DE69803143T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Produktion eines gasförmigen Produkts - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Verwendung bei der Produktion eines Gasstroms, enthaltend ein Produktgas, aus einem Reaktantengas, beispielsweise die Produktion eines Ozon enthaltenden Gasstroms aus Sauerstoff.
• Ozon wird industriell für die Verwendung für eine Vielzahl von Zwecken erzeugt. Diese schließen die Desinfektion beispielsweise von Trinkwasser und eine Anzahl chemischer Reaktionen ein. Da Ozon instabil ist und zurück zu Sauerstoff zerfällt, muss es unmittelbar vor seiner Verwendung hergestellt werden. Dies erfolgt herkömmlicherweise in einem Ozongenerator, in dem entweder Luft oder Sauerstoff einer stillen elektrischen Entladung unterworfen werden. Es ist bekannt, dass die Effizienz der Ozonerzeugung von der Sauerstoffkonzentration in dem diesem Verfahren unterworfenen Gas abhängt und mit steigender Sauerstoffkonzentration ansteigt. Bei höheren Sauerstoffkonzentrationen kann die für die Ozonerzeugung aus Sauerstoff erforderliche spezifische Energie 10% niedriger als diejenige sein, die unter Verwendung von Luft erforderlich ist.
• Ein Nachteil der Verwendung von Sauerstoff besteht jedoch in den Kosten für die Abtrennung des Sauerstoffs von Luft. Im Ozongenerator wird nur eine geringe bzw. niedrige Gesamtumwandlung von Sauerstoff in Ozon erzielt, typischerweise von 5 bis 15 Gew.-%, so dass große Mengen an Sauerstoff verschwendet werden, wenn kein Bedarf für das an Sauerstoff angereicherte Gas downstream bzw. stromab des Ozon kontaktierenden Verfahrens besteht, in dem das Ozon verwendet wird. Zahlreiche Anstrengungen sind in der Vergangenheit unternommen worden, um diese Verschwendung an Sauerstoff zu begrenzen.
• Eine Technik, die als "Long-Loop Recycling" (Rückführung in großem Bogen) bekannt ist, ist in der Literatur wohl bekannt und ist in "Handbook of Qzone Technology and Applications", Band 2 (Herausgeber Rip G. Rice - An. Abor. Science), beschrieben. Bei dieser Technik wird sauerstoffreiches Gas, das entweder aus dem Tank für flüssigen Sauerstoff oder als Output einer Lufttrennungseinheit bereitgestellt wird, der Erzeugung von Ozon in einem Ozongenerator unterworfen. Das sauerstoffreiche, Ozon enthaltende Gas wird anschließend in dem Ozon verbrauchenden Prozess wie der Wasserbehandlung eingesetzt. Rückständiges Ozon im Abgas aus diesem Prozess wird anschließend zerstört, was ein sauerstoffreiches Abgas zurücklässt, das mit in dem Ozon verbrauchenden Prozess aufgenommenen chemischen Spezies verunreinigt ist. Diese werden typischerweise Wasser und Stickstoff wie auch Kohlenwasserstoffe umfassen, werden jedoch von der Art des Ozon verbrauchenden Prozesses abhängen. Diese Verunreinigungen müssen aus dem sauerstoffreichen Strom in einem Trocknungs- und Reinigungsschritt entfernt werden, bevor der Sauerstoff zurück in das System upstream oder oberhalb des Ozongenerators recycelt wird oder sie werden den Betrieb des Ozongenerators stören bzw. unterbinden.
• Dieses Verfahren ist nachteilig dahingehend, dass die Reinigung des sauerstoffreichen Abstroms ein komplexes Problem bildet. Die Natur oder Menge aller der verschiedenen Kontaminationen, die vorhanden sein können, ist nicht notwendigerweise bekannt, und falls bekannt, wahrscheinlich einzig für die speziellen verwendeten Verfahrensbedingungen, so dass die Trocken- und Reinigungsstufe angepasst werden muss, um mit jeder einzelnen Situation fertig zu werden bzw. dieser gerecht zu werden. Es besteht ein kontinuierliches Risiko dahin, dass der rückgeführte, sauerstoffreiche Strom Feuchtigkeit in den Ozongenerator einträgt und dieses wird Energie-Ineffizienzen in dem Generator und schließlich permanente Beschädigung verursachen. Wo das Verfahren eines zur Wasserbehandlung darstellt, wird das Ozon-Contacting-Verfahren zu großen Mengen an Stickstoff führen, die aus dem Wasserstrom durch das Sauerstoff/Ozon-Gemisch gestrippt werden, was die Belastung des Recyclingsystems erhöht, das Kohlenwasserstoffe, Wasser und Stickstoff und andere Inertgase entfernen muss, um die Sauerstoffkonzentration auf die Reinheit des Einspeisgases zu bringen. Ein Versagen beim Erzielen dieses Maßes an Reinheit wird den Energieverbrauch des Ozongenerators beeinträchtigen.
• Obwohl die Hauptmenge des Sauerstoffs rückgewonnen werden kann, gibt es signifikante Verluste an Sauerstoff in den Reinigungs- und Trocknungsverfahren.
• Ein alternatives Recyclingverfahren, bekannt als "Short-Loop-Recycling" (Recycling im kurzen Bogen), ist in US-A-2,872,397 (Kiffer) und mit Variationen in zahlreichen anderen Veröffentlichungen beschrieben. Bei diesem Systemtyp wird Sauerstoff wie zuvor zu einem Ozongenerator bereitgestellt, um einen sauerstoffreichen, Ozon enthaltenden Strom zu bilden. Vor dem Ozon verbrauchenden Prozess wird der Sauerstoff aus diesem Strom abgetrennt und upstream des Ozongenerators zurückgeführt. Das Ozon wird in einen anderen Gasstrom wie Luft transferiert. Das Ozon enthaltende Gas wird anschließend zu dem Ozon verbrauchenden Prozess geführt. Abgas aus diesem wird der Zerstörung des verbleibenden Ozons unterworfen und kann anschließend abgelassen werden.
