DE1817004B2 - Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus gewöhnlicher Luft durch Adsorption - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus gewöhnlicher Luft durch Adsorption

Info

Publication number
DE1817004B2
DE1817004B2 DE1817004A DE1817004A DE1817004B2 DE 1817004 B2 DE1817004 B2 DE 1817004B2 DE 1817004 A DE1817004 A DE 1817004A DE 1817004 A DE1817004 A DE 1817004A DE 1817004 B2 DE1817004 B2 DE 1817004B2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
adsorption
column
oxygen
air
nitrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE1817004A
Other languages
English (en)
Other versions
DE1817004A1 (de
DE1817004C3 (de
Inventor
Takaaki Prof. Dr. Tokio Tamura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of DE1817004A1 publication Critical patent/DE1817004A1/de
Publication of DE1817004B2 publication Critical patent/DE1817004B2/de
Application granted granted Critical
Publication of DE1817004C3 publication Critical patent/DE1817004C3/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B01D53/0476—Vacuum pressure swing adsorption
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • C01B13/0229—Purification or separation processes
    • C01B13/0248—Physical processing only
    • C01B13/0259—Physical processing only by adsorption on solids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/104—Alumina
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/112—Metals or metal compounds not provided for in B01D2253/104 or B01D2253/106
    • B01D2253/1124—Metal oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/12—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/102—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/80—Water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40001—Methods relating to additional, e.g. intermediate, treatment of process gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40043—Purging
    • B01D2259/4005—Nature of purge gas
    • B01D2259/40052—Recycled product or process gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40043—Purging
    • B01D2259/4005—Nature of purge gas
    • B01D2259/40056—Gases other than recycled product or process gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40058—Number of sequence steps, including sub-steps, per cycle
    • B01D2259/4006—Less than four
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40058—Number of sequence steps, including sub-steps, per cycle
    • B01D2259/40062—Four
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40077—Direction of flow
    • B01D2259/40081—Counter-current
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40083—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40088—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B01D53/261—Drying gases or vapours by adsorption
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0043—Impurity removed
    • C01B2210/0046—Nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0043—Impurity removed
    • C01B2210/0051—Carbon dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus gewöhnlieher Luft durch Adsorption und Verwendung eines anorganischen Adsorptionsmaterials, das hauptsächlich aus SiO2, Al2O3 und H2O zusammengesetzt ist und Oxide der Alkalimetalle und Erdalkalien enthält, und Desorption unter vermindertem Druck unter Verwendung von sauerstoffreicherem Gas. Unter gewöhnlicher Luft wird hier die Luft verstanden, aus der die Feuchtigkeit, Kohlendioxyd und dergleichen durch eine Vorbehandlung nicht entfernt worden ist (nachfolgend wird solche Luft in dieser Beschreibung als »gewöhnliche Luft« bezeichnet).
Als Gastrennvorrichtungen sind bisher verschiedene Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen worden, bei denen eine leicht absorbierende Gaskomponente von einer weniger leicht adsorbierbaren Gaskomponente unter Verwendung eines Adsorbens getrennt wird, wobei eine Adsorptionsstufe und eine Desorptionsstufe wiederholt wird (vgL japanische Patentschriften 14 529/ 1960 und 25 969/1963 sowie die US-Patentschriften 29 44 627 und 31 64454).
Diese Verfahren sind sehr wirtschaftlich, denn sie benötigen keine Erhitzungsvorrichtungen und keine Kühlvorrichtungen und dies auch, wenn ein solches Adsorptionsverfahren zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff oder hochreinem Stickstoff aus Luft angewendet wird, wobei keine umfangreichen elektrischen Kraftanschlüsse und kerne großen Vorrichtungsaufbauten erforderlich sind, wie dies in Luftverflüssigungsanlagen sonst erforderlich ist Außerdem sind verschiedene Anpassungen für industrielle Zwecke vorgeschlagen worden.
Jedoch wird bei einem herkömmlichen Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff aus Luft durch ein solches Adsorptionsverfahren üblicherweise ein Adsorbens verwendet, welches sein Adsorptionsvermögen für Stickstoff durch das Adsorbieren von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd, die in der Luft als Verunreinigungen enthalten sind, verliert Deswegen müssen solche Verunreinigungen zuerst aus der Luft entfernt werden, bevor die Luft in die Adsorptionsanlage einströmen darf, was zusätzliche Vorrichtungen und ebenfalls den Unterhalt von solchen zusätzlichen Vorrichtungen erfordert, wodurch ein beträchtlicher Aufwand erforderlich ist
In der US-PS 29 44 627 ist die Verwendung von natürlichen und synthetischen Zeoliten, die im allgemeinen aus SiO2, Al2O3 und H2O zusammengesetzt sind und Oxide der Alkalimetalle und Erdalkalien enthalten, als Adsorptionsmaterial für Gase beschrieben. Ferner ist dort in F i g. 9 eine Vorrichtung dargestellt, um reinen Sauerstoff und Stickstoff aus Luft aus gewöhnlicher Luft herzustellen, wobei eine Voradsorptionsstufe verwendet wird, um Feuchtigkeit und Kohlendioxid aus gewöhnlicher Luft zu entfernen und um durch eine Nachadsorptionsstufe reinen Sauerstoff oder Stickstoff aus der trockenen Luft zu gewinnen. Hierzu werden dort ein Paar Adsorptionssäulen 201 und 202 für die Voradsorptionsstufe zur Entfernung von Feuchtigkeit und Kohlendioxid aus Luft benötigt, wobei eine Säule eine Hochdrucksäule und die andere eine Niederdrucksäule ist Die Adsorptionsstufe für Feuchtigkeit und Kohlendioxid wird dort unter Durchleiten der Luft durch die Hochdrucksäule ausgeführt, während gleichzeitig die Niederdrucksäule regeneriert wird, indem ein Teil der aus der Hochdrucksäule genommenen trockenen Luft durch die Niederdrucksäule geleitet wird.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung findet jedoch eine derartige Aufteilung des von Feuchtigkeit und Kohlendioxid befreiten Luftstromes nicht statt Dies bedeutet, daß die gesamte vorbehandelte Luft für die Gastrennung bei dem Verfahren der Erfindung zur Verfügung steht.
Die Sauerstoff- oder Stickstoffgewinnung gemäß der US-PS 29 44 627 erfolgt mit einem Paar Adsorptionssäulen 301 und 302 (Sauerstoffgewinnung), indem die in der Vorbehandlungsstufe gewonnene CO2-freie, trocke-
ne Luft durch eine Hochdruckadsorptionssäule geleitet wird, während gleichzeitig die Niederdrucksäule regeneriert wird, indem ein Teil des aus der Hochdruckadsorptionssäule ausgetretenen Sauerstoffs durch die Niederdrucksäule geleitet wird. Bei dem Verfahren der s vorliegenden Erfindung wird die zur Gewinnung des Sauerstoffs verwendete Adsorptior.ssäule durch Evakuieren regeneriert und dabei wird der gesamte aus der Adsorptionssäule austretende Sauerstoff gewonnen. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das Regenerieren der Voradsorptionssäule erst nach sehr häufigem Durchführen der Sauerstoffgewinnungsstufe durchgeführt Eine derartige Arbeitsweise ist in der US-PS 2944627 weder vorbeschrieben noch aus ihr nahegelegt worden. is
Ferner wird bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Regenerierung der Stickstoffadsorptionssäule durch Evakuieren durchgeführt. Hierbei wird die Stickstoffadsorptionssäule und die Vorbehandlungssäule von der Vorbehandlungssäule aus evaluiert, so daß der in der Stickstoffadsorptionssäule adsorbierte Stickstoff als Spülgas wirkt und damit ein TeU der Feuchtigkeit und des Kohlendioxids mit dem Stickstoff ausgespült wird, wodurch die Gebrauchsdauer der Voradsorptionssäule erheblich verlängert wird Eine derartige Arbeitsweise ist in der US-PS 29 44 627 weder vorbeschrieben noch durch sie nahegelegt worden.
Durch die US-PS 32 52 268, 31 38 439, 31 04 162 und 32 37 378 sind bereits Verfahren zur Trennung von Gasen bekanntgeworden, bei denen die Desorption durch Evakuieren durchgeführt wird und wobei anschließend das Produktgas zurückgeführt wird. Die dort beschriebene »Rückführungsstufe« ist jedoch mit der im Patentanspruch 1, Ziffer (2) der vorliegenden Erfindung genannten »Rückführungsstufe« nicht vergleichbar. Ferner dürfen bei den vorbeschriebenen Verfahren nur Gase vorliegen, die hinsichtlich der Größe und Form der Moleküle erhebliche Unterschiede aufweisen. Erstaunlich ist es, daß dagegen bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die zu trennenden Gase, nämlich Sauerstoff und Stickstoff, welche eine ähnliche Größe und Form besitzen, mit Hilfe eines natürlich vorkommenden spezifischen Adsorbens im industriellen Maßstab auf sehr billigem Wege getrennt werden können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff mittels einer Adsorptionsanlage aus gewöhnlicher Luft zu verbessern, wobei gleichzeitig Feuchtigkeit und Kohlendioxyd durch einfache und preiswerte Vorrichtungen entfernt werden.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein industrielles Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Sauerstoff (der noch eine sehr kleine Menge Stickstoff enthält) mit einem solchen Reinheitsgrad zur Verfügung zu stellen, daß dieser für industrielle Zwecke verwendet werden kann und aus gewöhnlicher Luft in situ hergestellt wird, ohne daß zusätzliche spezifische Vorrichtungen zur Entfernung der bereits genannten Verunreinigungen in der Luft erforderlich sind.
