herrschende Druck weiter reduziert, wobei das am Adsorbens adsorbierte gasförmige 02 einer Desorbierung unterliegt. Nach dem Desorbieren und Ableiten des 02 Gases aus der Adsorptionssäule 2 schließt das Ventil 17, während die Ventile 36 und 25 öffnen, so daß ein Teil des über die N2-Hauptgasableitung 58 strömenden, verdichteten N2-Gases über die betreffende Zufuhrleitung 59, die Zufuhrleitung 56 und das Sammelrohr 6 in die Adsorptionssäule 2 eingeführt wird, so daß sich der in letzterer herrschende Druck erhöht.
Bei dieser Ausführungsform beträgt die am Adsorbens adsorbierte 02-Menge etwa 1/5 der Gesamtluftmenge; auf diese Weise können somit N2 und 02 durch Adsorption einer nur geringen Gasmenge voneinander getrennt werden. Da weiterhin die nicht am Adsorbens adsorbierte N2-Gasmenge etwa 4/5 der Gesamtluftmenge ausmacht und das den größten Anteil der Luft darstellende gasförmige N2 von der Adsorptionssäule 1 zum Wärmetauscher 61 geliefert wird, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen dem N2 und der Luft unter Erwärmung des N2 und gleichzeitiger Kühlung der Luft stattfindet, kann der Kältegehalt des gasförmigen N2 wirksam und wirtschaftlich ausgenutzt werden, wobei auch die Rückgewinnungsgröße oder -menge des eingesetzten Kälte inhalts groß ist. Da weiterhin das erwärmte gasförmige N2 zur Expansionsturbine 67 geleitet wird, um diese durch adiabatische Expansion anzutreiben; wobei die Ausgangsleistung der Expansionsturbine 67 für den Antrieb des Motors 27 benutzt wird, kann die Kompressions- bzw Verdichtungsenergie des gasförmigen N2 auf diese Weise wirksam rückgewonnen werden, wobei der Rückgewinnungsgrad der für die Verdichtung eingesetzten Energie ebenfalls hoch ist. Da darüber hinaus das gasförmige N2 erwärmt bzw. aufgeheizt wir#, wird eine Erhöhung der Ausgangsleistung der Expansionsturbine 67 gewährleistet.
Ein praktischer Versuch zur Auftrennung von Luft in N2 und 02 durch Adsorption unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung lieferte folgende Ergebnisse: Der Versuch zur Auftrennung von Luft erfolgte mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung, bei welcher jedoch die Expansionsturbine 67 durch ein Druckregelventil ersetzt war.
Die Adsorptionssäulen 1 und 2 wurden mit (jeweils) 300 kg Fe-K-Na-A-Zeolith eines Korndurchmessers von etwa 1 mm gefüllt. Luft mit einer relativen Feuchtigkeit von 70 e bei 30 0C und einem Druck von 1 ata (bzw. bar absolut) wurde durch den Kompressor 28 auf 6,5 ata verdichtet. Die Lufttemperatur unmittelbar nach der Verdichtung betrug etwa 2400C. Die auf etwa 2400C erwärmte Luft wurde verschiedenen Vorhandlungen, wie Kühlung, Trocknung, usw., unterworfen, worauf die auf 250C gekühlte Druckluft in einer (Durchsatz-)Menge von 100 Nm3/h zur Adsorptionssäule 1 geleitet wurde, um gasförmiges 02 am Fe-K-Na-A-Zeolith zu adsorbieren. Der dabei in der Adsorptionssäule 1 herrschende Druck betrug etwa 6 ata. Aus der Adsorptionssäule 1 wurde gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder darunter in einer Menge von 57 Nm3/h abgegeben.
Aus der Adsorptionssäule 2, in welcher ein Desorptionsvorgang stattfand, wurde gasförmiges 02 mit. einer °2-Konzentration von 79 % in einer Menge von 21 Nm3/h ausgetragen, wobei sich der Enddruck in der Adsorptionssäule 2 auf 0,2 ata verringerte.
Bei diesem Versuch wurde die Adsorptionsauftrennung von Luft unter Verwendung einer kleine Abmessungen besitzenden Vorrichtung untersucht, in welcher die Druckluft mit einer Durchsatzmenge von 100 Nm3/h gefördert wurde. Da in diesem Fall die Gasfördermenge sehr klein war, erwies sich ein Betrieb der Expansionsturbine 67 als unmöglich.
Bei einer derartigen Vergrößerung der Vorrichtung, daß die Durchsatz- oder Fördermenge der zur Adsorptionssäule 1 gelieferten Druckluft auf 10 000 Nm3/h erhöht werden kann, wird ein Betrieb der Expansionsturbine 67 möglich, wobei gasförmiges N2 und 02 auf die im folgenden beschriebene Weise erhaltenwerden, wenn die Vorrichtung auf dieselbe Weise wie beim vorstehend erläuterten Versuch betrieben wird.
Das während des Adsorptionsvorgangs gelieferte bzw. ausgetragene Gas ist gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder darunter bei einer Strömungsmenge von 5700 Nm3/h, und das beim Desorptionsvorgang anfallende Gas ist gasförmiges 02 mit einer 02-Konzentration von 79 % und einer Strömungsmenge von 2100 Nm3/h Im folgenden sind die WArmemen(3on in den jeweiligen F,inheiten der Vorrichtung zur Behandlung oder Verarbeitung von Druckluft in einer Strömungsmenge von 10000 Nm3/h berechnet. Obgleich sich hierbei die Enthalpien bzw Wärmeinhalte von Luft, gasförmigem N2 und gasförmigem 02 etwas voneinander unterscheiden; wird der Einfachheit halber die Berechnung unter der Voraussetzung vorgenommen, daß diese Wärmeinhalte jeweils gleich groß sind.
Der Enthalpie- bzw. Wärmeinhaltsunterschied für den Fall, daß Luft von 300C und 1 ata mittels des Kompressors 28 einer adiabatischen Verdichtung auf 6,5 ata unterworfen wird, beträgt 48 kcal/kg, so daß bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Verdichters 28 von 80 % die für die ßehandlung von trockener Luft in einer Strömungsmenge von 10 000 Nm3/h (12,95 x 103 kg/h) erforderliche LeistuAIa sich wie folgt berechnet: 48 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h ~ 0t8 = 777 x 103 kcal/h.
Der Wärmeinhaltsunterschied für den Fall, daß gasförmiges N2 mit 25 0C und 6 ata von der den Adsorptionsvorgang durchführenden Adsorptionssäule 1 in der Expansionsturbine 67 einer adiabatischen Expansion auf 1,2 ata unterworfen ,wirdJ beträgt 26 kcal/kg, so daß bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Expansionsturbine 67 von 80 % sich die durch Einsatz des gasförmigen N2 in einer Menge von 5700 Nm3/h t7R1 x 103 kg/h) qewonnene Leistung wie folqt berechnet: 26 kcal/kg x 7,1 x103 kg/h x 0,8 = 148 x 103 kcal/h.
Infolgedessen können etwa 19 % der für den Antrieb des Verdichters 28 erforderlichen Leistung in der Expansionsturbine 67 zurückgewonnen werden.
Wenn dagegen das mit 25 0C aus der Adsorptionssäule 1 austretende gasförmige N2 als Kühlmittel zum Wärmetauscher 61 geleitet wird, um mit der 2400 C warmen Druckluft zum Kühlen derselben in Wärmeaustausch zu treten, erwärmt sich das gasförmige N2 auf 2000C. Der Wärmeinhaltsunterschied für den Fall, daß das auf 2000C erwärmte gasförmige N2 zur Expansionsturbine 67 geleitet und das gasförmige N2 mit 200° C und 6 ata einer adiabatischen Expansion bis zu einem verringerten Druck von 1,2 ata unterworfen wird, beträgt 41 kcal/kg, so daß sich die in der Expansionsturbine 67 zurückgewonnene Leistung bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Expansionsturbine 67 von 80 % wie folgt berechnet: 41 kcal/kg x 7,1 x 103 kg/h x 0,8 = 233 x 103 kcal/h.
Aufgrund der Anordnung des Wärmetauschers 61 können somit durch die Expansionsturbine 67 30 % der für den Antrieb des Kompressors 28 nötigen Leistung eingespart werden.
Während weiterhin bei nicht vorgesehenem Wärmetauscher 61 die 2400C warme Druckluft durch den Nachkühler 60 auf 400C abgekühlt wird, braucht der Nachkühler 60 bei vorhandenem Wärmetauscher 61 die Druckluft lediglich von 1700C auf 400C zu kühlen, so daß auch die Kühlbelastung des Nachkühlers 60 herabgesetzt werden kann.