• Der Mechanismus zum Abtrennen des Sauerstoffs aus dem Ozon ist typischerweise die Verwendung eines PSA-Systems (Pressure Swing Adsorbent System = Druckwechseladsorbenssystem), in dem die Mischung aus Sauerstoff und Ozon durch ein festes Adsorbens geführt wird, das das Ozon zurückhält und den Sauerstoff durchtreten lässt. Wenn das Adsorptionsbett ausreichend gesättigt wird, wird ein trockenes Inertgas, typischerweise ein stickstoffreicher Strom aus der Lufttrennungseinheit gegenläufig zum Sauerstoffdurchstrom durch das Bett geführt, um das Ozon aus dem Adsorbens zu desorbieren und einen stickstoffreichen, Ozon enthaltenden Strom zu erzeugen, der in den Ozon verbrauchenden Prozess eingespeist wird. Ein sauerstoffreicher Strom wird anschließend zum Verschieben des Stickstoffs aus dem Bett verwendet, bevor das Bett zurück Online bzw. in Betrieb zum Adsorbieren des Ozons geht. Die Verwendung von drei Betten gestattet es, diese Schritte cyclisch auf jedem Bett durchzuführen, wobei ein Bett zu jeder Zeit On-Stream (am Strom) ist.
• In der US-A-2,872,397 wird am Ende der Betriebsperiode (online Periode) Sauerstoff aus dem Leerstellenvolumen des Bettes abgelassen durch Anwendung eines Vakuumsystems zur Verringerung des Drucks im Bett und dieses evakuierte Niederdruckgas wird rückgewonnen und rekomprimiert zum Recyceln in das System. Dies involviert selbstverständlich Energieverbrauchskosten. Erfolgt dies nicht, verliert man den gesamten Sauerstoff, der mit dem Ozon im Bett co-adsorbiert ist, und das Leerstellenvolumen des Sauerstoffs im Bett aus dem System, wenn der Zyklus auf die Desorption von Ozon aus dem Bett unter Verwendung eines stickstoffreichen Stroms umgestellt wird. Dieser Umstellverlust an Sauerstoff reduziert die Sauerstoffrückgewinnung im Zyklus signifikant. Er führt außerdem Sauerstoff in den Ozon verbrauchenden Prozess, was in Abhängigkeit von der Art dieses Prozesses akzeptabel sein kann oder auch nicht. Ein ähnliches System ist in US-A-4,136,027 (Sakamoto et al.) beschrieben. Das Verfahren nutzt ein Adsorbens, vorzugsweise Silikagel, das vorzugsweise bei niedriger Temperatur arbeitet. Das Verfahren benötigt eine Kühlquelle und ein Wärmeaustauschsystem zum Abkühlen des Einspeisstroms gegen Produktströme. Abgesehen von dieser Komplexität leidet das Verfahren an potenziellen Sicherheitsproblemen, auf Grund der hohen Adsorptionskapazität des Silikagels für Ozon bei niedriger Temperatur. Fehlbetrieb oder Störungen können die Desorption des Ozons bei Konzentrationen bewirken, die für das Auftreten von Explosionen hoch genug sind.
• US-A-4,371,380 (Benkmann) veranschaulicht die Verwendung dieses Systemtyps in einem anderen Kontext als der Ozonerzeugung. Hier wird Sauerstoff von einer Lufttrennungsanlage zu einem Fermenter geführt, in dem er mit CO&sub2; beladen wird, das entfernt werden muss, so dass der Sauerstoff in den Fermenter rückgeführt werden kann. Dieses erfolgt in einem PSA-System, in dem das Kohlendioxid adsorbiert und periodisch aus dem Adsorbens entfernt wird, unter Verwendung eines Stickstoffstroms aus der Lufttrennungseinheit.
• In der US-A-4,280,824 (Lassmann et al.) wird stickstoffreiches Gas für die Desorption von Ozon in Luft verwendet und enthält das Adsorbens aktiviertes Aluminiumoxid für die Adsorption von Wasserdämpfen aus der Luft, Silikagel für die Adsorption des Ozons sowie des Kohlendioxids, das in der Luft enthalten ist, und ein Molekularsieb für die Adsorption von Stickstoff. Dementsprechend kombiniert dieses System die Trennung von Luft in Stickstoff und Sauerstoff mit der Rückführung des Sauerstoffs unter Verwendung derselben Adsorptionsbetten.
• Wo in der US-A-2,872,397 das Adsorbens vom Stickstoff durch Einführen des Sauerstoffs gegenläufig zur normalen Adsorptionsstromrichtung gereinigt wird, wird der Sauerstoff in US-A-4,786,489 (Grenier) un din US-A-5,520,887 (Shimiza) zum Spülen von Stickstoff aus den Adsorptionsbetten in gleichläufiger Richtung mit dem jeweiligen Adsorptionsstrom verwendet.
• JP-63-159202 (Mitsubishi Heavy Industries) enthält eine Offenbarung, die derjenigen der US-A-2,872,397 ähnlich ist, betreibt jedoch die Ozonrückgewinnung in einem gekühlten Raum.
• Die Offenbarung von US-A-4,863,497 entspricht derjenigen von US-A-4,786,489 mit der Ausnahme, dass sie außerdem einen Adsorptionsbettapparat mit Radialstrom zum Ausführen des Verfahrens offenbart.