Diese und noch andere Ziele der Erfindung können durch das Verfahren dieser Erfindung erreicht werden, welche nachfolgend näher ausgeführt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus gewöhnlicher Luft durch Adsorption und Verwendung eines anorganischen Adsorptionsmaterials, das hauptsächlich aus S1O2, AI2O3 und H2O zusammengesetzt is.t und Oxide der Alkalimetalle und Erdalkalien enthält, und Desorption unter vermindertem Druck unter Verwendung von sauerstoffreicherem Gas, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
(1) als Adsorptionsmaterial ein natürliches mineralisches Tuffmaterial mit etwü 1 bis 10 Gew.-% der Oxide der Alkalimetalle und Erdalkalimetalle und dem Röntgenstrahlenbeugungsbild gemäß Tabelle 2 oder gemäß Tabelle 3 verwendet wird und die Luft vor der Stickstoffadsorption in einer Vorbehandlungsstufe von CO2 und Wasser befreit wird und die Desorption der Vorbehandlungsstufe im Vakuum durch das von der Stickstoffadsorptionssäule desorbierte Gas durchgeführt wird, danach .
(2) eine Rückführungsstufe durch Einführen von reinem Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gasprodukt in die evakuierte Stickstoffadsorptionssäule und Vorbehandlungssäule so lange durchgeführt wird bis der Druck in beiden Säulen auf den in der darauffolgenden Adsorptionsstufe angewendeten Druck angestiegen ist, und
(3) eine Adsorptionsstufe durch Einführen von gewöhnlicher Luft in die Vorbehandlungssäule und der austretenden feuchtigkeits- und COrfreien Luft in die Stickstoffadsorptionssäule unter gleichzeitiger Gewinnung von hochkonzentriertem Sauerstoff durchgeführt wird bis der Durchbruchspunkt von Stickstoff in der Stickstoffadsorptionssäule erreicht wird und die Vorbehandlungssäule periodisch durch Erhitzen unter gleichzeitiger Spülung mit Luft gereinigt wird
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß man als Adsorbens das Tuffmaterial in gemahlener und dehydratisierter Form, welches durch Erhitzen auf 350 bis 700° C, bevorzugt 400 bis 650° C, erhalten worden ist, einsetzt
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstufen automatisch durch die Steuerung der Absperrorgane gesteuert werden und zur automatischen Steuerung der Temperaturwechsel des Adsorbens, der durch den Wechsel der Adsorptionswärme verursacht wird erfolgt
Die Erfindung wird zuerst unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert:
F i g. 1 ist eine schematische Übersicht, die das Prinzip der vorliegenden Erfindung verdeutlicht;
Fig.2 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform in der praktischen Arbeitsweise des Verfahrens dieser Erfindung zeigt;
F i g. 3 ist eine graphische Darstellung und gibt die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt in dem Gas beim Auslaß und die Menge des Gases wieder, die durch den Auslaß in die Anlage, die in F i g. 1 dargestellt wird, geströmt ist
Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 besitzt die Sauerstoffanreicherungsanlage eine Stickstoffadsorptionssäule 1 zur Abtrennung des Sauerstoffs und zwei Adsorptionssäulen 2 und 3 zum Entfernen von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd aus der zu behandelnden Luft (nachfolgend wird solche Adsorptionssäule zur Entfernung der Verunreinigungen »Vorbehandlungssäule« genannt). In der Stickstoffadsorptionssäule 1 ist ein Adsorbens untergebracht, welches ein hohes selektives Adsorptionsvermögen für Stickstoff besitzt. Das Adsorbens, welches in den Vorbehandlungssäulen 2 und 3 verwendet wird, kann das gleiche sein wie jenes, welches in der Adsorptionssäule 1 benutzt wird.
Die Vorbehandlungssäulen 2 und 3 sind mit
Erhitzungsvorrichtungen 4 und 4' ausgerüstet, wodurch die Innenseiten der Säulen erhitzt werden können, wenn dies erforderlich ist. Als Erhitzungsmittel können elektrische Erhitzungsgeräte oder Hitzeaustauscherrohre verwendet werden. Weiterhin kann anstelle der Verwendung der Erhitzungsvorrichtung 4 und 4' ein heiBes Gas, wie Luft, durch die Vorbehandlungssäule geleitet werden mittels der Absperrorgane 10 oder 10' und Zuführungen, wenn das Erhitzen der Vorbehandlungssäule erforderlich ist ι ο
Die Arbeitsweise der Adsorptionsanlage ist in F i g. 1 dargestellt und wird erläutert für den Fall, daß die Vorbehandlungssäule 2 zuerst benutzt wird.
Wenn die Komponenten, die an dem Adsorbens, welches sich in der Adsorptionssäule 1 und in der Vorbehandlungssäule 2 befindet, adsorbiert sind, muß erst beim Beginn des Arbeitsganges desorbiert oder diese entfernt werden. Hierbei sind die Absperrorgane 5,9,10,11,6' und T geschlossen. Die Absperrorgane 6,7 und 8 sind geöffnet, und die Säule 1 und die Säule 2 werden durch eine Zuleitung 12 mit Hilfe einer Vakuumpumpe evakuiert (nicht dargestellt), wodurch die an den Adsorbentien und an dem Innenraum der Säulen adsorbierten Komponenten desorbiert und abgeführt werden. (Nachfolgend wird dieses Verfahren als »Desorptionsstufe oder -verfahren« bezeichnet) Als geeigneter Druck für das Evakuiren kann ein solcher zwischen '/2 bis ViooAtm. gemäß der Reinheit des zu gewinnenden Sauerstoffs verwendet werden. In diesem Falle ist die Reinheit des gewonnenen Sauerstoffs höher, wie der Druck für die Evakuierung niedriger ist
Nachdem die an den Absorbentien und den Räumen der Säulen adsorbierten Komponenten zufriedenstellend entfernt worden sind, wird das Absperrorgan 8 geschlossen und das Absperrorgan 5 geöffnet und 3:> danach trockener hochreiner Sauerstoff aus einer geeigneten reinen Sauerstoffquelle (nicht dargestellt) über Leitung 13 in die Anlage eingeleitet (Dieser Verfahrensschritt wird nachfolgend Rückführungsstufe oder -verfahren genannt) Der reine Sauerstoff für die w Rückführungsstufe wird von einer separat angeordneten Sauerstoffquelle geliefert Der reine Sauerstoff, der durch das Verfahren dieser Erfindung erhalten wird, kann für die Rückführungsstufen verwendet werden. Der Druck des Sauerstoffs, der für die Rückführungsstufe zugeführt wird, hängt davon ab, ob die Adsorptionsstufe durch Wahl eines Normaldruckes als Standard oder eines hohen Druckes als Standard betrieben werden solL
Nachdem die Rückführungsstufe beendet ist, wird das Absperrorgan 9 geöffnet Gewöhnliche Luft wird durch die Zuführung 14 eingeleitet und gleichzeitig wird der reine Sauerstoff, der für die Rückführungsstufe — wie vorstehend erläutert wurde — verwendet wird und reiner Sauerstoff, der von der eingeführten Luft durch das Adsorptionssystem abgetrennt worden ist, durch eine Zuleitung 13 rückgewonnen. (Dieses Verfahren wird Adsorptionsstufe oder -verfahren genannt) In der Adsorptionsstufe wird die Feuchtigkeit und das Kohlendioxyd in der eingeführten Luft zuerst in der Vorbehandlungssäule 2 durch das darin befindliche Adsorbens entfernt und der in der Luft enthaltene Stickstoff wird durch das Adsorbens in der Adsorptionssäule 1 adsorbiert Mh anderen Worten, wenn gewöhnliche Luft durch die Anlage während dem Adsorptionsverfahren geleitet wird, ist die Konzentration an Stickstoff in dem Gas am Auslaß der Adsorptionssäule 1 im wesentlichen gleich der des reinen Sauerstoffgases, welches für die Rückführungsstufe verwendet wird, selbst nachdem das reine Sauerstoffgas, welches für die Rückführungsstufe benutzt wurde, für eine Zeitspanne rückgewonnen wurde. Wenn aber das Adsorptionsverfahren weiter über einen Zeitabschnitt fortgesetzt wird, wird plötzlich die Konzentration des Stickstoffs in dem Gas am Auslaß erhöht und diese der Luft bald erreicht
(Nachfolgend wird der vorstehend erwähnte Punkt der Durchbruchspunkt genannt und die Kurve, die die Beziehung zwischen der Menge des Gases, die durch den Auslaß der Säule durchgeht und der Konzentration an Stickstoff in dem Gas am Auslab, wird »Durchbruchskurve« genannt) Deshalb werden, wenn das Gasprodukt mit einem niedrigen Gehalt an Stickstoff benötigt wird, die Absperrorgane 9 und S gerade geschlossen bevor der Durchbruchspunkt erreicht ist, während, wenn die Menge Sauerstoff in dem Kreislauf des Adsorptionsverfahrens benötigt wird (das ist der Fall, wenn die Ausbeute des benötigten Sauerstoffs erhöht werden soll), die Konzentration an Stickstoff in dem rückgewonnenen Gas bis zu einem gewissen Ausmaß erhöht werden kann. Hierbei werden die Absperrorgane 9 und 5 geschlossen, nachdem der Druchbruchspunkt vollständig passiert worden ist und die Konzentration an Stickstoff in dem Gas an dem Auslaß weitgehend die der Luft erreicht
Wenn die Adsorptionssäule nur zur Adsorption des Stickstoffs verwendet wird, wie dies in der Anlage, die in F i g. 1 abgebildet ist, geschieht und ein sauerstoffreiches Gas mit einer geringen Konzentration an Stickstoff gewünscht wird, läßt man das sauerstoffreiche Gas mit einer dazwischenliegenden Stickstoffkonzentration durch den Auslaß von der Adsorptionssäule treten, gerade bevor der Durchbruchspunkt erreicht ist; dieser Nachteil kann vermieden werden durch Verwendung von zwei oder mehr Adsorptionssäulen in zeitweiser Serienschaltung, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist
Der Nachweis des vorstehend genannten Durchbruchspunktes kann durchgeführt werden durch Messen der Konzentration des Stickstoffs in dem Gas bei oder nahe dem Auslaß der Adsorptionssäule. Er kann ebenfalls durch Benutzung des Phänomens durchgeführt werden, daß Wärme durch die Adsorption des Stickstoffs an einem Adsorbens frei wird. Dies bedeutet daß durch den Nachweis des abrupt erfolgenden Temperaturanstieges am Durchbruchspunkt die Messung erfolgen kann.