Die in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsform der Erfindung ähnelt weitgehend derjenigen gemäß Fig. 2, weshalb die entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und im folgenden nur die Unterschiede zur Ausführungsform nach Fig. 2 erläutert sind.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Vakuumpumpe 32 und der Motor 31 in der 02-Gas-Hauptableitung 57 nicht vorhanden. Von der N2-Gasableitung 68 zweigt eine N2-Hauptrückführleitung 69 ab, die über eine N2-Rückführleitung 71 mit Ventil 70 an das Sammelrohr 4 angeschlossen ist. Die N2-Hauptrückführleitung 69 ist außerdem über eine N2 Rückführleitung 73 mit Ventil 72 an das Sammelrohr 6 ange- schlossen.
Die Aus führungs form nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß aig. 2 nur bezüglich des im folgenden erläuterten, in der Adsorptionssäule 2 stattfindenden Desorptionsvorgangs.
Bei der Durchführung des Desorptionsvorgangs erfolgt die Abfuhr von Luft aus der Adsorptionssäule 2 auf die vorher beschriebene Weise, wobei der in dieser Adsorptionssäule 2 herrschende Druck etwa auf Atmosphärendruck abnimmt.
Nach dieser Druckreduzierung schließt das Ventil 15 und öffnen die Ventile 72 und 17, um einen Teil des über die Gasableitung 68 in die Säule 2 strömenden gasförmigen N2 über die N2-H auptrückführleitung 69 und die N2-Rückführleitung 73 zu leiten Da in der mit gasförmigem N2 gespeisten Adsorptionssäule 2 der Partialdruck des gasförmigen 02 sinkt, wird das gasförmige 0 2 vom Adsorbens desorbiert und über die 02-Ableitung 52 sowie die Hauptabl#eitung abgezogen. Nach diesem Austrag schließen die Ventile 17 und 72, während die Ventile 36 und 25 öffnen, um das verdichtete gasförmige N2 zur Erhöhung-des Drucks in der Säule in diese einzuleiten.
Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Aus führungs formen möglich. Bei.-spielsweise können bei beiden Ausführungsformen die N2-Hauptzufuhrleitung 59, das Ventil 36, die N2-Zufuhrleitungen 54 und 56 sowie die Ventile 21 und 25 weggelassen werden, wobei die -Druckerhöhung in der Adsorptionssäule 2 durch Speisung derselben mit verdichtetem, gasförmigem N2 über die N2-Ableitung 55 unter öffnung des Ventils 23 erreicht werden kann. Außerdem kann die Druckerhöhung auch durch öffnen des Ventils 13 erfolgen, um in die Adsorptionssäule 2 Druckluft einzuleiten. Wenn der Luft vor der Verdichtung ihr Feuchtigkeitsgehalt entzogen wird, können auch der Entwässerer 63 und der Trockner 64 weggelassen werden. Bei Kühlung der Druckluft unter Ausnutzung des Kälte inhalts des Niedrigtemperatur-N2-Gases von der Expansionsturbine 67 kann weiterhin das Kühlgerät 42 entweder weggelassen oder mit geringerer Leistung ausgelegt werden. Darüber hinaus können der Wärmetauscher 61 und der wassergekühlte Nachkühler 60 in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sein. Die Zahl der Adsorptionssäulen ist ebenfalls nicht auf zwei beschränkt, vielmehr kann eine beliebige Zahl von Adsorptionssäulen vorgesehen sein, wobei die betreffenden Rohrleitungen unter Weglassung der Sammelrohre unmittelbar an die Adsorptionssäulen angeschlossen sein können. Schließlich ist die Erfindung nicht nur auf die Trennung bzw. Auftrennung von Luft anwendbar, sondern auch auf die Trennung anderer Gasgemische, sofern dabei eine Adsorption von gasförmigem N2 erforderlich ist.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind zwei Adsorptionssäulen 1 und 2 vorgesehen, die mit einem 02-Adsorbens gekühlt sind, beispielsweise mit Fe-Na-A-Zeolith oder Fe-K-Na-A-Zeolith. Eine Luftleitung 29 dient zur Einführung der als Rohgas verwendeten Luft in die Adsorptionssäulen 1 und 2, wobei von der Luftleitung 29 Luftzufuhrleitungen 8 und 14 mit Ventilen 7 bzw. 13#zweigen. Ein Wärmetauscher 62, ein Kompressor 28, ein wassergekühlter Nachkühler 60 und ein Kühlgerät 42 sind sämtlich in die Luftleitung 29 eingeschaltet. Der Kompressor 28 ist mit einem Motor 27 verbunden, der seinerseits mit einer Expansionsturbine 67 verbunden ist, die als adiabatische Expansionsvorrichtung arbeitet. An der Seite der Adsorptionssäulen 1 und 2, an welcher die Luftzufuhrleitungen 8 bzw. 14 angeordnet sind, sind weiterhin Luftabführ- bzw. -austragleitungen 10 bzw.
16 mit Ventilen 9 bzw. 15 sowie 02-Ableitungen 51 bzw. 52 mit Ventilen 11 bzw. 17 vorgesehen. Die Luftaustragleitungen 10 und 16 gehen unter Bildung einer gemeinsamen Luftaustragleitung 30 ineinander über. Die 02-Ableitungen 51 und 52 sind ebenfalls zur Bildung einer gemeinsamen 02- Ableitung 57 zusammengeschaltet, in welche eine mit einem Motor 31 verbundene Vakuumpumpe 32 eingeschaltet ist Unmittelbar gegenüber der Seite, an welcher die Luftzufuhrleitungen 9 und 19 mit den betreffenden Adsorptionssäulen 1 '1 und 2 verbunden sind, sind N2-Ab leitungen 13 bzw. 55 mit Ventilen 19 bzw. 23 sowie N2-Zufuhrleitungen 54 bzw. 56 mit Ventilen 21 und 25 vorgesehen. Die N2-Ableitungen 53 und 55 sind unter Bildung einer gemeinsamen N2-Ableitung 58 miteinander verbunden. Die N2-Zufuhrleitungen 54 und 56 kommunizieren mit einer N2-Leitung 59, die von der N2-Ableitung 58 abzweigt und ein Ventil 36 enthält. In die N2-Ableitung 58 ist eine Expansionsturbine 67 eingeschaltet, und das stromabseitige Ende der N2-Ableitung 58 kommuniziert mit dem Einlaß einer Kühlmittelstrecke im Wärmetauscher 62. Am Auslaß der Kühlmittelstrecke im Wärmetauscher 62 ist eine N2-Austragleitung 68 angeordnet.
Als Ausgangsmaterial dienende Luft wird nach der Befreiung von Staub und Feuchtigkeit zur Kühlung in den Wärmetauscher 62 eingeleitet. Die aus dem Wärmetauscher 62 ausströmende Luft wird dem durch den Motor 21 angetriebenen Kompressor bzw. Luftpresser 28 zugeführt und durch diesen verdichtet, wobei die Temperatur der Luft entsprechend ansteigt. Die Luft wird hierauf vom Kompressor 28 über die Luftleitung 29 zum wassergekühlten Nachkühler 60 geleitet, in diesem wiederum gekühlt und dann dem.Kühlgerät 42 zugeführt, in welchem die Temperatur der Luft weiter gesenkt wird. Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem in den Adsorptionssäulen 1 und 2 ein Adsorptionsvorgang bzw. ein Desorptionsvorgang stattfindet. Hierbei sind die Ventile 7 und 19 an der Seite der Adsorptionssäule 1 offen, die Ventile 9, 11 und 21 geschlossen und die Ventile 13 und 23 an der Seite der anderen Adsorptionssäule 2 geschlossen. Die aus dem Kühlgerät 42 austretende Luft strömt über die Luftleitung 29, die Luftzufuhrleitung 8 und das Ventil 7 in die (betreffende) Adsorptionssäule In der Adsorptionssäule 1 wird das in der Luft enthaltene gasförmige 02 durch ein Adsorptionsmittel adsorbiert. Das verbleibende gasförmige N2 wird aus der Adsorptionssäule 1 abgeführt und über das Ventil 19, die N2-Ableitung 53 sowie die N2-Ableitung 58 zur Expansionsturbine 67 geleitet, die durch den Druck des gasförmigen N2 angetrieben wird.
Die Leistung der Expansionsturbine 67 wird ihrerseits für den Antrieb des Motors 27 benutzt, so daß sich der Energieverbrauch des Motors 27 entsprechend verringert. In der Expansionsturbine 67 dehnt sich das gasförmige N2 aus, so daß sein Druck abnimmt und infolgedessen seine Temperatur abfällt, worauf das aus der Expansionsturbine 67 austretende gasförmige N2 in den Wärmetauscher 62 eintritt. In letzterem findet ein Wärmeaustausch mit Luft statt, wodurch das gasförmige N2 in seiner Temperatur erhöht und sodann über die Ableitung 68 zu einer vorbestimmten Stelle oder Anlage geleitet wird. Andererseits sind bei geschlossenen Ventilen 13 und 23 der Adsorptionssäule 2 auch die Ventile 25 und 17 geschlossen, während nur das Ventil 15 offen ist, wobei die Luft aus der Adsorptionssäule 2 unter Senkung des in ihr herrschenden Drucks über das Ventil 15, die Luftaustragleitung 16 und die Luftaustragleitung 30 abgeführt wird. Anfänglich tritt über die Luftaustragleitung 30 die in den Zwischenräumen zwischen den Adsorbenskörnchen angesammelte Luft aus, worauf ein Gas mit allmählich ansteigender 02-Konzentration entlassen wird. Wenn die 02-Konzentration des über die Luftaustragleitung 30 entlassenen Gases eine vorbestimmte Größe erreicht hat, schließt das Ventil 15, während das Ventil 17 öffnet.