• Die US-A-5,507,957 (Garrett et al.) offenbart ein Verfahren dieses allgemeinen Typs, in dem der ozonierte Sauerstoff zurück zur PSA-Lufttrennungseinheit gerichtet wird, in der der Sauerstoff erzeugt wurde, und das Ozon in einem Bett aus Silikagel adsorbiert wird, aus dem es durch Stickstoff desorbiert wird, der aus der Lufttrennungseinheit fließt. Dieses entspricht dem in der US-A-4,280,824 verwendeten Verfahren.
• Es gibt zahlreiche andere Lehren des Standes der Technik, die mit den oben diskutierten im Wesentlichen kumulativ sind.
• All diese "Short-Loop-Recycling"-Verfahren leiden an den am Anfang diskutierten Nachteilen.
• Die vorliegende Erfindung stellt nun ein Verfahren für die Produktion eines ein Produktgas enthaltenden Gasstroms bereit, umfassend:
• a) Unterwerfen eines Stroms eines Reaktantengases unter einen Prozess zur Erzeugung eines Produktgases zur Bildung eines Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Stroms;
• b) Absorbieren des Produktgases aus dem Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Strom in einem Bett eines Adsorptionsmittels, um einen Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Strom zu erzeugen;
• c) Verschieben des Reaktantengases aus dem Bett, indem man durch das Bett einen Strom aus Spülgas schickt;
• d) Rückführen des Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Stroms sowie des verschobenen Reaktantengases in den Produktgas erzeugenden Prozess;
• e) Entfernen des Produktgases aus dem Bett in einem Strom des Spülgases, um den ein Produktgas enthaltenden Strom zu erzeugen, dadurch Regenerieren des Adsorptionsmittels für die Produktgasadsorption; und
• Wiederholen der Schritte (b) bis (e) auf cyclische Weise.
• Vorzugsweise ist ein zusätzlicher Schritt (f) mit umfasst und wird wiederholt, in dem Spülgas, das nach Schritt (e) in dem Bett verblieben ist, aus dem Bett entfernt wird und nicht in den Produktgas erzeugenden Prozess geführt wird: Das im Schritt (f) aus dem Bett entfernte Spülgas kann vorteilhafterweise dem ein Produktgas enthaltenden Gasstrom zugefügt werden. Im Schritt (f) kann das Spülgas aus dem Bett durch Einleiten des Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Stroms am Beginn von Schritt (b) aus dem Bett entfernt werden.
• Während das Verfahren gemäß der Erfindung im Prinzip auf die Erzeugung von Gasströmen anwendbar ist, die eine große Vielzahl an Produktgasen enthalten, ist es von besonderer Bedeutung bei der Erzeugung von Ozon und dementsprechend ist bevorzugt, dass es sich bei dem Reaktanten um Sauerstoff handelt. Es ist bevorzugt, dass das Produktgas Ozon darstellt, und es ist bevorzugt, dass die Spülung ein stickstoffreiches Gas ist, das vorzugsweise ausreichend trocken ist, so dass es nicht mit der Effizienz oder der Betriebslebensdauer eines Ozongenerators interferiert.
• Wenn auf die Produktion eines Ozon enthaltenden Gasstroms angewandt, stellt die Erfindung somit ein Verfahren zur Erzeugung eines Ozon enthaltenden Gasstroms dar, umfassend:
• a) Unterwerfen eines Sauerstoff enthaltenden Gasstroms unter einen Ozon erzeugenden Prozess zur Bildung eines Sauerstoff und Ozon enthaltenden Stroms;
• b) Absorbieren des Ozons aus dem Sauerstoff und Ozon enthaltenden Strom in einem Bett aus Adsorptionsmittel, um einen Sauerstoff enthaltenden, an Ozon abgereicherten Strom zu erzeugen;
• c) Verschieben des Sauerstoffs aus dem Bett, indem man einen Strom an stickstoffreichem Gas durch das Bett führt;
• d) Rückführen des Sauerstoff enthaltenden, an Ozon abgereicherten Stroms und des verschobenen Sauerstoffs in den Ozon erzeugenden Prozess;
• e) Entfernen des Ozons aus dem Bett in einem Strom an stickstoffreichem Gas, um den Ozon enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, dadurch Regenerieren des Adsorptionsmittels für die Ozonadsorption und Belassen des Bettes, besetzt durch stickstoffreiches Gas;
• f) Entfernen des in dem Bett belassenen Stickstoffs nach Schritt (e), so dass der aus dem Bett entfernte Stickstoff nicht in den Ozon erzeugenden Prozess geleitet wird;
• Wiederholen der Schritte (b) bis (f) auf cyclische Weise.
• Der aus dem Bett im Schritt (f) entfernte Stickstoff kann dem Ozon enthaltenden Gasstrom zugefügt werden. Im Schritt (f) kann der Stickstoff durch Einleiten des Sauerstoff und Ozon enthaltenden Gases am Beginn von Schritt (b) aus dem Bett entfernt werden.
• Es ist bevorzugt, dass der Strom des stickstoffreichen Gases im Schritt (c), der zur Verschiebung des Reaktantengases (Sauerstoff) aus dem Bett in das Recyclingsystem dient, in derselben Richtung durch das Bett stattfindet, wie der Durchfluss des Sauerstoff und Ozon enthaltenden Gasstromes im Schritt (b), und dass der Durchfluss des stickstoffreichen Gases, der das Ozon im Schritt (b) aus dem Bett entfernt, in gegenläufiger Richtung stattfindet.
• Typischerweise wird das Verfahren selbstverständlich unter Verwendung einer Vielzahl von Adsorptionsbetten praktiziert, die den cyclischen Schritten phasenweise so unterworfen werden, dass mindestens ein Bett zu jeder Zeit Schritt (b) oder Schritt (c) durchläuft. Der Zyklus führt von selbst zur Verwendung von drei Betten oder einer Vielzahl von drei Betten.