Wie vorstehend beschrieben, Trird das Adsorptionsverfahren durch Schließen der Absperrorgane 9 und 5 beendet Wenn in der Adsorptionsstufe Stickstoff eine Hauptkomponente ist und gleichzeitig ein gewöhnliches Adsorbens verwendet wird, welches ein sehr hohes Adsorptionsvermögen für Feuchtigkeit und Kohlendioxyd im Vergleich mit dem für Stickstoff besitzt, erreicht das Adsorptionsvermögen des Adsorbens in der Adsorptionssäule 1 für Stickstoff seine Sättigung bevor die Vorbehandlungssäule 2 mit Feuchtigkeit oder Kohlendioxyd gesättigt ist, wenn die Kapazität der Vorbehandlungsslule nicht sehr klein ist Mit anderen Worten, wenn die Menge des Adsorbens in der Säule 2 größer ist als das Adsorbens in der Säule 1, wird Feuchtigkeit und Kohlendioxyd in der Luft, die in die Adsorptionsanlage zugeführt wird, in der Vorbehandlungsslule 2 adsorbiert und tritt nicht in die Säule 1 ein.
Danach wurde das Absperrorgan 8 geöffnet und das Absperrorgan 5 geschlossen, um die Desorptionsstufe durchzuführen und dann nach Schließen des Absperror-
gans 8 und öffnen des Absperrorgans 5 wird die Rückführungsstufe ausgeführt durch Einleiten eines Teils des sauerstoffreichen Gases, 'welches in der vorhergehenden Stufe in der Anlage abgegeben wurde. Die vorstehend beschriebenen Verfahrensstufen werden wiederholt.
Wenn die vorstehend erläuterten Verfahrensstufen für eine lange Zeitspanne wiederholt werden, werden Feuchtigkeit und Kohlendioxyd in der Vorbehandlungssäule 2 angesammelt und das Adsorbens in der Säule verliert schließlich sein Adsorptionsvermögen. Eine solche Sättigung kann mittels Kohlendioxydnachweisgeräten festgestellt werden oder mittels eines Feuchtigkeitsnachweisgerätes, welche bei oder nahe dem Auslaßende der Säule 2 bei der Adsorptionsstufe angebracht sind.
Wenn sich Feuchtigkeit oder Kohlendioxyd am Auslaßende der Vorbehandlungssäule 2 nachweisen lassen, sind die Absperrorgane 6 und 7 geschlossen, die Absperrorgane 6' und T sind geöffnet und die Absperrorgane 10' und 11' sind geschlossen und die vorstehenden Verfahrensstufen werden kontinuierlich wiederholt durch Verwendung einer anderen Vorbehandlungssäule 3.
Während des Arbeitens der Anlage unter Verwendung der Vorbehandlungssäule 3 wird das Adsorbens in der Vorbehandlungssäule 2, welches sein Adsorptionsvermögen durch Beladung mit Feuchtigkeit und Kohlendioxyd verloren hat, der folgenden Regenerationsstufe unterworfen. Diese wird ausgeführt, indem die Innenseite der Säule 2 mit Hilfe der schon genannten Erhitzungsvorrichtung erhitzt wird. Hierbei sind die Absperrorgane 10 und 11 geöffnet und gewöhnliche Luft strömt durch die Säule 2, wobei die Feuchtigkeit und das am Adsorbens adsorbierte Kohlendioxyd desorbiert und bei hoher Temperatur unter normalem Druck entfernt werden. Wenn das Erhitzen durch alleiniges Erhitzen der Säule 2 ausgeführt wird und gewöhnliche Luft nur als Trägergas benutzt wird, um alle Feuchtigkeit und alles Kohlendioxyd aus der Säule zu entfernen, sind die Kosten für die Einrichtungen und das Erhitzen sehr niedrig. Nachdem die Regeneration des Adsorbens in der Vorbehandlungssäule 2 beendet ist, läßt man die Säule 2 sich abkühlen zur Wiederverwendung in der darauffolgenden Stufe. Die Säule 2 kann abgekühlt werden, indem man ein Kühlmittel durch das Schlangenrohr 4 leitet Die Aufheiztemperatur für die Regeneration des Adsorbens hängt von der Art des Adsorbens ab, liegt aber gewöhnlich etwa zwischen 150 bis etwa 600° C
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wurde für die Ausführungsform unter Einsatz von zwei Säulen als Vorbehandlungssäulen erläutert Aber nur eine Vorbehandlungssäule braucht verwendet zu werden, wenn die Wiedergewinnung von Sauerstoff gestoppt ist, während der Regeneration der Vorbehandlungssäule durch Erhitzen oder durch kontinuierliches oder intermittierendes Einfüllen eines frischen Adsorbens in die Vorbehandlungssäule in einem luftdichtem Zustand und gelichzeitiges Entnehmen des verbrauchten Adsorbens aus der Säule. In diesen Fällen, besondere im letzteren Fall, können die Absperrorgane 6 und 6', wie in F i g. 1 dargestellt, als unnötig angesehen werden, aber wegen der nachstehend genannten Gründe sind diese notwendig in bezug auf das Beenden des Arbeitsganges, wofür ein Absperrorgan (wie Absperrorgan 6 oder 6' in Fi g. 1) zwischen der Stickstoff adsorptionssäule und der Vorbehandlungssäule angeordnet ist
Die Säule 2 wird mit Feuchtigkeit und Kohlendioxyd nach einer längeren Zeitspanne gesättigt. Weiterhin ist zum Regenerieren der gesättigten Säule 2 vorgetrocknete Luft unnötig. Dies bedeutet, daß die Säule 2 und die Säule 3 jeweils umgeschaltet werden, wenn eine von ihnen durch Feuchtigkeit oder Kohlendioxyd gesättigt ist. Dann kann die Säule mittels Durchleiten gewöhnlicher Luft unter Erhitzen der Säule regeneriert werden. Ebenso ist die Reinheit des durch die Adsorptionsanlage
ίο rückgewonnenen Sauerstoffs hoch und auch die Ausbeute an Sauerstoff ist hoch.