Die Vakuumpumpe 32 wird durch den Motor 31 angetrieben, um das in der Adsorptionssäule 2 enthaltene Gas über das Ventil 17 und die 02-Ableitungen 52 und 57 abzusaugen, wodurch der in der Säule 2 herrschende Druck reduziert und das vom Adsorbens adsorbierte 02 desorbiert wird.
Nach dem Desorbieren des 2 durch Reduzierung des Drucks auf eine vorbestimmte Größe und nach der Abfuhr des gasförmigen 02 über das Ventil und die Ableitungen 52 und 57 zu einer vorbestimmten Stelle oder Anlage (Verbraucher) werden das Ventil 17 geschlossen und die Ventile 25 und 36 geöffnet Bei offenen Ventilen 36 und 25 wird ein Teil des über die Ableitung 58 strömenden gasförmigen N2 über die N2-Leitung 59 und die N2-Zufuhrleitung 56 in die Adsorp-2 tionssäule 2 eingeleitet, wodurch der in dieser herrschende Druck erhöht wird. Wahlweise kann die Druckerhöhung in der Adsorptionssäule 2 durch Zufuhr von Druckluft anstelle von gasfdrmigem N2 erhöht werden, indem bei geschlossenen Ventilen 25 und 36 das Ventil 13 geöffnet und die Druckluft über die Luftleitung und die Luftzufuhrleitung 14 zugeführt wird.
Da bei der beschriebenen Aus führungs form °2 vom Adsorbens adsorbiert wird und das 02 etwa 1/5 der Gesamtluftmenge ausmacht, können N2 und °2 durch Adsorbieren lediglich einer kleinen Gasmenge voneinander getrennt werden. Da weiterhin das nicht adsorbierte gasförmige N2 die anderen 4/5 der Luftmenge ausmacht, ist bei seiner Ausdehnung in der für die Leistungs- bzw. Energierückgewinnung vorgesehenen Turbine 67 der Rückgewinnungsgrad der für die Erzeugung der Druckluft erforderlichen Verdichtungsenergie sehr groß. Da weiterhin die Temperatur der Luft vor der Verdichtung durch das nach seiner Ausdehnung in der Turbine 67 abgekühlte gasförmige N2 gesenkt wird, kann der Kompressor 28 mit geringerer Leistung angetrieben werden, um die Luft auf einen vorbestimmten Druck zu verdichten, woraus sich eine entsprechende Erhöhung des Wirkungsgrads des Kompressors 28 ergibt. Da die Temperatur der Luft vor der Verdichtung gesenkt worden ist, findet nur eine geringfügige Temperaturerhöhung der Luft nach der Verdichtung statt, so daß demzufolge der Luft-Temperaturanstieg nach der Verdichtung geringer ist und hierdurch die für die Kühlung benötigte Energiemenge herabgesetzt wird.
Im folgenden sind praktische Versuchsbeispiele der Trennung von Luft in N2 und 02 durch Adsorption unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Beispiel 1 Es wurde ein Luftauftrennversuch unter Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt, bei welcher anstelle der Expansionsturbine 67 bei der Vorrichtung nach Fig. 4 ein Druckregelventil verwendet wurde.
Die Adsorptionssäulen 1 und 2 wurden mit 30 kg Fe-K-Na-A-Zeolith eines Korndurchmessers von etwa 1 mm gefüllt.
Trockene Luft von 250 C und mit einem Druck von 1 ata wurde durch den Kompressor 28 auf 6,5 ata verdichtet. Die Temperatur der Luft unmittelbar nach der Verdichtung betrug etwa 2300C. Die etwa 2300C warme Luft wurde auf etwa 250C gekühlt und dann in einer Menge von 10 Nm3/h zur Adsorptionssäule 1 geleitet, um das gasförmige °2 am Fe-K-Na-A-Zeolith zu adsorbieren. Der dabei in der Adsorptionssäule 1 herrschende Druck betrug etwa 6 ata. Gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder weniger wurde von der Adsorptionssäule in einer Menge von 5,6 Nm3/h abgegeben.
Die Adsorptionssäule 2, in welcher der Desorptionsvorgang ablief, lieferte gasförmiges 02 mit einer 02-Konzentration von 78 % in einer Menge von 2,0 Nm3/hr wobei sich der Enddruck in der Adsorptionssäule 2 auf 0,2 ata verringerte.
Bei diesem Versuch wurde die Adsorptionsauftrennung von Luft unter Verwendung einer Vorrichtung kleinen Maßstabs untersucht, in welcher die Druckluft in einer (Durchsatz-) Menge von 10 Nm3/h gefördert wurde; aufgrund dieser niedrigen Gasfördermenge erwies sich der Betrieb der Expansionsturbine 67 als unmöglich. Bei Vergrößerung der Vorrichtung in einem solchen Grad, daß die Zufuhr- bzw. Fördermenge der Druckluft zur Adsorptionssäule 1 auf 10 000 Nm3/h erhöht werden kann, wird-jedoch ein Betrieb der Expansionsturbine 67 möglich, wobei gasförmiges N2 und gasförmiges O auf die im folgenden zu beschreibende Weise erhalten werden können, wenn die -Vorrichtung auf die in Verbindung mit dem vorstehenden Versuchsbeispiel erläuterte Weise betrieben wird Das während des Adsorptionsvorgangs gelieferte Gas ist gasförmiges N2 mit einer O2-KonzenLration von 1 % oder darunter bei einer Strömungs- bzw. Durchsatzmenge von 5600 Nm3/h, während das bei der Desorption anfallende Gas gasförmiges 02 mit einer 02-Konzentration von 78 % bei einer Durchsatzmenge von 2000 Nm3/h ist Im folgenden sind die Wärmemengen in den betreffenden Einheiten der Vorrichtung für die Behandlung von Druckluft in einer Menge von 10 000 Nm3/h berechnet Obgleich hierbei die Enthalpien bzw. Wärmeinhalte von Luft, gasförmigem N2 und gasförmigem °2 etwas voneinander verschieden sind, erfolgt die Berechnung aus Gründen der Vereinfachung unter der Annahme, daß diese Wärmeinhalte jeweils gleich groß sind.
Ein Wärmeinhaltsunterschied bei adiabatischer Verdichtung trockener Luft von 25°C und 1 ata auf einen Druck von 6,5 ata mittels des Kompressors 28 ergibt sich zu 50 kcal/ kg, so daß bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Verdichters 28 von 80 % die für die Behandlung der trockenen Luft in einer (Durchsatz-)Menge von 10 000 Nm3/h (12,95 x 103 kg/h) benötigte Leistung sich wie folgt ergibt: 50 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h °. 0,8 = 809 x 103 kcal/h.
Der Wärmeinhaltsunterschied für den Fall, daß gasförmiges N2 von 25 0C und mit einem Druck von 6 ata aus der die Adsorption durchführenden Adsorptionssäule 1 in der, Expansionsturbine 67 einer adiabatischen Expansion bzw. Ausdehnung auf 1,2 ata unterworfen wurde, beträgt 26 kcal/kg, so daß bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Expansionsturbine 67 von 80 % die durch Verarbeitung bzw. Behandlung des gasförmigen N2 in einer Menge von 5600 Nm3/h (7,0 x kg/h) gewonnene Leistung sich zu folgendem ergibt: 3 3 26 kcal/kg x 7,0 x 10 kg/h x 0,8 = 146 x 103 kcal/h Demzufolge können etwa 18 % der für den Antrieb des Kompressors 28 benötigten Leistung in der Expansionsturbine 67 rückgewonnen werden, Die Temperatur des aus der Expansionsturbine 67 ausströmenden gasförmigen N2 wird außerdem infolge der adiabatischen Expansion von 250C auf etwa -63 0C gesenkt, so daß dann, wenn dieses kalte gasförmige N2 als Kühlmittel dem Wärmetauscher 62 zugeführt und von diesem mit einer Temperatur von 200C entlassen wird, die Temperatur der vor der Verdichtung in den Wärmetauscher 62 eintretenden trockenen Luft um 45 0C gesenkt werden kann und demzufolge die aus dem Wärmetauscher 62 austretende trockene Luft eine Temperatur von -20°C besitzt.
Der Enthalpieunterschied für den Fall, daß trockene Luft von -200C und einem Druck von 1 ata adiabatisch auf 6,5 ata verdichtet wurde, ergibt sich daher zu 42 kcal/kg, so daß unter Annahme eines 80 Eigen Wirkungsgrads des Kompressors 28 die für dessen Antrieb erforderliche Leistung sich wie folgt berechnet: 42 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h , 0,8 = 680 x 103 kcal/h.