• Es ist bevorzugt, dass zwischen Schritt (e) und Schritt (b) das oder jedes Bett eine Zeitspanne durchläuft, in der dieses außer Betrieb (Offline) ist und an keinem der genannten Schritte teilnimmt.
• Es ist anzumerken, dass das Verfahren über Änderungen im Partialdruck der verschiedenen Gaskomponenten arbeitet, die durch das Adsorbensbett durchlaufen, und kann daher als Druckwechselsystem gesehen werden, dass es jedoch nicht notwendig ist, dass hierdurch signifikante Änderungen im Gesamtgasdruck im Adsorbensbett auftreten. Falls jedoch gewünscht, kann das System in einem stärker herkömmlichen Wechseladsorptionsmodus betrieben werden, indem der Gesamtdruck über das Absorbtionsmittel verändert wird, wie im Stand der Technik bekannt.
• Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren, welche Vorrichtung umfasst: Mittel zur Erzeugung eines Reaktantengases; Mittel zum Unterwerfen eines Stroms des Reaktantengases unter einen Produktgas erzeugenden Prozess zur Bildung eines Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Stroms; mindestens einen Behälter, enthaltend ein Adsorptionsmittel, angeschlossen, um den Reaktantengas und Produktgas enthaltenden reichen Strom aufzunehmen, um die Adsorption des Produktgases in dem Adsorptionsmittels zu gestatten, und mit einem Auslass für einen Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Strom; Mittel zum Erzeugen eines Spülgasstromes und Mittel zum Anschließen des Spülgasstromes an den Behälter, um einen Durchfluss von Spülgas zu erzeugen, welches das Reaktantengas aus dem Adsorptionsmittel verschiebt, und zum Mischen des verschobenen Reaktantengases mit dem Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Strom; Mittel zum Rückführen bzw. Recyceln des Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Stroms und des verschobenen Reaktantengases in den Produktgas erzeugenden Prozess; und Mittel; die den Spülgasstrom anschließen, um das Produktgas aus dem Adsorptionsmittel zu desorbieren und einen Gasstrom zu erzeugen, enthaltend das Produktgas, dadurch Regenerieren des Adsorptionsmittels für die Produktgasadsorption, und Steuermittel zum Betrieb der Vorrichtung, um ein Verfahren für die Produktion eines Produktgas enthaltenden Stroms durchzuführen, das umfasst:
• a) Unterwerfen eines Stroms eines Reaktantengases unter einen Prozess zur Erzeugung eines Produktgases zur Bildung eines Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Stroms;
• b) Absorbieren des Produktgases aus dem Reaktantengas und Produktgas reichen Strom in einem Bett eines Adsorptionsmittels, um einen Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Strom zu erzeugen;
• c) Verschieben des Reaktantengases aus dem Bett, indem man durch das Bett einen Strom aus Spülgas schickt;
• d) Rückführen des Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Stroms sowie des verschobenen Reaktantengases in den Produktgas erzeugenden Prozess;
• e) Entfernen des Produktgases aus dem Bett in einem Strom des Spülgases, um den ein Produktgas enthaltenden Strom zu erzeugen, dadurch Regenerieren des Adsorptionsmittels für die Produktgasadsorption; und
• Wiederholen der Schritte (b) bis (e) auf cyclische Weise.
• Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen weiter beschrieben und veranschaulicht werden, in denen:
• Fig. 1 eine Illustration einer Vorrichtung zur Verwendung in der Erfindung ist;
• Fig. 2 eine schematische Veranschaulichung von Fig. 1 in sechs Stufen des Betriebs ist; und
• Fig. 3 eine Tabelle darstellt, die die in jedem Bett der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ablaufende Aktivität in jeder Betriebsstufe, gezeigt in Fig. 2, darstellt.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst die Vorrichtung zur Verwendung gemäß der Erfindung im Zusammenhang mit der Erzeugung eines Ozon enthaltenden Gasstromes drei Säulen C1, C2 und C3, die jeweils ein ähnliches Bett des Adsorptionsmittels 10 enthalten. Das Adsorptionsmittel umfasst einen Zeolith, hergestellt gemäß der Lehre von EP-A-0 767 002.
• Ein Einspeisstrom an Ozon enthaltendem Sauerstoff wird durch eine Einlassleitung 11 bei einer Temperatur in der Nähe von Raumtemperatur an einer Sammelleitung 12 bereitgestellt, die mit drei parallelen Auslässen versehen ist, die durch die Ventile V21, V22 und V23 gesteuert werden. Downstream oder stromab der Ventile V21, V22 und V23 ist jeder der jeweiligen Auslässe 13, 14 und 15 aus der Sammelleitung 12 an Spülgas mit der Ozonauslassleitung 17 über jeweilige Steuerventile V27, V28 und V29 verbunden. Jeder der Sammelleitungsauslässe 13, 14 und 15 ist anschließend mit einem Einlass für jeweils eine der Säulen C1, C2 und C3 verbunden. Jede Säule C1, C2 und C3 hat eine Auslassleitung 18, 19 bzw. 20, die über unten beschriebene Ventile mit einer Auslassleitung 14 für an Ozon abgereicherten