Wenn die Desorptionsstufe der vorliegenden Erfindung durch Evakuieren der Anlage durchgeführt wird, währenddessen die Absperrorgane 5,9,10,11,6' und 7' geschlossen sind, strömt das desorbierte Gas durch die Vorbehandlungssäule 2 (oder 3) bei einem vermindertem Druck und es wird mittels einer Vakuumpumpe durch das Absperrorgan 8 und die Zuleitung 12 in der Absorptionsstufe abgesaugt. Deshalb wird die Feuchtig keit und das Kohlendioxyd, welches an dem Adsorbens adsorbiert ist, das in der Nähe des Lufteinlaßendes der Säule 2 (oder 3) untergebracht ist, teilweise durch den Strom des hochtrockenen stickstoffreichen Gases von der Adsorptionssäule mitgeführt und mittels der Vakuumpumpe mit abgesaugt. Hierbei war weder Feuchtigkeit noch Kohlendioxyd in der Säule 1 adsorbiert worden. Dies zeigt, daß selbst wenn ein großes Volumen an gewöhnlicher Luft in die Adsorptionsanlage eingeführt worden ist, die Adsorptionssäule 1 vollständig davor bewahrt worden ist, ein vermindertes Adsorptionsvermögen durch die Adsorption von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd zu erhalten, indem man nur eine kleine Menge Adsorbens in der Vorbehandlungssäule 2 (oder 3) eingefüllt hat Bei dem Verfahren dieser Erfindung muß die Vorbehandlungssäule, wenn sie mit Feuchtigkeit und Kohlendioxyd gesättigt ist, regeneriert werden, indem Luft durch sie unter Erhitzen durchgeleitet wird, denn die Menge des eingefüllten Adsorbens in der Vorbehandlungssäule ist klein, so daß der notwendige Energiebedarf zum Erhitzen des Adsorbens klein gehalten wird, wodurch der wirtschaftliche Wert des Verfahrens sehr bedeutend ist
Der zweite Grund beruht auf der Rückführungsstufe. Dies bedeutet, daß im Verfahren der vorliegenden Erfindung gewöhnliche Luft nicht in die Anlage direkt nach dem Desorptionsverfahren durch Evakuieren eingeführt wird. Vielmehr wird sie eingeführt, nachdem in der Anlage reiner Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gasprodukt zuerst eingefüllt wird bis der Druck in
so der Anlage nahezu den gleichen Druck für das Adsorptionsverfahren erreicht hat Es ist ohne weiteres ersichtlich aus dem Beispiel 1, Beispiel 2 und F i g. 3, die die Ergebnisse aus diesen Beispielen wiedergeben, daß die Durchbruchskurve des Stickstoffs am Auslaßende der Adsorptionssäule 1 sehr scharf durch die Anwendung des Rückführungsverfahrens ausgebildet ist im Vergleich mit dem Fall, daß man die Rückführungsstufe wegläßt So kann das Produkt in einer hohen Konzentration an Sauerstoff in hoher Ausbeute erhalten werden. Da in der Rückführungsstufe durch die Zuleitung der Vorbehandlungssäule 2 (oder 3) das Rückführungsgas in der entgegengesetzten Richtung eingeführt wird, so daß gewöhnliche Luft in der Adsorptionsstufe und ebenso das Rückführungsgas
es eingeführt wird, enthält ein Teil des verwendeten Gasproduktes weder Feuchtigkeit noch Kohlendioxyd. Die Adsorptionszone für Feuchtigkeit und Kohlendioxyd ist nahe dem Einlaßende der Vorbehandltmessäule
2 (oder 3) angeordnet. Bei der Desorptionsstufe ist sie weiter zum Einlaßende durch das Rückführungsgas verschoben, was bemerkenswert die Adsorptionskapazität der Vorbehandlungssäule 2 (oder 3) erhöht.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung und die dabei erzielten ausgezeichneten Vorteile und die Gründe, die diese Vorzüge bewirken, werden zusätzlich durch einen Vergleich der Beispiele 1,2 und 3 deutlich. So zeigt sich, daß durch die Anwendung der Rückführungsstufe die Ausbeute an Sauerstoff pro Arbeitseinheit erhöht ι ο werden kann durch Verwendung eines Adsorbens, welches das gleiche^Adsorptionsvermögen (vgl. F i g. 3) besitzt und die notwendige Anzahl für die Regenerierung der Vorbehandlungssäulen für jede Menge hergestellten Sauerstoffs herabgesetzt werden kann. Wenn man das Beispiel 1 mit dem Beispiel 3 vergleicht, wobei eine herkömmliche Zweisäulenaustauschanlage benutzt wurde, in bezug allein auf die Entfernungsstufe für Feuchtigkeit und Kohlendioxyd, ist die zur Regeneration der Vorbehandlungssäule benötigte Warmemenge in dem Verfahren dieser Erfindung nur '/83 im Vergleich zu den herkömmlichen Anlagen für den Fall der Verwendung des gleiches Adsorbens in beiden Anlagen.
Hierdurch wird der ausgezeichnete Fortschritt für das Verfahren dieser Erfindung nachgewiesen im Vergleich mit der herkömmlichen Anlage zur Entfernung von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd. .
In der vorstehenden Ausführungsform wurden die Vorteile angeführt, die man erhält, wenn man die drei Stufen, bestehend aus Desorption, Rückführung und Adsorption in dieser Reihenfolge gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wiederholt
In der gleichen Weise wie die Stufen der Desorption und Adsorption in den vorstehend genannten drei Verfahrensstufen ausgeführt werden, ist die Konzentration an Stickstoff in dem Gasprodukt hoch und nicht konstant sowie auch die Ausbeute an Sauerstoff zur eingeführten Luft herabgesetzt, wie dies im Beispiel 2 gezeigt wird. Jedoch wenn man den Fall des Beispiels 2 mit einer herkömmlichen Anlage, bestehend aus einer einfachen Kombination einer herkömmlichen Zwei-Säulenaustauschanlage zur Entfernung von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd und einer herkömmlichen Adsorptionsanlage, vergleicht, ist es sofort ersichtlich, daß das Verfahren dieser Erfindung, wie es im Beispiel 2 ausgeführt wird, wesentlich wirtschaftlicher sein muß als die herkömmliche Anlage. In diesem Falle, wenn eine Anordnung der Vorbehandlungssäulen verwendet wird und die Desorptionsstufe und Adsorptionsstufe abwechselnd durchgeführt werden, kann das Gasprodukt kontinuierlich gewonnen werden.
Die Vorteile des Verfahrens dieser Erfindung wurden vorstehend auf der Basis der Benutzung nur einer Adsorptionssäule 1, wie diese in F i g. 1 dargestellt ist, beschrieben. Eine solche einfache Anlage ist für die industrielle Verwendung aus den folgenden Gründen unbefriedigend:
(1) Durch Verwendung nur einer Adsorptionssäule 1, wie in Fig. 1 dargestellt, kann das Gasprodukt nicht kontinuierlich gewonnen werden und hierdurch wird die Arbeitsweise der Luftversorgungspumpe und der Evakuierungspumpe oder Vakuumpumpe intermittierend.
(2) Wie vorstehend in bezug auf die Adsorptionsstufe, im Falle der Gewinnung von hoch konzentriertem Sauerstoff, enthält das sauerstoffreiche Ga^ eine dazwischenliegende Konzentration an Stickstoff, die gerade vor dem Durchbruchspunkt zum Ende des Durchbruchspunktes auftritt.
Dieser vorstehend genannte Nachteil (2) wird durch Verwendung von 2 Adsorptionsanlagen, wie in F i g. 1 dargestellt, vermieden.
Weiterhin, wenn der Durchbruchspunkt am Auslaßende der ersten Adsorptionssäule erreicht wird, besitzt das sauerstoffreiche Gas eine dazwischenliegende Konzentration an abgegebenem Stickstoff, der danach in den Lufteinlaß der zweiten Adsorptionsanlage eingeleitet wird, worin die Desorptions- und die Rückführungsstufe gerade beendet wurden. Wenn die Zusammensetzung des Gases am Auslaßende der ersten Adsorptionssäule die Zusammensetzung der Luft erreicht (Ende des Durchbruchspunktes), wird die Luftversorgung zu der ersten Adsorptionsanlage beendet und Luft wird dann unverzüglich in die zweite Adsorptionsanlage eingeführt Daraufhin wird die erste Adsorptionsanlage unverzüglich den Desorptions- und Rückführungsstufen unterworfen. Ebenso wenn der Durchbruchspunkt des Stickstoffs in dem Gas erscheint, welches das Auslaßende der zweiten Adsorptionssäule verläßt, hat das sauerstoffreiche Gas eine dazwischenliegende Konzentration an Stickstoff und wird in den Lufteinlaß der ersten Adsorptionsanlage eingeführt, die der Desorptions- und Rückführungsstufe, wie vorstehend schon beschrieben, unterworfen worden ist Danach, wenn die Zusammensetzung des Gases das Auslaßende der Stickstoffadsorptionssäule in der zweiten Adsorptionsanlage die Zusammensetzung von Luft erreicht wird die Versorgung mit gewöhnlicher Luft zu der zweiten Adsorptionsanlage gestoppt und die Luft wird unverzüglich zu der ersten Adsorptionsanlage geleitet Diese Arbeitsgänge werden danach wiederholt
Solch ein verbessertes Arbeitsverfahren, wie vorstehend erläutert kann sehr leicht praktisch ausgeführt werden, aber der schon genannte Nachteil (1) ist damit nicht beseitigt. Jedoch können die schon beschriebenen Nachteile (1) und (2) beseitigt werden, indem man mindestens drei Adsorptionsanlagen, wie in F i g. 1 dargestellt verwendet
Jetzt wird die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Bezugnahme auf die Fig.2 erläutert werden.