Aufgrund der Anordnung des Wärmetauschers ist daher im Gegensatz zur bisherigen Vorrichtung, die einen Leistungs-3 bedarf von 809 x 10 kcal/h besitzt, nur eine Leistung von 680 x 103 kcal/h erforderlich, woraus sich eine Leistungs-bzw. Energieeinsparung von 129 x 103 kcal/h ergibt. Da weiterhin 146 x 103 kcal/h an Leistung in der Expansionsturbine 67 zurückgewonnen werden können, läßt sich der entsprechende Leistungsanteil für den Kompressor 28 einsparen, so daß sich eine Gesamtleistungseinsparung für den Kompressor 28 von (129 x 103 + 146 x 103) kcal/h ergibt, was etwa 34 % der für den Antrieb des Kompressors erforderlichen Leistung bzw. Energie entspricht.
Beispiel 2 Es wurde ein Luft-Trennversuch unter Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt, bei welcher anstelle der Expansionsturbine 67 gemäß Fig. 2 ein Druckregelventil verwendet wurde Die Adsorptionssäulen 1 und 2 wurden mit 20 kg Fe-Na-A-Zeolith einer Korngröße von etwa 1 mm gefüllt Trockene Luft von 25 0C und 1 ata wurde durch den Kompressor 28 auf 6,5 ata verdichtet. Die Temperatur der Luft unmittelbar nach der Verdichtung betrug etwa 2300C Diese etwa 230je warme Druckluft wurde auf etwa OOC abgekühlt und dann in einer Menge von 10 Nm3/h zur Adsorptionssäule 1 geleitet, um gasförmiges O, am genannten Zeolith zu adsorbieren. Dabei herrschte in der Adsorptionssäule 1 ein Druck von etwa 6 ata Die Adsorptionssäule 1 lieferte gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder darunter in einer Menge von 5,8 Die Adsorptionssäule 2 lieferte gasförmiges °2 mit einer 02-Konzentration von 81 % in einer Menge von 2,0 Nm3/h, wobei sich ihr Enddruck auf 0,2 ata verringerte.
Bei diesem Versuch wurde die Adsorption von Luft mittels einer kleine Abmessungen besitzenden Vorrichtung untersucht, in welcher die Druckluft in einer Menge von 10 Nm3/h gefördert wurde; hierbei war die Gasfördermenge zu niedrig, um einen Betrieb der Expansionsturbine 67 zu erlauben. Bei Vergrößerung dieser Vorrichtung auf eine mögliche Druckluft-Fördermenge zur Adsorptionssäule 1 von 10 000 Nm3/h kann dagegen die Expansionsturbine 67 betrieben werden, wobei auf die beschriebene Weise gasförmiges N2 und O, in den im folgenden angegebenen Mengen anfallen Beim Adsorptionsvorgang wird gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder darunter in einer Strömungsmenge von 5800 Nm3/h geliefert, während bei der Desorption gasförmiges 02 mit einer 02-Konzentration von 81 % in einer Strömungsmenge von 2000 Nm3/h geliefert wird.
Im folgenden sollen die Wärmemengen in den betreffenden Einheiten der Vorrichtung für die Verarbeitung oder Behandlung von Druckluft in einer Menge von 10 000 Nm3/h berechnet werden. Hierbei sind wiederum die Wärmeinhalte von Luft, gasförmigem 02 und gasförmigem N2 der Einfachheit halber als jeweils gleich groß vorausgesetzt.
Nach der adiabatischen Verdichtung von trockener Luft von 25° C und 1 ata mittels des Kompressors 28 auf 6,5 ata ergibt sich der Enthalpie- bzw. Wärmeinhaltsunterschied zu 50 kcal/kg, so daß sich bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Kompressors von 80 % die für die Behandlung von trockener Luft in einer Menge von 10 000 Nm3/h (12,95 x 103 kg/h) erforderliche Leistung wie folgt berechnet: 50 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h 0 0,8 = 809 x 103 kcal/h.
Der Enthalpie- bzw. Wärmeinhaltsunterschied für den Fall, daß gasförmiges N2 von OOC und 6 ata nach der Adsorption in der Adsorptionssäule 1 in der Expansionsturbine 67 einer adiabatischen Ausdehnung bzw. Expansion auf 1,2 ata unterworfen wird, beträgt 24 kcal/kg, so daß bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Expansionsturbine 67 von 80 % die für die Behandlung oder Verarbeitung des gasförmigen N2 in einer Menge von 5800 Nm3/h (7,3 x 103 kg/hj benötigte Leistung sich wie folgt berechnet: 24 kcal/kg x 7,3 x 103 kg/h x 0,8 = 140 x 10 kcal/h.
Die Temperatur des aus der Expansionsturbine 67 austretenden gasförmigen N2 wird aufgrund der adiabatischen Expansion von OOC auf etwa -850C gesenkt, so daß bei Zufuhr dieses kalten N2 als Kühlmittel zum Wärmetauscher 62 und Austritt mit einer Temperatur von OOC aus letzterem die Temperatur der vor der Verdichtung in den Wärmetauscher 62 einströmenden trockenen Luft um 480C gesenkt werden kannv so daß diese trockene Luft mit einer Temperatur von -230C aus dem Wärmetauscher 62 austritt. Der Enthalpie- bzw.
Wärme inhalt sunterschied bei adiabatischer Verdichtung von trockener Luft von -23°C und 1 ata auf 6,5 ata beträgt somit 43 kcal/kg, so daß sich bei einem Wirkungsgrad des Kompressors 28 von 80 % die für den Antrieb des Kompressors 28 erforderliche Leistung wie folgt berechnet: 43 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h -: 0,8 = 696 kcal/h.
Aufgrund der Anordnung des Wärmetauschers 62 ist daher im Gegensatz zur bisherigen Vorrichtung, die einen Leistungsbedarf von 809 x 103 kcal/h besitzt, nur eine Leistung von 696 x 103 kcal/h erforderlich, was eine Energie bzw, Leistungseinsparung von 113 x 103 kcal/h bedeutet. Da weiterhin in der Expansionsturbine 67 eine Leistung von 140 x 103 kcal/h zurückgewonnen werden kann, läßt sich die entsprechende Leistungsmenge für den Antrieb des Kompressors 28 einsparen, so daß sich eine Gesamtleistungs-bzw. -energieeinsparung für den Kompressor 28 von 113 x 103 + 140 x 103 kcal/h entsprechend etwa 31 % der für den Antrieb des Kompressors erforderlichen Leistung ergibt.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind wiederum die den vorher beschriebenen Teilen entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet, wobei im folgenden die Ausführungsform gemäß Fig 5 nur insoweit erläutert ist, wie sie sich von der Ausführungsforn nach Fig. 4 unterscheidet# Gemäß Fig 5 ist die durch den Motor 31 angetriebene Vakuumpumpe 32 nicht vorgesehen Von der zeitzN2-Ableitung 68 zweigt eine N2-Rückführleitung 69 ab, und an der Seite der Adsorptionssäulen 1 und 2, an welcher die Ableitungen 53 bzw. 55 vorgesehen sind, sind weiterhin N2-Zufuhrleitun- gen 71 bzw. 73 angeordnet, die von der N2-Rückführleitung 69 abzweigen und mit Ventilen 70 bzw. 72 versehen sind.
Der Unterschied zwischen der Ausführungsform nach Fig. 5 und derjenigen gemäß Fig. 4 liegt nur in dem unter reduziertem Druck erfolgenden Desorptionsvorgang, weshalb im folgenden nur auf diesen Unterschied Bezug genommen werden wird. Bei einem in der Adsorptionssäule 2 stattfindenden Adsorptionsvorgang sind die Ventile 13 und 23 geschlossen, und die Ventile 25, 17, 36 und 72 sind ebenfalls geschlossen, während nur das Ventil 15 offen ist, um die in der Adsorptionssäule 2 enthaltene Luft über das Ventil 15, die Luftableitung 16 und die Luftableitung 30 abzuführen und dabei den in der Säule 2 herrschenden Druck zu senken.