Sauerstoff zum Recyceln verbunden sind. Unmittelbar über den Säulen C1, C2 und C3 ist jede der Auslassleitungen 18, 19 und 20 mit einer Verbindung mit einer Einlassleitung für reines Spülgas 41 versehen, die durch ein jeweiliges Kontrollventil V30, V31 und V32 gesteuert wird. Weiter downstream in Richtung des Sauerstoffstromes von hier aus weist jede der Auslassleitungen 18, 19 und 20 eine Verbindung zu einer Auslassleitung 40 für an Ozon abgereichertem Sauerstoff an den jeweiligen Kontrollventilen V36, V37 und V38 auf. Jede ist also mit der Spülungsauslassleitung 17 über eine Bypassleitung 22 und über ein jeweiliges Kontrollventil V33, V34 und V35 verbunden. Der Betrieb der Ventile in der erforderlichen Sequenz kann durch Bereitstellung eines geeignet angeschlossenen Kontrollapparates automatisiert werden.
• Die Verwendung der Vorrichtung wird in Fig. 2 veranschaulicht. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Vorrichtung aus Fig. 1 in sechs Betriebsstufen zu sehen, die einen Zyklus aufbauen. In Stufe 1 wird eine aus einem Ozongenerator kommende Mischung aus Sauerstoff und Ozon an Säule C 1 aus Leitung 11 über Ventil V21 bereitgestellt, um Ozon zu absorbieren, wobei Sauerstoff zu Leitung 40 über Ventile V36 und V15 geführt wird, während Säule C2 einem gegenläufigen Spülstrom an trockenem stickstoffreichem Gas, in diesem Falle Luft, aus Leitung 41 über Ventil V31 unterworfen wird, um Ozon aus dem Adsorptionsmittel zu desorbieren und einen Ozon enthaltenden Strom für Verbrauch in Leitung 17 über Ventil V28 zu erzeugen. Das Bett C3 ist außer Betrieb (Offline). In Stufe 2 wird Bett C3 Online gebracht durch Öffnen von V23, um die Mischung aus Sauerstoff und Ozon in C3 zuzulassen, und V21 wird geschlossen. Gas tritt am oberen Ende der Säule C3 zur Auslassleitung 20 aus. Da in dieser Stufe C3 einige Restluft als Spülgas enthält, ist der Auslass aus C3 über Ventil V35 zur Leitung 17 für Ozon enthaltendes Spülgas unter Verwendung von Leitung 42 geschaltet.
• Säule C2 durchläuft immer noch ein Spülen des Ozons mit Luft, jedoch ist Ventil V27 nun geöffnet, um es einem Teil des Outputs aus Säule C2 zu gestatten, in Säule C1 von unten einzutreten, gleichgerichtet mit dem vorherigen Strom von Sauerstoff und Ozon, um Sauerstoff aus dem Leerstellenvolumen der Säule C1 durch die Auslassleitung 18 und V36 und V 15 zu verschieben. V 15 gestattet die Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit. Bevor Luft aus der Spitze von C1 austritt, geht der Zyklus zu Stufe 3, wie gezeigt, über. Säule C2 wird außer Betrieb genommen, indem die Ventile geschlossen werden, die mit sowohl der Spitze als auch dem Boden von Säule C2 kommunizieren (V22, V28 und V31, V34 und V37). Der Spülgasstrom wird an die Spitze von Säule C1 angeschlossen, indem man V30 öffnet, und wird durch Säule C1 in Leitung 17 über Ventil V27 durchgeführt. Das Einspeisen von Sauerstoff und Ozon am Boden von Säule C3 setzt sich fort, jedoch wird der Auslass aus Säule C3 nun zur Auslassleitung 40 durch Ventil V38 und Strömungskontrollventil V15 umgeleitet, mit Schließen des Ventils V35.
• Stufe 4 ähnelt Stufe 2, mit der Ausnahme, dass Säule C1 statt Säule C2 mit Spülgas regeneriert wird und das Spülgas am Boden von Säule C3 statt am Boden von Säule C1 eingespeist wird, um Sauerstoff aus Säule C3 in Leitung 40 zu verschieben, während Sauerstoff und Ozon zum Boden von Säule C2 bereitgestellt werden, um restliches Spülgas hieraus anstelle aus Säule C3 zu verschieben.
• Stufe 5 ähnelt Stufe 1 und 3, wobei Säule C2 im Betrieb ist, um Ozon zu adsorbieren, Säule C 1 außer Betrieb ist und Säule C3 mit dem Spülgas vom Ozon gespült wird. Es ist außerdem möglich, dieselben Verfahrensschritte im Zyklus ohne Leitung 42 durchzuführen. In diesem Fall werden die Leitungen 18, 19, 20 und Ventile V30, V31, V32 verwendet, um zuvor zu Leitung 42 dirigiertes Gas an die Produktleitung 17 über das die Stickstoffspülung durchlaufende Bett zu dirigieren.
• In diesem Fall wird durch dieses Bett sowohl dessen Stickstoffspülstrom als auch dieser Extradurchstrom hindurch geleitet.
• Stufe 6 ähnelt Stufen 2 und 4, wobei jedoch Säule C1 nun wieder in Betrieb geht, um den Sauerstoff und Ozoneinspeisstrom aufzunehmen, und wobei Spülgas vom Boden der Säule C3 zum Boden der Säule C2 gespeist wird, um Sauerstoff in Leitung 40 zu verschieben.
• Diese sechs Stufen sind für jede Säule in Fig. 3 zusammengefasst, wo jede horizontale Reihe eine der Säulen C1, C2 und C3 darstellt und jede vertikale Säule eine der in Fig. 2 veranschaulichten Stufen 1 bis 6 darstellt.