In F i g. 2 sind die 3 Adsorptionsanlagen wie in F i g. 1 dargestellt und sind kombiniert angeordnet wie es die Fig.2 zeigt So zeigen die Ziffern 1, 2 und 3 Stickstoffadsorptionssäulen, die der Stickstoffadsorptionssäule 1 in Fi g. 1 entsprechen. Die Ziffern 4,5,6,7, 8 und 9 verdeutlichen die Vorbehandlungssäulen entsprechend den Vorbehandlungssäulen 2 und 3 in der F i g. 1. Jede Vorbehandlungssäule in F i g. 2 ist ebenso mit einer Erhitzungsvorrichtung und Zuleitungen zuir Abführen von gesättigter Feuchtigkeit und Kohlendioxyd in der Säule bei der Regeneration ausgerüstet (entsprechend den Erhitzungsvorrichtungen 4 oder 4' und den Ableitungen 10 und 11 oder 10' oder 11')· Aber zur Vereinfachung der Zeichnung der F i g. 2 sind alle nicht dargestellt
Eine Lufteinlaßrohrleitung 35 ist mit den Luftversorgungsmitteln (nicht dargestellt) verbunden. Eine Zuleitung 36 ist mit einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbunden, um die Anlage in der Desorptionsstufe zu evakuieren. Ein Trockengasdruckkonstanthalter 10 für trockenes Gasprodukt ist mit den drei Stickstoffadsorptionssäulen 1, 2 und 3 durch die Absperrorgane 17,18
beziehungsweise 19 und ebenso mit einer Produktabzugsleitung 37 verbunden. Die Absperrorgane 11 bis 22 werden für jede Desorptionsstufe, Rückführungsstufe und Adsorptionsstufe verwendet. Die Absperrorgane 23 bis 34 werden benutzt, wenn jede der Vorbehandlungssäulen von 4 bis 9 durch Erhitzen regeneriert werden muß. Die Adsorbentien, die zur Füllung in den Säulen 1 bis 9 vorgesehen sind, befinden sich in den gleichen Stellungen wie bei der Ausführungsform, die in der F i g. 1 dargestellt ist Weiterhin ist das Regenerierverfahren der Vorbehandlungssäulen 4 bis 9 und die Regenerierzeit die gleiche wie für die in F i g. 1 gezeigten Ausführungsformen.
Nun wird die Arbeitsweise der in der F i g. 2 gezeigten Ausführungsform näher erläutert werden für den Fall des Arbeitens der Vorbehandlungssäulen 4, 6 und 8 (entsprechend sind die Absperrorgane 23,24,27,28,31 und 32 geöffnet und die Absperrorgane 25,26,29,30,33 und 34 sind geschlossen).
Anfangs wird trockener Sauerstoff mit einer hohen Reinheit in den Gasbehälter 10 eingefüllt. Danach, nach
Tabelle 1
10
15
20 öffnen der Absperrorgane 14 und 15 (die anderen Absperrorgane sind geschlossen mit Ausnahme der Absperrorgane 23, 24, 27, 28, 31 und 32 — wie vorstehend schon ausgeführt), werden die Anlage der Adsorptionssäule 1 und die Vorbehandlungssäule 4 und die Anlage der Adsorptionssäule 2 und die Vorbehandlungssäule 6 bis zu einem Ausmaß entsprechend der Reinheit des gewünschten Sauerstoffs evakuiert. Dann wird nach Schließen der Absperrorgane 14 und 15 und Öffnen der Absperrorgane 17 und 18 das Rückführungsverfahren für beide Adsorptionsanlagen vervollständigt durch Einleiten von Sauerstoff aus dem Gasbehälter 10. Danach wird durch Betätigung der Absperrorgane 11 bis 22 in der in der Tabelle 1 gezeigten Reihenfolge die Anlage der Säule 1 und Säule 4, die Anlage der Säule 2 und 6 und die Anlage der Säule 3 und β, jede von dem ersten Zyklus bis zum sechsten Zyklus, wie in Tabelle 1 gezeigt, unter Wiederholen der Stufen der Desorption, Rückführung und Adsorption in dieser Reihenfolge geschaltet, um kontinuierlich sauerstoffreiches Gas zu erhalten.
(A)
(B)
Stellung der Absperrorgane
22 20 21 U 13
17
19
14
15
Nr. 1
Nr. 2
Nr. 3
Nr. 4
Nr. 5
Nr. 6
1 Ad.
2 R.
3 De.
1 (a)
2 Ad.
3 De.
1 De.
2 Ad.
3 R.
1 De
2 (a) - (b)
3 Ad.
1 R.
2 De
3 Ad
1 Ad
2 De
3 (a)
(A) bedeutet den Arbeitszyklus; (B) ist der Arbeitszustand der drei Säulen in jedem Zyklus 1, 2 und 3; (Ad) bedeutet Adsorptionsstufe; (R) zeigt die Rückführungsstufe an; (De) zeigt die Desorptionsstufe an; (a) ist der Zustand gerade vor dem Durchbruchspunkt; (b) ist der eo Zustand des Endes des Durchbruchspunktes; (+) zeigt den Zustand, bei dem die Absperrorgane geöffnet sind und (—) zeigt den Zustand, bei dem die Absperrorgane geschlossen sind.
Wenn das Adsorptionsvermögen eines jeden Adsor- es bens, die Adsorptionsgeschwindigkeit, der Adsorptionsdruck, die Adsorptionstemperatur und der Versorgungsstrom der Luft konstant gehalten sind, kann der Austausch eines jeden Zyklus mit nahezu definierten Zeitintervallen durchgeführt werden und deshalb, wenn die Beziehung der Gastemperatur an den Auslaßenden der Adsorptionssäulen 1, 2 und 3 und die Zeit für das Auftauchen des Durchbruchspunktes in jedem Gas an dem Auslaßende der Säule vorher durch Versuche bestimmt worden ist, kann die Anlage für den nächsten Zyklus mit einem konstanten Zeitabschnitt ausgewechselt werden. Jedoch ist meistens vorzuziehen, besonders wenn die vorerwähnten Bedingungen nicht konstant sind oder der Versorgungsstrom der Luft nicht konstant ist, durch geeignete Nachweisgeräte, den Durchbruchspunkt zu ermitteln. Die Anlage wird dann auf den
darauffolgenden Zyklus umgeschaltet gemäß der Anzeige der Nachweisgeräte zur Zeit wenn diese absinken. Dies bedeutet, wenn der Gehalt an Sauerstoff in dem Gas an den Auslaßenden der Adsorptionssäulen 1,2 und 3 jeder unter einen bestimmten Wert sinkt, kann der erste Zyklus gegen den zweiten Zyklus ausgetauscht werden, der dritte Zyklus kann mit dem vierten Zyklus ausgetauscht werden oder der fünfte Zyklus kann gegen den sechsten Zyklus gemäß Tabelle 1 ausgetauscht werden. Andererseits kann der Austausch des zweiten Zyklus gegen den dritten Zyklus, des vierten gegen den fünften Zyklus oder des sechsten Zyklus gegen den ersten Zyklus gemäß Tabelle 1 ausgeführt werden, wenn die Gaszusammensetzung an den Auslaßenden der Adsorptionssäulen 1,2 und 3 die Zusammensetzung der Luft erreicht
Wenn die Konzentration des Sauerstoffs in dem Gas an dem Auslaßende der Säule niedriger als ein bestimmter Wert wird, wird der Austausch des ersten Zyklus zum zweiten Zyklus, des dritten Zyklus zum vierten Zyklus und des fünften Zyklus zum sechsten Zyklus gemäß Tabelle 1 unverzüglich durchgeführt, während, wenn die Konzentration des Gases am Auslaßende jene in der Luft erreicht, wird unverzüglich die Umschaltung des zweiten Zyklus zum dritten Zyklus, des vierten Zyklus zum fünften Zyklus und des sechsten Zyklus zu dem ersten Zyklus gemäß Tabelle 1 unverzüglich ausgeführt Jedoch müssen bei einer solchen Arbeitsweise differierende zwei Sauerstoffkonzentrationen gemessen und eine geringfügige Abwei- chung der Sauerstoffkonzentration muß sehr schnell nachgewiesen werden.
Deshalb wird eine von mehreren wünschenswerten Eigenschaften nachstehend erläutert werden. Zu diesem Zweck werden zwei Sauerstoffkonzentrationsbestimmungsgeräte in jede der Adsorptionssäulen 1, 2 und 3 untergebracht In jeder Säule ist eines der Nachweisgeräte in dem Adsorbens in der Säule in einer Stellung nahe des Luftauslasses in einem geeigneten Zwischenraum von dem Einlaßende angebracht während ein anderes Nachweisgerät in dem Adsorbens in der Stellung nahe dem Auslaßende der Säule angeordnet ist Durch Verwendung eines solchen Systems für den Nachweis der Sauerstoffkonzentration werden die folgenden Vorteile erhalten:
Dies wird anhand der Säule i erläutert werden. Wenn das Sauerstoffnachweisgerät nahe dem Gasauslaßende der Säule 1 mit einem geeigneten Abstand angeordnet ist kann die Anlage so eingerichtet werden, daß, wenn die Adsorption in der Adsorptionssäule 1 (dem ersten Zyklus in Tabelle 1) nahe dem Ende zugeht und ge. ade bevor der Durchbruchspunkt des Stickstoffs durch das Gasauslaßende der Säule 1 erreicht ist, das Nachweisgerät in der Säule 1 nahe zum Auslaßende und damit bereits im Durchbruchspunkt angeordnet wird. Deshalb zeigt das Nachweisgerät einen äußerst bemerkenswerten Wechsel in der Sauerstoffkonzentration zu dieser Zeit an und deshalb, kann die Umschaltzeit für die Adsorptionsanlage schnell und genau bestimmt werden. Durch die Anzeige des Nachweisgerätes wird der erste so Zyklus der Anlage zum zweiten Zyklus gemäß Tabelle 1 umgeschaltet, wobei das Absperrorgan 17 geschlossen worden ist und das Absperrorgan 20 geöffnet worden ist Der Gasstrom tritt durch die Säule 6 in die Adsorptionssäule 2 ein. In dem Augenblick, wenn der Durchbruchspunkt durch den Gasauslaß der Säule J tritt während des zweiten Zyklus und das Gas fest die Zusammensetzung wie Luft besitzt beginnt es durch die Säule 6 in die Säule 2 einzutreten. Das Nachweisgerät kann so aufgestellt sein, daß es sich in dem Durchbruchspunkt des Stickstoffs zu der Zeit befindet wenn das Nachweisgerät nahe dem Einlaßende der Säule 2 in einem zugehörigen Abstand sich befindet Daher kann mittels des Nachweisgerätes die Austauschzeit sehr schnell und genau bestimmt werden. Durch die Anzeige des Nachweisger ätes wird der zweite Zyklus zu dem dritten Zyklus gemäß Tabelle 1 umgeschaltet
Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung wurde vorstehend für den' Fall erläutert daß zwei Nachweisgeräte in der Nähe des Auslasses der Säule 1 und in der Nähe des Lufteinlaßendes der Säule 2, angebracht sind. Jedoch kann auch in dieser Art in ähnlicher Weise die Anordnung auf andere Adsorptionsanlagen oder Säulen übertragen werden.