Hierbei tritt zunächst die in den Zwischenräumen zwischen den Adsorbenskörnchen gesammelte Luft über die Luftableitung 30 aus, worauf ein Gas mit allmählich zunehmender 02-Konzentration austritt. Wenn die 02-Konzentration des über die Luftableitung 30 strömenden Gases eine vorbestimmte Größe erreicht hat, werden das Ventil 13 geschlossen und das Ventil 17 geöffnet. Weiterhin wird das in der Adsorptionssäule 2 enthaltene Gas über das Ventil 17 und die 02-Ableitung 52 und 30 zur weiteren Drucksenkung in der Säule 2 abgeführt, und wenn der Druck auf eins vorbestimmten Wert gesenkt worden ist, öffnet das Ventil 72 zur Förderung eines Teils des gasförmigen N2 mit reduziertem Druck über die Rückführleitung 69 und die N2-Zufuhrleitung 73 zur Adsorptionssäule 2, in welchem gasförmiges 02 aufgrund des Unterschieds zwischen dem Partialdruck des gasförmigen Q2 entsprechend der im Adsorbens adsorbierten 02-Menge und dem Partialdruck des gasförmigen 02 im geförderten N2-Gas vom Adsorbens desorbiert wird, wobei das desorbierte gasförmige 02 durch das gasförmige N2 aus gespült und von der Säule 2 über das Ventil 17 und die 02-Åbleitungen 52 und 57 zu einer vorbestimmten Stelle bzw. Anlage (Verbraucher) geleitet wird. Anschließend schließen die Ventile 17 und 72, während die Ventile 25 und 36 öffnen. Bei offenen Ventilen 36 und 25 wird ein Teil des über die N2-Ablei tung 58 strö- menden gasförmigen N2 über die Leitung 59 und die Zufuhrleitung 56 in die Adsorptionssäule 2 eingeführt, um dabei den in dieser herrschenden Druck anzuheben Wahlweise kann der Druck in der Adsorptionssäule 2 durch Zufuhr von Druckluft anstelle von N2-Gas über die Luftleitung 29 und die Luftzufuhrleitung 14 in die Säule 2 erhöht werden, indem bei geschlossenen Ventilen 25 und 36 das Ventil 13 geöffnet wird.
Bei dieser und weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind verschiedene Abwandl tin<jen möglich, belsplelsweise kann jede beliebige Zahl von Adsorptionssaulen angewandt werden, die Expansionsturbine 67 kann mit der Vakuumpumpe 32 anstelle des Motors 31 verbunden sein, usw. Außerdem kann je nach den jeweiligen Betriebsbedingungen zur Gewährleistung eines besseren Leistungsabgleichs anstatt der Herabsetzung des Energiebedarfsanteils des Kompressors 28 die einen vergleichsweise großen Aufwand bedeutende Kühlbelastung reduziert werden, indem ein weiterer Wärmetauscher entweder anstelle des Kühlgeräts 42 oder an einer diesem nachgeschalteten Stelle vorgesehen wird, wobei ein Teil des aus der Expansionsturbine 67 austretenden gasförmigen N2 zu diesem weiteren Wärmetauscher geleitet und die Luft durch den Kälteinhalt des N2-Gas es gekühlt wird.
Weiterhin kann auch ein anderer Adsorbens verwendet werden, um die Adsorptionstrennung von N2 oder von Peuchtigkeit bzw. die Auftrennung von anderen Gasgemischen als Luft zu erreichen.
Bei der in Fig. 6 dargestellten fünften Ausführungsform der Erfindung sind die den Teilen von Fig. 2 entsprechenden Teile mit denselben Bezugszeichen wie dort bezeichnet.
Im folgenden sind nur die Unterschiede gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 erläutert.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind der Entwässerer 63 und der Trockner 64 nicht in der Luft-Hauptzufuhrleitung 29 vorgesehen, vielmehr ist in diese Leitung ein dem Kompressor 28 vorgeschalteter Wärmetauscher 62 (zusätzlich) eingeschaltet. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist dieselbe wie bei derjenigen nach Fig. 2, nur mit dem Unterschied, daß das aus der Expansionsturbine 67 austretende kalte gasförmige N2 über die Leitung 65 in den Wärmetauscher 62 eingeführt wird, in welchem es die einströmende Luft abkühlt und dabei selbst eine Temperaturerhöhung vor der Weiterleitung zu einer externen Ausrüstung erfährt.
Im folgenden ist die Vorrichtung nach Fig. 6 anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1 Anstelle der Expansionsturbine 67 wurde bei der Vorrichtung nach Fig. 6 ein Druckregelventil verwendet, während anstelle des Wärmetauschers 61 ein Kühlgerät vorgesehen wurde.
Die Adsorptionssäulen 1 und 2 wurden mit 30 kg Fe-K-Na-A-Zeolith eines Korndurchmessers von etwa 1 mm gefüllt.
Trockene Luft einer Temperatur von 25° C und eines Drucks von 1 ata wurde durch den Kompressor 28 auf 6,5 ata verdichtet. Unmittelbar darauf wurde die Druckluft auf etwa 25 0C gekühlt und der Adsorptionssäule 1 in einer Menge von 10 Nm3/h zugeführt, um durch den genannten Zeolith-Adsorbens gasförmiges 02 zu adsorbieren. Der in der Säule 1 herrschende Druck betrug dabei etwa 6 ata. Aus der Säule 1 trat ein gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder darunter in einer Menge von 5,6 Nm3/h aus.
Die Adsorptionssäule 2, in welcher ein Desorptionsvorgang stattfand, lieferte gasförmiges 02 mit einer 02-Konzen-3 tration von 78 % in einer Menge von 2,0 Nm /h, wobei sich der Enddruck dieser Säule 2 auf 0,2 ata verringerte.
Der Versuch gemäß diesem Beispiel wurde wiederum mittels einer kleinen Vorrichtung mit einer Druckluft-Fördermenge von 10 Nm3/h durchgeführt, so daß eine Betätigung der Expansionsturbine 67 nicht möglich war. Bei Vergrößerung dieser Vorrichtung auf eine der Adsorptionssäule 1 zugeführte Druckluftmenge von 10 000 Nm3/h kann andererseits die Expansionsturbine 67 betrieben werden, wobei auf die vorher im einzelnen erläuterte Weise gasförmiges N2 und O, wie folgt erhalten werden Während des Adsorptionsvorgangs fällt gasfu)rm£ges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder darunter in einer (Durchsatz-)Menge von 5600 Nm3/h an, während im Verlauf des Desorptionsvorgangs gasförmiges 02 mit einer 02-onzentration von 78 % in einer Menge von 2000 Nm3/h geliefert wird.
Die Wärmemengenberechnungen für eine Druckluft-Fördermenge von 10 000 Nm3/h erfolgen auf dieselbe Weise wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen Ein Enthalpie- bzw. Wärmeinhaltsunterschied bei adiabatischer Verdichtung trockener Luft von 25 0C und 1 ata mittels des Kompressors 28 auE 6,5 ata betragt 50 k<al/kq, so daß sich bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Kompressors 28 von 80 % die für die Behandlung oder Verarbeitung trockener Luft in einer Menge von 10 000 Nm3/h (12,95 x 103 kg/h) erforderliche Leistung berechnet zu: 50 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h < 0,8 = 809 x 10 kcal/hn Der Wärmeinhaltsunterschied für den Fall, daß gasförmiges N2 von 250C und 6 ata von der Adsorptionssäule 1 in welcher der Adsorptionsvorgang stattfindet, in der Expansionsturbine 67 einer adiabatischen Ausdehnung oder Expansion auf 1,2 ata unterworfen wird, beträgt 26 kcal/kg. Unter Annahme eines Wirkungsgrads von 80 % für die Expansionsturbine 67 ist daher der bei Behandlung von gasförmigem N2 in einer Menge von 5600 Nm3 /h (7,0 x 103 kg/h) erzielte Leistungsgewinn folgender: 26 kcal/kg x 7,0 x 103 kg/h x 0,8 = 146 x 103 kcal/h.
Das mit 25 0C aus der Säule 1 austretende gasförmige N2 tritt als Kühlmittel in den Wärmetauscher 61 ein, in welchem es einen Wärmeaustausch mit der Druckluft eingeht und dabei auf 35 0C erwärmt wird, um anschließend in die Expansionsturbine 67 einzuströmen.- Der Wärmeinhaltsunterschied bei der adiabatischen Ausdehnung des gasförmigen N2 von 350C und 6 ata auf 1,2 ata in der Expansionsturbine 67 beläuft sich auf 27 kcal/kg. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 80 % der Expansionsturbine berechnet sich somit die durch die Expansionsturbine 67 zurückgewonnene Leistung bzw. Energie zu: 27 kcal/kg x 7,0 x 103 kg/h x 0,8 = 151 x 103 kcal/h.
Die Temperatur des aus der Expansionsturbine 67 ausströmenden N2 verringert sich aufgrund der adiabatischen Expansion von 35 0C auf etwa -540C, so daß dann, wenn dieses kalte N2 dem Wärmetauscher 62 als Kühlmittel zugeführt und aus diesem mit einer Temperatur von 150C entlassen wird, die Temperatur der in den Wärmetauscher 62 eintretenden trockenen Luft vor ihrer Verdichtung um 37 0C gesenkt werden kann, so daß ihre Temperatur demzufolge -120C beträgt.