• Für die Zwecke der Veranschaulichung wird ein geeignetes Regime an Strömungsgeschwindigkeiten für ein solches Verfahren beschrieben. Die veranschaulichten Säulen nehmen die Form von drei Behältern jeweils von 50 mm Innendurchmesser und 1500 mm Höhe an, jeder enthaltend 2,60 kg an Ozon adsorbierendem Material. Ein Sauerstoffeinspeisstrom von 1,63 kg/Stunde wird in einen Ozongenerator zur Erzeugung eines Outputs eingespeist, enthaltend 8,7 Gew.-% Ozon. Im Allgemeinen wird der. Ozonanteil im Bereich von 4 bis 14% liegen. Für 420 Sekunden wird in einen der Behälter C1 bis C3 das Sauerstoff/Ozon-Gemisch mit etwa 2 bar so eingespeist, dass im Wesentlichen alles Ozon adsorbiert wird, während ein zweiter mit Luft bei 2 bar mit einer Geschwindigkeit von 1,98 kg/ Stunde von Spitze zu Boden gegenläufig gespült wird, entfernend ein zuvor adsorbiertes Ozongas an den Produktstrom, während der dritte Behälter in einem Halteschritt außer Betrieb ist. Die Schrittzeit beträgt 420 Sekunden. Der Spüldruck wird im Allgemeinen dem Sauerstoffeinspeisdruck entsprechen, abgesehen von jeglichem Druckabfall, der zum Erzielen der erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit notwendig ist. Das Spülgas wird auf einen Taupunkt unterhalb -40ºC getrocknet, um Salpetersäurebildung im Ozongenerator zu vermeiden.
• Die Ventile werden nun umgelegt, um den zuvor auf Halt befindlichen dritten Behälter den 1,63 kg/Stunde Einspeisstrom aus dem Ozongenerator für 95 Sekunden aufnehmen zu lassen. Dieses Timing wird angewandt, um eine Reinigung des Bettes von Spülgas mit einem minimalen Verlust an Sauerstoffprodukt von der Spitze des dritten Behälters zu gestatten.
• Das abgelassene Spülgas von der Spitze des dritten Bettes wird zu der Sammelleitung der Ventile umdirigiert, die am Boden des Bettes angeschlossen sind, und wird zum gleichgerichteten Entfernen von Sauerstoff aus der ersten Säule verwendet. Der Durchfluss wird an der Spitze der ersten Säule durch V15 beschränkt, um nur 0,81 kg/ Stunde an Sauerstoff zum Ozongenerator rückführen zu lassen. Dieses stellt sicher, dass die Maximalmenge an Sauerstoff in dem Zeitschritt von 95 Sekunden von der ersten Säule rückgewonnen wird, ohne dass ein Durchbruch des Spülgases zur Kontamination des rückgeführten Gases zum Ozongenerator führt.
• Der verbleibende Strom des abgelassenen Spülgases aus der Spitze des dritten Bettes (das heißt 0,82 kg/Stunde) wird zum Spülgas zugefügt, das aus dem zweiten Behälter austritt, was eine Verringerung der Ozonkonzentration des Produktes verursacht. Falls höhere Ozonkonzentrationen in dem Produktspülgas für diesen Schritt wünschenswert wären, könnte die Restmenge des Gases weg vom Produktstrom dirigiert und abgelassen werden. Ein korrektes Bemessen der Betten stellt sicher, dass sich kein Ozon in diesem Strom befindet. Die Position der Ventile um die zweite Säule bleibt unverändert, wobei sich ein gegenläufiger Luftspülstrom auf identische Weise zu derjenigen im ersten Schritt fortsetzt. Somit ist der gesamte Ozonstrom als Produkt aus diesem Schritt 2,80 kg/Stunde. Nach Auftreten dieses Schrittes wird der Prozess für alle drei Betten wiederholt, was zu einer Gesamtzykluszeit von 1545 Sekunden (3 · (420 + 95)) führt.
• Der Betrieb der Vorrichtung in der beschriebenen Weise führt zu einer Ozonrückgewinnung von mindestens 98%, definiert als Ozon, enthalten in dem Produktgas, geteilt durch das Ozon, enthalten in dem den Ozongenerator verlassenden Gasstrom. Die Sauerstoffrückgewinnung, definiert als Sauerstoff, enthalten in der Rückführleitung zum Generatoreinspeisstrom, geteilt durch nicht umgewandelten Sauerstoff im Generatorauslass, beträgt 93%. Obwohl wir in diesem Beispiel die Verwendung von Luft als Spülgas beschrieben haben, können ähnliche Ergebnisse unter Verwendung anderer Inertgase, beispielsweise Stickstoff, erhalten werden, obwohl in diesem Fall die Sauerstoffrückgewinnung etwas niedriger ausfallen wird. Der oben beschriebene Zyklus läuft vorteilhafterweise bei atmosphärischen Temperaturen, was zu keinem Risiko von unsicher hohen Konzentrationen oder Mengen von Ozon führt, die sich auf dem Adsorptionsmittel aufbauen und in den Behälterleerstellen und den Leitungen. Ein solcher Zyklus kann jedoch im Prinzip auch bei unteratmosphärischen Temperaturen betrieben werden.
• Das gemäß der Erfindung verwendete Adsorptionsmittel kann jedes der zuvor vorgeschlagenen oder anders für die Verwendung in der Adsorption von Ozon oder dem Produktgas allgemein vorgeschlagenen sein. Für die Ozonadsorption schließen bekannte Adsorptionsmittel Silikagel und Zeolithe ein. Die Verwendung von HZSM-5 oder ähnlichen Zeolithen ist bevorzugt.
• Insbesondere kann das Adsorptionsmittel sein, wie in EP-A-0 767 002 beschrieben.
• Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die veranschaulichte Ausführungsform beschrieben worden ist, sind viele Modifikationen und Variationen derselben möglich, um vergleichbare hohe Rückgewinnungen von Sauerstoff und Ozon zu erzielen, unter Verwendung der Verschiebung von sauerstoffreichem Gas durch Spülgas und der Verschiebung von Spülgas durch sauerstoffreiches Gas.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Gasstroms, enthaltend ein Produktgas, umfassend:

a) Unterwerfen eines Stroms eines Reaktantengases unter einen Prozess zur Erzeugung eines Produktgases zur Bildung eines Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Stroms;

b) Absorbieren des Produktgases aus dem Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Strom in einem Bett eines Adsorptionsmittels, um einen Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Strom zu erzeugen;

c) Verschieben des Reaktantengases aus dem Bett; indem man durch das Bett einen Strom aus Spülgas schickt;

d) Rückführen des Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Stroms sowie des verschobenen Reaktantengases in den Produktgas erzeugenden Prozess;

f) Entfernen des Produktgases aus dem Bett in einem Strom des Spülgases, um den ein Produktgas enthaltenden Strom zu erzeugen, dadurch Regenerieren des Adsorptionsmittels für die Produktgasadsorption; und

Wiederholen der Schritte (b) bis (e) auf cyclische Weise.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin ein weiterer Schritt (f) eingeschlossen ist und wiederholt wird, in dem Spülgas, das nach Schritt (e) indem Bett verblieben ist, aus dem Bett entfernt wird und nicht in den Produktgas erzeugenden Prozess geführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das in Schritt (f) aus dem Bett entfernte Spülgas zu dem ein Produktgas enthaltenden Gasstrom zugefügt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin in Schritt (f) das Spülgas durch das Einführen des Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Stroms am Beginn von Schritt (b) aus dem Bett entfernt wird.

5. Verfahren gemäß einem der Anspruche 1 bis 4, worin das Reaktantengas Sauerstoff ist.

6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Produktgas Ozon ist.