Wie vorstehend schon ausführlich auseinandergesetzt kann durch die Verwendung der Dreisäulenanlage, wie in Fig.2 dargestellt und wenn geeignete Nachweisgeräte richtig in den Absorptionssäulen angebracht sind, hochreiner Sauerstoff erhalten werden.
Die Vorzüge der vorliegenden Erfindung wurden unter Bezugnahme auf die in Fig. 1 und 2 gezeigten Adsorptionsanlagen erläutert und ein weiterer Vorteil der vorliegend' 'n Erfindung, der bisher niemals in herkömmlichen Adsorptionsanlagen zur Trennung von Sauerstoff oder Stickstoff aus Luft erhalten werden konnte, wird durch das Schließen der Absperrorgane 6 und 6' in F i g. 1 und der Absperrorgane 24,26,28,30,32 und 34 gemäß F i g. 2 erhalten, wenn der Arbeitsablauf in der Anlage beendet ist
Der Vorteil kann auf den ersten Blick nicht als so bedeutend erkannt werden, aber tatsächlich ist er für die Praxis sehr wichtig. Dies ist der Fall, wenn die Stellungen der Absperrorgane während des Arbeitens der Adsorptionsanlage die gleichen sind, wie diese vorstehend schon erwähnt wurden. Es sei nun ein Fall angenommen, daß das Arbeiten der Adsorptionsanlage eine Zeitlang gestoppt werden muß aus irgend einem Grund, zum Beispiel StromausfalL In einem solchen Falle sind die Absperrorgane, die die Anlage nach außen verbinden (Absperrorgane 5, 8 und 9 in F i g. 1 und Absperrorgane 11 bis 22 in Fig.2) alle geschlossen. Aber es konnte bestätigt werden, daß dies noch ungenügend ist Dies ist der Fall, wenn das Arbeiten der Anlage in einer solchen Arbeitsstellung gestoppt wird, wenn die Stickstoffadsorptionssäule mit der Vorbehandlungssäule durch die Absperrorgane 6 oder 6' in F i g. 1 und die Absperrorgane 24,26,28,30,32 oder 34 in Fig.2 verbunden sind Jedoch wie vorstehend ausgeführt, enthält die Vorbehandlungssäule allmählich während des Arbeitens angesammelte Feuchtigkeit und Kohlendioxyd, während die Stickstoffadsorptionssäule keine solchen Verunreinigungen enthält Aus diesem Grunde, wenn da? Arbeiten der Adsorptionsanlage für einen längeren Zeitabschnitt in einer solchen Arbeitsstellung gestoppt wird, treten Feuchtigkeit und Kohlendioxyd, die an dem Adsorptionsmittel in der Vorbehandlungssäule adsorbiert sind, in die Stickstoffadsorptionssäule ein bis der Partialdruck von diesen dann in der Adsorptionssäule gleich wird wie der in der Vorbehandlungssäule, wodurch das Adsorptionsvermögen des Adsorbens in der Stickstoffadsorptionssäule herabgesetzt wird. Jedoch, wenn die Absperrorgane, die die Stickstoffadsorptionssäulen mit den Vorbehandlungssäulen verbinden, alle geschlossen sind, wenn das Arbeiten der Anlage gestoppt ist, wird der vorerwähnte Nachteil sicher vermieden werden.
Wie schon früher ausgeführt, kann in dem Sauerstoffanreieherungsverfahren durch Adsorption gemäB der vorliegenden Erfindung ein Adsorbens in die Stickstoffadsorptionssäule gefüllt werden, welches ein hohes selektives Adsorptionsvermögen für Stickstoff besitzt In die Vorbehandlungssäule wird ein Adsorbens, welches befähigt ist Feuchtigkeit und Kohlendioxyd aus der Luft zu adsorbieren, eingefüllt Als Adsorbens, welches in der Vorbehandlungssäule verwendbar ist, wird gewöhnlich ein synthetischer Zeolith, Aluminiumhydroxyd und Silikagel verwendet
Jedoch der Erfinder hat gefunden, daß durch die Verwendung der nachfolgend beschriebenen Materialien als Adsorbens, Sauerstoff mit höherer Reinheit und einer hohen Ausbeute erhalten werden kann.
Es werden vorzugsweise die Adsorbentien durch Vermählen auf eine geeignete Korngröße eines natürlich vorkommenden anorganischen Materials, welches aus einem Tuff besteht und als Hauptbestandteile SiO2, Al2O3 und Wasser enthält und 1 bis 10 Gew.-% Oxyde der Alkalimetalle und alkalische Erdalkalimetalle aufweist und gleichzeitig die Röntgenstrahlenbeugungskennziffem, wie in Tabelle 2 oder 3 gezeigt, besitzt, benutzt Danach wird das gemahlene Material einer Dehydratisierungsbehandlung durch Erhitzen auf 350-7000C, insbesondere 400 bis 6500C, unterworfen.
Tabelle 2
Gitterabstand Intensität GiUerabstand nten- 0 ///„
sität
A 10 ///„ A 10 ///„
13,9 ±0,1 2 3,23 ± 0,03 (
9,1 ±0,1 4 3,10 ± 0,03 ( )-l
6,6 ±0,1 4 2,90 ± 0,03 5
6,5 ±0,1 2 2,85 + 0,03 ( 3-2
6,1 ±0,1 2 2,71 ± 0,03
5,83 ± 0,05 2 2,58 ± 0,03
4,55 ± 0,05 2 2,53 ± 0,03 : >
4,30 ± 0,10 0-5 2,49 + 0,03 ( )-4
4,26 ± 0,10 0-2 2,47 ± 0,03 ( )-3
4,08 ±0,10 0-4 2,45 ± 0,03 ( )-2
4,05 ± 0,10 0-6 2,04 ± 0,03 2
4,01 ± 0,05 7 1,96 ±0,03
3,85 ± 0,03 2 1,88 ± 0,02
3,81 ±0,10 0-4 1,82 ± 0,02
3,77 ± 0,05 1 1,82 ± 0,02 ( )-2
3,48 ± 0,03 10 1,79 ± 0,02
3,40 ± 0,03 5 1,53 ± 0,02
3,35 ±0,10 0-8
Tabelle 3
GiUerabstand Intensität Gitterabstand Inten
sität
A 10 ///„ A 1
9,10 ±0,1 7 3,18 ±0,03 4
7,99 ±0,1 4 3,15 ± 0,03 4
6,82 ± 0,1 2 2,99 ± 0,03 0-1
5,85 ± 0,08 5 2,98 ± 0,03 4
5,29 ± 0,08 2 2,89 ± 0,03 4
5,12 ±0,05 3 2,85 ± 0,03 0-2
Gitterabstand A
Intensität
10 ///„
GiUerabstand A
Intensität
4,67 ± 0,05 4,30 ± 0,10 4,26 ± 0,10 4,08 ± 0,10 4,05 ± 0,10 3,98 ± 0,05 3,85 ± 0,05 3,81 ± 0,10 3,77 ± 0,05 3,47 ± 0,03
3.34 ± 0,10
3.35 ± 0,03 3,22 ± 0,03
0-5 0-2 0-4 0-6 10 2
0-4 2 7
0-8
5
2,81 ± 0,03
2,74 ± 0,03
2,53 ± 0,02 2,49 ± 0,03 2,47 ± 0,03 2,46 ± 0,02 2,45 ± 0,03 2,02 ± 0,02 1,95 ± 0,02 1,87 ± 0,02 1,81+0,02 1,72 ± 0,02
Das anorganische Material mit den Röntgenstrahlenbeugungskennziffern, die in Tabelle 2 wiedergegeben sind, kommt hauptsächlich im Tohokubezirk und im Chugokubezirk in Japan vor, während das anorganische Material mit Röntgenstrahlenbeugungskennziffern gemäß Tabelle 3 hauptsächlich im Tohokubezirk und im Kyushubezirk in Japan vorkommen.