Der Enthalpie- bzw. Wärmeinhaltsunterschied bei adiabatischer Verdichtung von trockener Luft von -120C und 1 ata auf 6,5 ata beträgt 44 kcal/kg, so daß sich bei einem 80 %eigen Wirkungsgrad des Kompressors 28 die für dessen Antrieb benötigte Leistung wie folgt berechnet: 3 3 44 kcal/kg x 12,95 x 10 kg/h ¢ 0,8 = 712 x 103 keal/hO Aufgrund der Anordnung des Wärmetauschers 62 wird somit im Vergleich zur bisherigen Vorrichtung, die einen Leistungsbedarf von 809 x 103 kcal/h besitzt, nur eine Leistung von 712 x 103 kcal/h benötigt, so daß sich eine Leistungs- bzw Energieeinsparung von 97 kcal/h ergibt Weiterhin können 15 x 103 kcal/h in der Expansionsturbine 67 zurückgewonnen werden, so daß die für den Kompressor 28 erforderliche Leistung um einen entsprechenden Betrag herabgesetzt wird und somit eine Gesamtleistungseinsparung von 15 x 103 + 97 x 103 kcal/h erzielt wird, was etwa 31 % der für den Antrieb des Kompressors 28 benötigten Energie entspricht Da die Temperatur der trockenen Luft vor der Verdichtung durch das aus der Expansionsturbine 67 austretende, niedrige Temperatur besitzende gasförmige N2 und weiterhin durch das aus der Adsorptionssäule 1 austretende gasförmige N2 gesenkt wird, kann die Kühlbelastung des Nachkühlers 60, des Kühlgeräts 42, usw. verringert werden.
Beispiel 2 Bei diesem Beispiel wurde anstelle der Expansionsturbine 67 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 ein Druckregelventil verwendet, während anstelle des Wärmetauschers 61 ein Kühlgerät verwendet wurde.
Die Adsorptionssäulen 1 und 2 wurden mit 20 kg Fe-Na-A-Zeolith einer Korngröße von etwa 1 mm gefüllt.
Im Kompressor 28 wurde trockene Luft von 250C und' 1 ata auf 6,5 ata verdichtet. Unmittelbar darauf wurde die verdichtete Luft bzw. Druckluft auf etwa OOC gekühlt und dann in einer Menge von 10 Nm3 /h der Adsorptionssäule 1 zugeführt, um gasförmiges 02 am genannten Zeolith-Adsorbens zu adsorbieren. Der Druck in der Säule 1 betrug da- bei etwa 6 ata. Die Säule 1 lieferte gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder weniger in einer Menge von 5,8 Nm3/h.
Die Adsorptionssäule 2, in welcher ein Desorptionsvorgang stattfand, lieferte gasförmiges 0 2 mit einer 02-Konzentration von 81 % in einer Menge von 2,0 Nm3/h, wobei der Druck in der Säule 2 auf einen Enddruck von 0,2 ata abfiel.
Der vorstehende Versuch erfolgte mit einer Vorrichtung kleiner Abmessungen, in welcher die Druckluft in einer Menge von 10 Nm3/h gefördert wurde. Der Betrieb einer Expansionsturbine 67 war daher infolge der kleinen Gas-Durchsatz- bzw. -Fördermengen nicht möglich. Bei einer Vergrößerung der Vorrichtung zur Gewährleistung einer Druckluft-Fördermenge-von 10 000 Nm3/h zur Adsorptionssäule 1 kann dagegen auf vorher beschriebene Weise die Expansionsturbine 67 betrieben werden, wobei die im folgenden angegebenen Werte für geliefertes gasförmiges N2 und 0 2 erzielt werden.
Beim Adsorptionsvorgang fällt gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 1 % oder weniger in einer (Durchsatz-) Menge von 5800 Nm3/h an, während im Desorptionsvorgang gasförmiges 02 mit einer 02-Konzentration von 81 % in einer Menge von 2000 Nm3/h anfällt.
Die Berechnungen der Wärmemengen für eine Druckluft-Durchsatz-Menge von 10 000 Nm3/h erfolgen wiederum unter den vorstehend im einzelnen angegebenen Bedingungen.
Der Wärmeinhaltsunterschied bei adiabatischer Verdichtung trockener Luft von 25 0C und eines Drucks von 1 ata auf 6,5 ata im Kompressor 28 beträgt 50 kcal/kg, so daß sich unter Annahme eines 80 %igen Wirkungsgrads des Kompres- sors 28 der Leistungsbedarf für die Behandlung von trockener Luft in einer Menge von 10 000 Nm3 /h wie folgt berechnet: 50 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h o 0,8 = 809 x 103 kcal/h Der Enthalpie- bzw Wärmeinhaltsunterschied für den Fall, daß von der Adsorptionssäule 1 in welcher ein Adsorptionsvorgang stattfindet, mit OOC und 6 ata geliefertes gasförmiges N2 in der Expansionsturbine 67 einer adiabatischen Expansion auf 1,2 ata untemrworfcn wird, beläuft sich auf 24 kcal/kg Bei einem angenommenen Wirkllnsyrad der Expansionsturbine 67 von 80 % berechnet sich somit die bei der Behandlung oder Verarbeitung von gasförmigem N2 in einer Menge von 5800 Nm3 /h gewonnene Leistung wie folgt: 24 kcal/kg x 7,3 x 103 kg/h x 0,8 = 140 x 103 kcal/h.
Das mit OOC aus der Adsorptionssäule 1 austretende gasförmige N2 tritt als Kühlmittel in den Wärmetauscher 61 ein, in welchem es einen Wärmeaustausch mit der verdichteten trockenen Luft eingeht und dabei auf 250C erwärmt wird, um anschließend in die Expansionsturbine 67 einzutreten Der Wärmeinhaltsunterschied bei der adiabatischen Expansion eines gasförmigen N2 mit einem Druck von 6 ata auf 1,2 ata in der Expansionsturbine beträgt 26 kcal/kg Bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Expansionsturbine 67 von 80 % berechnet sich somit die in der Expansionsturbine 67 zurückgewonnene Leistung bzw Energie zu 26 kcal/kg x 7,3 x 103 kg/h x 0,8 = 152 x 103 kcal/h.
Das aus der Expansionsturbine 67 ausströmende N2 erfährt aufgrund der adiabatischen Expansion eine Temperatursenkung von 25 0C auf -63 0c. Wenn dieses kalte gasförmige N2 als Kühlmittel zum Wärmetauscher 62 geleitet und von diesem mit einer Temperatur von OOC abgenommen wird, kann die Temperatur der den Wärmetauscher 62 durchströmenden Druckluft um 360C gesenkt werden, so daß die aus dem Wärmetauscher 62 ausströmende trockene Luft vor der Verdichtung eine Temperatur von -11°C besitzt.
Der Enthalpie- bzw. Wärmeinhaltsunterschied bei adiabatischer Expansion bzw. Verdichtung von trockener Luft von -11°C und 1 ata auf 6,5 ata beträgt 44 kcal/kg. Bei einem Wirkungsgrad des Kompressors 28 von 80 % berechnet sich daher die für den Kompressor 28 benötigte Leistung wie folgt: 44 kcal/kg x 12,95 x 1010 kg/h x 0,8 = 712 x 103 kcal/h.
Aufgrund der Anordnung des Wärmetauschers 62 benötigt daher der Kompressor im Vergleich zur bisherigen Vorrichtung, die einen Leistungsbedarf von 809 x 103 kcal/h besitzt, nur eine Leistung von 712 x 103 kcal/h, was eine Energie-bzw. Leistungseinsparung von 97 x 103 kcal/h bedeutet.
Weiterhin können 152 x 103-kcal/h in der Expansionsturbine 67 zurückgewonnen werden, so daß die entsprechende Energiemenge gespart wird und sich eine Gesamtleistungseinsparung 3 3 von 152 x 10 + 97 x 103 kcal/h ergibt, was etwa 31 g der für den Antrieb des Kompressors 28 benötigten Leistung entspricht.
Da die Temperatur der trockenen Luft vor der Verdichtung durch das aus der Expansionsturbine 67 austretende gasförmige N2 niedriger Temperatur und außerdem die Temperatur der Druckluft durch das aus der Adsorptionssäule 1 ausströmende gasförmige N2 gesenkt wird, kann auch die Kühlbelastung des Nachkühlers 60, des Kühlgeräts 42, usw.
verringert werden Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die der Ausführungsform nach Fig. 3 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet. Im folgenden sind daher nur die Unterschiede zur Ausführungsform nach Fig. 3 erLäutert.
Bei dieser AusfUhrun<sSorm sind der Entwasserer (drainseparator) 63 und der Trockner 64 in der Luft-Hauptzufuhrleitung 29 nicht vorgesehen, dagegen ist ein Wärmetauscher 62 dem Kompressor 28 vorgeschaltet Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform entspricht derjenigen bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3, nur mit dem Unterschied, daß das aus der Expansionsturbine 67 austretende kalte N2 über eine Leitung 65 in den Wärmetauscher 62 eingeführt wird, wo es die einströmende Luft abkühlt und dabei vor der Weiterförderung zur externen Ausrüstung eine Temperaturerhöhung erfährt.
Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind den Teilen gemäß Fig. 2 entsprechende Bauteile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet, wobei im folgenden nur die Unterschiede gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 erläutert sind.
Bei dieser Ausführungsform sind wiederum der Entwässerer 63 und der Trockner 64 nicht in die Luft-Hauptzufuhrleitung 29 eingeschaltet, doch ist in dieser Leitung dem Kompressor 28 ein Wärmetauscher vorgeschaltet. Die N2-Ableitung 58 ist dabei nicht mit dem nachgeschalteten Wärmetauscher 61, sondern mit dem vorgeschalteten Wärmetauscher 62 verbunden. Weiterhin verbindet die Leitung 65 den Auslaß des Wärmetauschers 62 mit dem Einlaß der Expansionsturbine 67, während der Auslaß dieser Turbine über die Leitung 66 mit dem nachgeschalteten Wärmetauscher 61 verbunden ist.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform entspricht derjenigen nach Fig. 2 mit dem Unterschied, daß das kalte gasförmige N2 von der Ableitung 58 im stromaufseitigen bzw. vorgeschalteten Wärmetauscher 62 durch die einströmende Luft erwärmt wird, bevor das N2 in der Turbine 67 expandiert und erneut abgekühlt wird. Sodann wird das N2 über die Leitung 65 zum nachgeschalteten Wärmetauscher 61 geleitet, in welchem es die einströmene Luft weiter abkühlt, während sich seine Eigentemperatur erhöht, bevor es zur externen Ausrüstung abgeleitet wird.
Beispiel Atif diese Wesc wie bei den vorher beschrltbenen Bei spielen wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem anstelle der Expansionsturbine 67 ein Druckregelventil und anstelle des Wärmetauschers 61 ein Kühlgerät vorgesehen waren.
Die Adsorptionssäulen 1 und 2 wurden mit 20 kg Fe-Na-A-Zeolith einer Korngröße von etwa 1 mm gefüllt. Durch den Kompressor 28 wurde trockene Luft von 250C und 1 ata auf 6,5 ata verdichtet. Die Temperatur der Luft unmittelbar nach der Verdichtung betrug 2300C. Diese verdichtete Luft bzw. Druckluft von etwa 2300C wurde auf etwa OOC abgekühlt und dann in einer Menge von 10 Nm3/h zur Adsorptionssäule 1 überführt, um gasförmiges 02 gegen den genannten Zeolith-Adsorbens zu adsorbieren. Der dabei in der Säule 1 herrschende Druck betrug etwa 6 ata. Die Säule 1 lieferte gasförmiges N2 mit einer 02-Konzentration von 81 % in einer (Durchsatz-)Menge von 2,0 Nm3/h, wobei der Enddruck der Säule 2 sich auf 0,2 ata verringerte.
Hierbei wurde wiederum eine Vorrichtung kleiner Abmessungen verwendet, in welcher die Druckluft in einer Menge von 10 Nm3/h strömte, so daß sich ein Betrieb der Expansionsturbine 67 als unmöglich erwies. Bei einer solchen Vergrößerung der Vorrichtung, daß der Adsorptionssäule Druck- luft in einer Menge von 10 000 Nm3/h zugeführt werden kann, kann dagegen die Expansionsturbine 67 eingesetzt werden Die Trennung von Luft in N2 und 02 erfolgt auf die vorstehend beschriebene und im folgenden näher erläuterte Weise Bei der Adsorption fällt ein gasförmiges N2 mit einer 02 Konzentration von 1 »- oder darunter in einer Menge von 5800 Nm3/h an, während der Desorptionsvorgang gasförmiges 02 mit einer 02-Konzentration von 81 % in einer Menge von 2000 Nm3/h liefert Die Berechnung der Wärmemengen für eine Druckluft-Durchsatzmenge von 10 000 Nm3/h erfolgt unter den vorher bereits angegebenen Bedingungen Der Enthalpie- bzw Wärmeinhaltsunterschied hei <ldi~ tischer Verdichtung von 250c warmer trockener Luft eines Drucks von 1 ata auf 6,5 ata mittels des Kompressors 28 beträgt 50 kcal/kg, so daß bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Kompressors 28 von 80 % sich die für die Verarbeitung oder Behandlung der trockenen Luft in einer Menge von 10 000 Nm3/h (12,95 x 10 -3kg/h) erforderliche Leistung wie folgt berechnet: 50 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h 4 0,8 = 809 x 103 lccal/h.
Der Wärmeinhaltsunterschied für den Fall, daß gasförmiges N2 von OOC und 6 ata von der Adsorptionssäule 1, in welcher der Adsorptionsvorgang stattfindet, in der Expansionsturbine 67 einer adiabatischen Ausdehnung oder Expansion auf 112 ata unterworfen wird, beträgt 24 kcal/kg.
Unter Annahme eines Wirkungsgrads der Expansionsturbine 67 von 80 % berechnet sich somit die bei der Behandlung von gasförmigem N2 in einer Menge von 5800 Nm3/h (7,3 x 103 kg/h) gewonnene Leistung zu: 3 3 24 kcal/kg x 7,3 x 10 kg/h x 0,8 = 140 x 10 kcal/h.
Das von der Adsorptionssäule 1 kommende gasförmige N2 tritt als Kühlmittel in den Wärmetauscher 62 ein, in welchem es die Temperatur der trockenen Luft von 25 0C vor der Verdichtung auf 100C senkt; dabei erwärmt sich das gasförmige N2 auf 180C, um anschließend in die Expansionsturbine 67 einzuströmen. Der Enthalpie- bzw.
Wärmeinhaltsunterschied bei der adiabatischen Verdichtung der trockenen Luft von 100C und 1 ata auf 6,5 ata beträgt 48 kcal/kg. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Kompressors 28 von 80 % ergibt sich die für den Antrieb des Kompressors 28 erforderliche Leistung wie folgt: 48 kcal/kg x 12,95 x 103 kg/h ', 0,8 = 777 x 103 kcal/h.
Der Wärmeinhaltsunterschied bei der adiabatischen Expansion des gasförmigen N2 von 180C und 6 ata auf 1,2 ata in der Expansionsturbine 67 beläuft sich auf 26 kcal/kg.
Bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Expansionsturbine 67 von 80 % beträgt somit die in der Expansionsturbine 67 zurückgewonnene Energie bzw. Leistung: 26 kcal/kg x 7,0 x 103 kg/h x 0,8 = 152 x 103 kcal/h.
Durch den Wärmetauscher 62 kann somit die für den Kompressor crfordortiche Leistung um 4 % verringert werellen, w#t#rend weiterhin auch die Leistungsrückgewinnung durch die Expansionsturbine 67 um etwa 10 % erhöht werden kann. Bezüglich der Gesamtleistungseinsparung bedeutet dies, daß im Gegensatz zur bisherigen Vorrichtung, die einen Leistungsbedarf von 809 x 103 kcal/h besitzt, nur eine Leistung von 777 x 103 kcal/h erforderlich ist, was eine Energie- bzw. Leistungseinsparung von 32 x 10# kcal/h bedeutet. Da weiterhin 152 x 103 kcal/h zurückgewonnen werden können, kam diese Leistungs- oder Energie- menge ebenfalls eingespart werden, so daß sich eine Gesamtenergieeinsparung von 152 x 103 + 32 x 103 kcal/h ergibt, was etwa 23 % des Gesamtleistungsbedarfs ausmacht.
Wenn weiterhin die Temperatur des aus der Expansionsturo bine 67 ausströmenden gasförmigen N2 durch die adiabatische Expansion beispielsweise auf -690C gesenkt wurde, kann dieses gasförmige N2 als Kühlmittel dem Wärmetauscher 61 zugeführt werden und mit einer Temperatur von OOC aus ihm austreten, wobei die den Wärmetauscher 61 durchströmende verdichtete Luft bzw. Druckluft um 39 0C gekühlt wird.
Die Temperatur der in den Wärmetauscher 61 einströmenden Druckluft kann somit 39 0C betragen, sodaß sie nach der Verdichtung mittels des Nachkühlers 60 oder dergleichen lediglich auf diese Temperatur von 39° C gekühlt zu werden braucht. Da weiterhin die Temperatur der Luft vor ihrer Verdichtung gesenkt wird, kann die Kühlbelastung des Nachkühlers 60 oder dergleichen entsprechend dem genannten, geringeren Kühlungsgrad herabgesetzt werden.
Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind wiederum den Teilen der Ausführungsform nach Fig. 3 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet, wobei im folgenden nur die gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3 unterschiedlichen Abschnitte erläutert sind.
Gemäß Fig. 9 sind in der Luft-Hauptzufuhrleitung 29 der Entwässerer 63 und der Trockner 64 nicht vorhanden, während in diese Leitung ein dem Kompressor 28 vorgeschalteterWärmetauscher 62 eingeschaltet ist. Hierbei ist die N2-Ableitung 58 nicht mit dem nachgeschalteten Wa%metauscher 61, sondern mit dem vorgeschalteten Wärmetauscher 62 verbunden. Außerdem ist die Leitung 65 dabei vom Auslaß des Wärmetauschers 62 zum Einlaß der Expansionsturbine 67 geführt, deren Auslaß wiederum über die Leitung 66 mit dem nachgeschalteten Wärmetauscher 61 verbunden ist.