7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Spülgas ein stickstoffreiches Gas ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Ozon enthaltenden Gasstroms, umfassend:

a) Unterwerfen eines Sauerstoff enthaltenden Gasstroms unter einen Ozon erzeugenden Prozess zur Bildung eines Sauerstoff und Ozon enthaltenden Stroms;

b) Absorbieren des Ozons aus dem Sauerstoff und Ozon enthaltenden Strom in einem Bett aus Adsorptionsmittel, um einen Sauerstoff enthaltenden, an Ozon abgereicherten Strom zu erzeugen;

c) Verschieben des Sauerstoffs aus dem Bett, indem man einen Strom an stickstoffreichem Gas durch das Bett führt;

d) Rückführen des Sauerstoff enthaltenden, an Ozon abgereicherten Stroms und des verschobenen Sauerstoffs in den Ozon erzeugenden Prozess;

e) Entfernen des Ozons aus dem Bett in einem Strom an stickstöffreichem Gas, um den Ozon enthaltenden Gasstrom zu erzeugen, dadurch Regenerieren des Adsorptionsmittels für die Ozonadsorption und Belassen des Bettes, besetzt durch stickstoffreiches Gas;

f) Entfernen des in dem Bett belassenen Stickstoffs nach Schritt (e), so dass der aus dem Bett entfernte Stickstoff nicht in den Ozon erzeugenden Prozess geleitet wird;

Wiederholen der Schritte (b) bis (f) auf cyclische Weise.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, worin der aus dem Bett im Schritt (f) entfernte Stickstoff dem Ozon enthaltenden Gasstrom zugefügt wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, worin in Schritt (f) der Stickstoff durch Einleiten des Sauerstoff und Ozon enthaltenden Gases am Beginn von Schritt

(b) aus dem Bett entfernt wird.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, worin der Strom des stickstoffreichen Gases im Schritt (c) in derselben Richtung durch das Bett stattfindet, wie der Durchfluss des Sauerstoff und Ozon enthaltenden Gasstromes im Schritt (b) und worin der Durchfluss des stickstoffreichen Gases, der das Ozon im Schritt (e) aus dem Bett entfernt, in gegenläufiger Richtung stattfindet.

12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin mindestens zwei Betten den cyclischen Schritten so unterworfen sind, dass jederzeit mindestens ein Bett den Schritt (b) durchläuft.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, worin drei Betten oder eine Vielzahl von drei Betten vorhanden sind.

14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin zwischen Schritt (e) und Schritt (b) das oder jedes Bett eine Zeitspanne durchläuft, in der dieses außer Betrieb (off-line) ist.

15. Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren gemäß Anspruch 1, welche Vorrichtung umfasst: Mittel zur Erzeugung eines Reaktantengases; Mittel zum Unterwerfen eines Stroms des Reaktantengases unter einen Produktgas erzeugenden Prozess zur Bildung eines Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Stroms; mindestens einen Behälter, enthaltend ein Adsorptionsmittel, angeschlossen, um den Reaktantengas und Produktgas enthaltenden reichen Strom aufzunehmen, um die Adsorption des Produktgases in dem Adsorptionsmittels zu gestatten, und mit einem Auslass für einen Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Strom; Mittel zum Erzeugen eines Spülgasstromes und Mittel zum Anschließen des Spülgasstromes an den Behälter, um einen Durchfluss von Spülgas zu erzeugen, welches das Reaktantengas aus dem Adsorptionsmittel verschiebt und zum Mischen des verschobenen Reaktantengases mit dem Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Strom; Mittel zum Rückführen bzw. Recyceln des Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Stroms und des verschobenen Reaktantengases in den Produktgas erzeugenden Prozess; und Mittel, die den Spülgasstrom anschließen, um das Produktgas aus dem Adsorptionsmittel zu desorbieren und einen Gasstrom zu erzeugen, enthaltend das Produktgas, dadurch Regenerieren des Adsorptionsmittels für die Produktgasadsorption, und Steuermittel zum Betrieb der Vorrichtung, um ein Verfahren für die Produktion eines Produktgas enthaltenden Stroms durchzuführen, das umfasst:

a) Unterwerfen eines Stroms eines Reaktantengases unter einen Prozess zur Erzeugung eines Produktgases zur Bildung eines Reaktantengas und Produktgas enthaltenden Stroms;

b) Absorbieren des Produktgases aus dem Reaktantengas und Produktgas reichen Strom in einem Bett eines Adsorptionsmittels, um einen Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Strom zu erzeugen;

c) Verschieben des Reaktantengases aus dem Bett, indem man durch das Bett einen Strom aus Spülgas schickt;

d) Rückführen des Reaktantengas enthaltenden und an Produktgas abgereicherten Stroms sowie des verschobenen Reaktantengases in den Produktgas erzeugenden Prozess;

e) Entfernen des Produktgases aus dem Bett in einem Strom des Spülgases, um den ein Produktgas enthaltenden Strom zu erzeugen, dadurch Regenerieren des Adsorptionsmittels für die Produktgasadsorption; und

Wiederholen der Schritte (b) bis (e) auf cyclische Weise.