Das vorstehend genannte Adsorbens kann in einfachster Weise hergestellt werden, da man als Rohmaterial das Gestein verwendet, welches in der Natur in großen Mengen vorkommt Man kann eine große Menge des Adsorbens zu viel niedrigeren Kosten erhalten, als dies bei den teuren synthetischen Zeolithen und auch bei den anderen herkömmlichen Adsorbentien wie Silikagel und Aluminiumhydroxyd der Fall ist. Auch ist das Adsorptionsvermögen des Adsorbens für Stickstoff im allgemeinen größer als die der Molekularsiebe 5 λ mit dem höchsten Adsorptionsvermögen unter den synthetischen Zeolithen bei der gleichen Temperatur und beim gleichen Druck. Besonders das Adsorptionsvermögen des Adsorbens, welches aus dem Tuff mit den Röntgenstrahlenbeugungsziffern erhalten wird, die in Tabelle 2 gezeigt werden, hat sich mehr als 2,5mal größer erwiesen als die der Molekularsiebe 5 Λ. Noch mehr wurde durch Versuche bestätigt, daß der Trennungsfaktor, der durch Dividieren des Gleichgewichtsverhältnisses des Stickstoffs zum Sauerstoff in dem Adsorbens durch das Verhältnis in dem Gas erhalten wird, etwa 2,5 in den herkömmlichen synthetischen Adsorbentien beträgt Von einigen Adsorbentien, die aus den natürlich vorkommenden, vorstehend beschriebenen, anorganischen Materialien hergestellt wurden, wurden Werte von 5 erreicht
Weiter wird das Adsorptionsvermögen der vorstehend genannten herkömmlichen Adsorbentien bedeutend herabgesetzt durch die Adsorption von Feuchtigkeit oder Kohlendioxyd und deshalb ist es erforderlich bei der Verwendung eines derartigen Adsorbens, Luft zu verwenden, die keine Feuchtigkeit und kein Kohlendioxyd enthält.
Andererseits besitzen die vorerwähnten Spezialadsorbentien, die aus dem genannten Tuffgestein hergestellt worden sind, ein sehr hohes Aufnahmevermögen für Feuchtigkeit und Kohlendioxyd. So konnte durch Versuche nachgewiesen werden, daß der Taupunkt von gewöhnlicher Luft, die durch eine geeignete Schichtlänge des Adsorbens geleitet wurde, unter - 7O0C liegt und keine Spur an Kohlendioxyd in der Luft beobachtet
wurde. Außerdem zeigte sich, wenn der Wassergehalt des Adsorbens höher als 6 Gew.-% betrug, daß das Adsorbens immer noch genügend Adsorptionsvermögen zur Adsorption von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd besaß. Demgemäß sind die vorstehend speziellen Adsorbentien geeignet als Adsorbens zur Füllung in der Stickstoffadsorptionssäule und auch für die Vorbehandlungssäule.
So kann durch die Verwendung der neuen Adsorbentien die Menge des Sauerstoffs, die in einem ι ο Adsorptionsarbeitsgang gewonnen werden kann, erhöht werden und der Sauerstoff besitzt eine hohe Reinheit, wodurch die Auslegung und Größe der ganzen Vorrichtung herabgesetzt wird. Das neue Adsorbens hat den großen Vorteil, sehr billig zu sein. Außerdem werden die Konstruktionskosten der Sauerstoffanreicherungsanlage bemerkenswert herabgesetzt
Die praktische Ausführung der Erfindung soll nun in den folgenden Beispielen erläutert werden:
Beispiel 1
20
Es wurde die in der F i g. 1 abgebildete Anlage verwendet Die Säule 1 hatte 5 cm Innendurchmesser und eine Länge von 95 cm. Jede der Vorbehandlungssäulen 2 und 3 hatten Innendurchmesser von 5 cm und waren 10 cm lang. Als Adsorbens wurd eine Art Tuff verwendet, der im Chugokubezirk vorkommt Die Zusammensetzung des Tuffs betrug 69,86 Gew.-% SiO2, 11,70 Gew.-% Al2O3,1,76 Gew.-% Fe2O3,1,72 Gew.-% CaO, 2,94 Gew.-% Na2O, 1,79 Gew.-% K2O, 10,76 Gew.-°/o H2O, eine Spur MgO und die Röntgenstrahlenbeugungsdiagrammkennziffern waren praktisch die gleichen wie diese in der Tabelle 2 wiedergegeben sind. Der Tuff wurde gemahlen bis auf eine Korngröße von 1,6 bis 3,3 mm Durchmesser. Die Teilchen wurden eine Stunde auf 6000C erhitzt unter Zuströmen ausreichender Mengen Luft Dann wurde unter Abschluß auf Raumtemperatur abgekühlt Das Adsorbens wurde in jede Säule gefüllt. Wenn die Gewichte der gefüllten Säulen nach dem Durchleiten von trockener Luft in ausreichender Menge bestimmt wurden, betrug das Gewicht der Adsorptionssäule 1 1500,0 g, und die Gewichte der Vorbehandlungssäulen 2 und 3 betrugen 160,1g beziehungsweise 162,0 g. Dann wurde die Anlage unter den folgenden Bedingungen betrieben, wobei die Adsorptionssäule 1 und die Vorbehandlungssäule 2 benutzt wurden, während die Absperrorgane 6' und 7' für die Vorbehandlungssäule 3 geschlossen sind.
Das Desorptionsverfahren wurde durch Evakuieren der Anlage mittels einer Vakuumpumpe durchgeführt bis der Druck in den Säulen 80 mm Hg betrug. Dann wurde in der Rückführungsstufe das Absperrorgan 8 geschlossen, das Absperrorgan 5 wurde geöffnet und trockener reiner Sauerstoff wurde in die Säulen eingeführt bis der Druck in den Säulen 760 mm Hg betrug. Das Volumen des bis dahin eingeleiteten Sauerstoffs betrug 6,8 Liter. In der nachfolgenden Adsorptionsstufe wurde das Absperrorgan 9 geöffnet, und gewöhnliche Luft wurde durch die Zuleitung 14 zu der Säule 2 und der Säule 1 eingeführt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 6,5 -Liter/Min. Die eingeführte Luft enthielt 12,7 g Feuchtigkeit und 0,55 g Kohlendioxyd pro einem m3 der Luft. Die Kurve zeigt die Beziehung der Konzentration des Sauerstoffs in dem Gas am Auslaßende der Säule 1 und die Menge des Gases, welches durch den Gasauslaß während des Adsorptionsvorganges strömte. Sie wurde in Fig.3 durch die fortlaufende Linie dargestellt. In der graphischen Darstellung ist die Menge des Gases der Achse der Abszisse durch Liter und die Konzentration des Stickstoffs in dem Gas ist in der vertikalen Achse als Volumprozent angegeben.
Wenn die eingeführte Luftmenge 16 Liter erreichte, betrug die Konzentration des Stickstoffs in dem Gas an dem Gasauslaßende der Säule 1 20%, bei welcher der Adsorptionsvorgang gestoppt wurde und auf die Desorptionsstufe umgeschaltet wurde. Danach wurden diese Verfahren wiederholt Jedoch wurde in diesem Falle Sauerstoff in der Rückführungsstufe von dem zweiten Zyklus verwendet, welcher ein sauerstoffreiches Gas liefert, welches von der vorhergehenden Adsorptionsstufe erhalten wurde.
Wie die Höhe an zugeführter Luft erhöht wurde, erhöhte sich das Gewicht der Säule 1 absatzweise;, aber der Taupunkt des Grces des in die Säule 2 eingeleiteten Gases aus der Säule 1 lag bei -65 bis — 700C und kein Kohlendioxyd konnte darin beobachtet werden. Jedoch, wenn die Totalmenge an eingeführter Luft 20 m3 erreichte, wurde eine Spur CO2 in dem Gas am Auslaßende der Säule 2 beobachtet Zu diesem Punkt betrug das Gewicht des Adsorbens in der Säule 1 1500,0 g und das Gewicht des Adsorbens in der Säule 166,1 g. Danach wurde die Verwendung der Säule 2 gestoppt und während die Säule 3 als Vorbehandlungssäule benutzt wurde, wurden die vorstehenden Verfahrensstufen wiederholt
Das Adsorbens in der Säule 2 wurde für eine Stunde auf 6000C erhitzt, während gewöhnliche Luft eingeleitet wurde. Danach ließ man auf Raumtemperatur unter Abschluß abkühlen und ersetzte die Innenseite der Säule ausreichend mit trockener Luft Das Gewicht des Adsorbens betrug 160,0 g.
Ebenso, wenn die Totalmenge der eingeführten Luft 20 m3 erreichte, erhielt die Säule 3 den gleichen Zustand wie in der Säule 2 und deshalb betrug das Gewicht des darin befindlichen Adsorbens 162,1 g, wenn die Regeneration durchgeführt wurde.