Die Arbeitsweise dieser AusSührungsform gemäß Fig. 9 ist dieselbe wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3,nur nurmit dem Unterschied, daß das von der Ableitung 58 gelieferte kalte gasförmige N2 durch die den vorgeschalteten Wärmetauscher 62 durchströmende Luft erwärmt wird, bevor es sich in der Turbine 7 ausdehnt und dabei wieder abgekühlt wird. Das N2 durchströmt sodann den nachgeschalteten Wärmetauscher über die Leitung 65, wobei es die einströmende Luft weiter abkühlt, während sich seine Eigentemperatur vor der Abfuhr zur externen Ausrüstung weiter erhöht.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Auftrennen eines Rohgasgemisches Patentansprüche 1. Verfahren zum Auftrennen eines Rohgasgemisches, bei dem das Rohgasgemisch verdichtet, sodann gekühlt und hierauf in eine mit einem Adsorbens bzw. Adsorptionsmittel gefüllte Adsorptionssäule eingeführt wird, um dabei einen adsörbierbaren Gasbestandteil des Gasgemisches zu absorbieren bzw. aufzunehmen und den bzw die rcsl-lichen 7 n i ç adsorbierten Gasbestandteil(e) aus der Adsorptionssäule abzuziehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem nicht adsorbierten, aus der Adsorptionssäule abgezogenen Gasbestandteil und dem einströmenden Rohgasgemisch ein Wärmeaustausch unter Erwärmung dieses Gasbestandteils und Kühlung des Rohgasgemisches durchgeführt wird und daß der nicht adsorbierte Gasbestandteil einer adiabatischen Expansion bzw. Ausdehnung zwecks Rückgewinnung seiner Druckenergie zugeführt wird, so daß aus dem nicht adsorbierten Gasbestandteil wirksam Energie rückgewonnen und die für die Kühlung des Rohgasgemisches auf Adsorptionstemperatur erforderliche Kühlenergiemenge herabgesetzt wird.
2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch nach der Verdichtung des zugeführten Rohgasgemisches durchgeführt wird, so daß die bei der Verdichtung erzeugte Wärme zumindest die Einstellung der Temperatur des Rohgasgemisches unterstützt, und daß der nicht adsorbierte Gasbestandteil nach dem Wärmeaustausch der adiabatischen Expansion zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Wärmeaustausch mit dem nicht adsorbierten Gasbestandteil das Rohgasgemisch zur Abtrennung von Feuchtigkeit weiter gekühlt, getrocknet und danach auf Adsorptionstemperatur (tief) gekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch vor der Verdichtung des einströmenden Rohgasgemisches und nach der adiabatischen Expansion des nicht adsorbierten Gasbestandteils durchgeführt wird, so daß die Verdichtung des Rohgasgemisches mit reduzierter Energie erfolgen kann.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch sowohl vor als auch nach der Verdichtung des einströmenden Rohgasgemisches durchgeführt wird, daß der nicht adsorbierte Gasbestandteil für einen an- fänglichen Wärmeaustausch mit dem Rohgasgemisch nach der Verdichtung desselben zugeführt und danach der adiabatischen Expansion zugeführt wird, um eine erhöhte Energierückgewinnung zu erlauben, und daß dieser, nunmehr gekühlte Gasbestandteil (sodann) dem zweiten Wärmeaustauschschritt zugeführt wird, um den Kühl(energie)bedarf für das Rohgasgemisch zu verringern.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohgasgemisch nach der Verdichtung und vor seiner Uberführung zum anfänglichen Wärmeaustausch mit dem nicht adsorbierten Gasbestandteil gekühlt und nach dem anfänglichen Wärmeaustausch auf Adsorptionstemperatur (tief) gekühlt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem die Adsorption bei oder unterhalb der Umgebungstemperatur erfolgt dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch sowohl vor als auch nach der Verdichtung des einströmenden, d.h. zugeführten Rohgasgemisches vorgenommen wird, daß der nicht adsorbierte Gasbestandteil einem anfänglichen Wärmeaustausch mit dem Rohgasgemisch vor der Verdichtung desselben zugeführt und dabei erwärmt wird, daß dieser so erwärmte Gasbestandteil sodann der adiabatischen Expansion bei erhöhtem Energierückgewinnungsgrad zugeführt wird und daß dieser, nunmehr abgekühlte Gasbestandteil hierauf dem zweiten Wärmeaustauschschritt zur Unterstützung der Kühlung des Rohgasgemisches zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohgasgemisch nach der Verdichtung (ab)gekühlt wird, bevor es dem zweiten Wärmeaustausch mit dem nicht adsorbierten Gasbestandteil zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die adiabatische Expansion bzw. Ausdehnung in einer Expansionsturbine erfolgt, die zumindest teilweise für den Antrieb eines Kompressors bzw. Luftpressers zum Verdichten des einströmenden Rohgasgemisches herangezogen wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet; daß als Rohgasgemisch Luft eingesetzt wird und daß der adsorbierte Gasbestandteil 02 und der nicht adsorbierte Gasbestandteil N2 sind.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Adsorptionssäulen vorgesehen werden und daß ein Adsorptionsvorgang in der einen und ein Desorptionsvorglng in der anderen Säule durchgeführt werden.
12. Vorrichtung zum Auftrennen eines Rohgasgemisches, mit mindestens einer Adsorptionssäule, einer Rohgasgemisch-Zufuhrleitung mit einem in diese eingeschalteten Kompressor bzw. Luftpresser, an jedem Ende der Säule vorgesehenen, ventilgesteuerten Anschlüssen zur Steuerung der Zufuhr des Rohgasgemisches in die und durch die Säule, so daß ein adsorptionsfähiger Gasbestandteil (adsorbate constituent gas) aus der Säule abgezogen werden kann, und einer Austragleitung bzw. Ableitung für das Abziehen und Abführen des verbleibenden, nicht adsorbierten Gasbestandteils aus der Säule, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung durch die eine Seite eines Wärmetauschers geführt ist, dessen andere Seite in die Rohgasgemisch-Zufuhrleitung eingeschaltet ist, und daß in diese Ableitung eine adiabatische Expansionsvorrichtung eingeschaltet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher dem Kompressor für das Rohgasgemisch nachgeschaltet ist und daß die adiabatische Expansionsvorrichtung in der Ableitung dem Wärmetauscher nachgeschaltet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nachkühler, ein Entwässerer (drain separator), ein Trockner und ein (Tief-)Kühlgerät in dieser Reihenfolge in der Rohgasgemisch-Zufuhrleitung dem Wärmetauscher nachgeschaltet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher in der Rohgasgemiscl;-Zufuhrleitung dem Kompressor vorgeschaltet und in der Ableitung für den nicht adsorbierten Gasbestandteil der adiabatischen Expansionsvorrichtung nachgeschaltet ist 16.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rohgasgemisch-Zufuhrleitung auf beiden Seiten des Kompressors zwei Wärmetauscher eingeschaltet sind und daß die Ableitung für den nicht adsorbierten Gasbestandteil nacheinander an den dem Kompressor nachgeschalteten Wärmetauscher t die adiabatische Expansionsvorrichtung-und den anderen Wärmetauscher angeschlossen ist.
170 Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rohgasgemisch-Zufuhrleitung auf beiden Sei ten des Kompressors zwei Wärmetauscher eingeschaltet sind und daß die Ableitung für den nicht adsorbierten Gasbestandteil nacheinander an den dem Kompressor vorgeschalteten Wärmetauscher, die adiabatische Expansionsvorrichtung und den anderen Wärmetauscher angeschlossen ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet; daß die adiabatische Expansionsvorrichtung eine Expansionsturbine ist, die mit dem Antrieb für den Roh#asgemisch-Kompressor verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. ein Wärmetauscher zur Durchführung eines Wärmeaustausches zwischen dem nicht adsorbierten Gasbestandteil und dem Rohgasgemisch entweder vor oder nach der Verdichtung mit einer über brückungsleitung versehen ist, so daß die Temperatur des-genannten Gasbestandteils zur Ableitung nach außen einstellbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des nach außen abzuführenden, nicht adsorbierten Gasbestandteils über eine Zufuhrleitung der Adsorptionssäule, deren Innendruck gesenkt worden ist, zuführbar ist, so daß der adsorbierte Gasbestandteil in der Adsorptionssäule desorbiert und (aus)gespült werden kann.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei mit einem geeigneten Adsorbens gefüllte Adsorptionssäulen vorgesehen sind, von denen die eine den einen Gasbestandteil adsorbiert und die andere den anderen Gasbestandteil desorbiert, so daß sich ohne weiteres ein gewünschter Gasbestandteil gewinnen läßt.