So wurde die Wiedergewinnung des Sauerstoffs aus der gewöhnlichen Luft während des Nachweises des Durchbruchspunktes des Kohlendioxyds in den Vorbehandlungssäulen und Wiederholung der Verwendung und Regeneration der Vorbehandlungssäulen 2 und 3 wiederholt aber das Gewicht des Adsorbens in der Säule 1 war nicht erhöht und ebenso das Adsorptionsvermögen für Stickstoff war nicht herabgesetzt.
Vergleichsuntersuchung zum Nachweis
des erzielten technischen Fortschritts
Das gleiche Verfahren wie im Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die Rückführungsstufe mit Sauerstoff weggelassen wurde. Für den Fall ist die Durchbruchskurve am Gasauslaßende der Säule 1 während des Arbeitens in der F i g. 3 durch eine unterbrochene Linie dargestellt. Die Gesamtmenge der Luft, die bis zum Durchbruchspunkt des Kohlendioxyds in der Vorbehandlungssäule eingeleitet wurde, betrug 2,5 m3.
Beispiel 2
Es wurden die gleichen Säulen 2 und 3 wie im Beispiel 1 und das gleiche Adsorbens verwendet, jedoch nur die Adsorptionsstufe wurde unter Normaldruck ausgeführt. Außerdem wurde im vorliegenden Beispiel die Säule 1 weggelassen. Gewöhnliche Luft wurde kontinuierlich durch die Säule 2 geleitet, um die gereinigte Luft abzuziehen. Wenn Spuren an Kohlendioxyd in der Säule
erschienen, wurde das Adsorptionsverfahren von der Säule 2 zu der Säule 3 umgeschaltet In diesem Falte betrug die Gesamtmenge an gewöhnlicher Luft 0,24 m3, die in der Säule bis zum Durchbrrehspunkt des Kohlendioxyds behandelt worden war. Mit anderen Worten, die Entfernung der Feuchtigkeit des Kohlendioxyds aus der Luft war unmöglich bei Benutzung der Säule 2 oder 3 ohne Regeneration durch Erhitzen der Säule, nachdem 0,24 m3 gewöhnliche Luft durchgeströmt waren. Wenn die gereinigte Luft benötigt wurde, war es unbedingt erforderlich, das Adsorbens durch Erhitzen nach jedem Durchgang von 0,24 m3 gewöhnlicher Luft zu regenerieren.
Beispiel 3
Die Anlage, die in der Fig.2 dargestellt ist, wurde verwendet Die Abmessungen der Adsorptionssäulen und der Vorbehandlungssäulen und die Art und die Menge des in die Säulen eingefüllten Adsorbens waren die gleichen wie die im Beispiel 1 verwendeten. Die Adsorptionsstufe wurde bei 1,5 Atm. (absolut) und die Desorptionsstufe wurde bei 0,19 Atm. durchgeführt Ebenso wurde Sauerstoff für die Rückführungsstufe zuerst von einer Sauerstoffquelle geliefert, aber nach dem zweiten Zyklus wurde das sauerstoffreiche Gas benutzt, welches durch das Adsorptionsverfahren erhalten wurde. Gewöhnliche Luft wurde kontinuierlich in die Anlage mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Liter bei Normal Atm./Min. eingeleitet
Als Nachweisgerät zur Bestimmung des Durchbruchspunktes wurde ein im Handel erhältliches
Sauerstoffanalysengerät verwendet Sechs solche Analysengeräte wurden in die drei Adsorptionssäulen 1, 2 und 3 eingebaut Dies wurde durchgeführt indem empfindliche Fühler von zwei Analysengeräten in jede der Adsorptionssäulen, die 94 cm lang sind, in einer Entfernung von 23 cm vom Einlaßende und vom Auslaßende der entsprechenden Säule angebracht wurden. Jedes dieser Nachweisgeräte wurde so aufgestellt daß wenn die Konzentration an Sauerstoff unter 30% absank, die Anlage auf den nachfolgenden Zyklus umgeschaltet wurde. Die Adsorptionsstufen wurden durchgeführt unter automatischem Umschalten der Absperrorgane 11 bis 22, wie dies in der Ausführungsform gemäß F i g. 2 unter Bezugnahme auf Tabelle 1 zu erfolgen hat Die Absperrorgane 23—34 wurden durch Hand betätigt Die Betätigung der Absperrorgane erfolgte wie im Beispiel 1 durch Bestimmung des Durchbruchspunktes für Kohlendioxyd an den Auslaßenden der Vorbehandlungssäulen.
Wenn 40 m3 gewöhnlicher Luft mit einem Gehalt an 12,0 g Feuchtigkeit und 0,55 g Kohlendioxyd pro m3 in das Adsorptionsverfahren eingeführt waren, wurde das Vorhandensein von kleinen Mengen CO2 am Gasauslaß der Vorbehandlungssäule nachgewiesen. °
Wenn die Herstellung eines sauerstoffreichen Gases mit einem Gehalt von 80% O2 mit einer Geschwindigkeit von etwa 13 Liter/Min, fortgesetzt wurde unter Benutzung der vorstehend beschriebenen Anlage für einen langen Zeitraum von 4000 Stunden, wurde keine Herabsetzung im Adsorptionsvermögen der Adsorbentien in den Adsorptionssäulen beobachtet.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus gewöhnlicher Luft durch Adsorption und Verwendung eines anorganischen Adsorptionsmaterial, das hauptsächlich aus SiOj, Al2O3 und H2O zusammengesetzt ist und Oxide der Alkalimetalle und Erdalkalien enthält, und Desorption unter vermindertem Druck unter Verwendung von sauerstoffrei- cherem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß
(1) als Adsorptionsmaterial ein natürliches mineralisches Tuffmaterial mit etwa 1 bis 10 Gewichtsprozent der Oxide der Alkalimetalle und Erdalkalimetalle und dem Röntgenstrahlenbeugungsbild gemäß Tabelle 2 oder gemäß Tabelle 3 verwendet wird und die Luft vor der Stickstoffadsorption in einer Vcrbehandlungsstufe von CO2 und Wasser befreit wird und die Desorption der Vorbehandlungssäule im Vakuum durch das von der Stickstoffadsorptionssäule desorbierte Gas durchgeführt wird, danach
(2) eine Rückführungsstufe durch Einführen von reinem Sauerstoff oder einem sauerstoff reichen Gasprodukt in die evakuierte Stickstoffadsorptionssäule und Vorbehandlungssäule so lange durchgeführt wird, bis der Druck in beiden Säulen auf den in der darauffolgenden Adsorptionsstufe angewendeten Druck angestiegen ist und
(3) eine Adsorptionsstufe durch Einführen von gewöhnlicher Luft in die Vorbehandlungssäule und der austretenden feuchtigkeits- und CO2-freien Luft in die Stickstoffadsorptionssäule unter gleichzeitiger Gewinnung von hochkonzentriertem Sauerstoff durchgeführt wird, bis der Durchbruchspunkt von Stickstoff in der Stickstoffadsorptionssäule erreicht wird und die Vorbehandlungssäule periodisch durch Erhitzen unter gleichzeitiger Spülung mit Luft gereinigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Adsorbens das Tuffmaterial in gemahlener und dehydratisierter Form, welches durch Erhitzen auf 350-7000C, bevorzugt 400-6500C, erhalten worden ist, einsetzt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstufen automatisch durch die Steuerung der Absperrorgane gesteuert so werden und zur automatischen Steuerung der Temperaturwechsel des Adsorbens, der durch den Wechsel der Adsorptionswärme verursacht wird, erfolgt.
55
DE1817004A 1967-12-27 1968-12-24 Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus gewöhnlicher Luft durch Adsorption Expired DE1817004C3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8328467 1967-12-27

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE1817004A1 DE1817004A1 (de) 1969-08-14
DE1817004B2 true DE1817004B2 (de) 1981-02-19
DE1817004C3 DE1817004C3 (de) 1981-10-29

Family

ID=13798059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE1817004A Expired DE1817004C3 (de) 1967-12-27 1968-12-24 Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus gewöhnlicher Luft durch Adsorption

Country Status (4)

Country Link
US (1) US3533221A (de)
DE (1) DE1817004C3 (de)
FR (1) FR1598896A (de)
GB (1) GB1258417A (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0099211A2 (de) * 1982-07-07 1984-01-25 The BOC Group plc Verfahren zur Anreicherung von Stickstoff

Families Citing this family (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2064137B2 (de) * 1970-12-28 1971-09-16 Verfahren und vorrichtung zum adsorptiven entfernen von wasser und einer oder mehreren anderen komponenten aus gasen
US3957463A (en) * 1973-12-12 1976-05-18 Air Products And Chemicals, Inc. Oxygen enrichment process
DE2516223C3 (de) * 1975-04-14 1978-12-14 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Verfahren und Vorrichtung zum Regenerieren von Adsorbent
US4000990A (en) * 1975-04-16 1977-01-04 Nrg Nufuel Company Adsorption process
US4013429A (en) * 1975-06-04 1977-03-22 Air Products And Chemicals, Inc. Fractionation of air by adsorption
JPS5299973A (en) * 1976-02-18 1977-08-22 Toray Ind Inc Adsorption and separation apparatus of mixed gas
US4046529A (en) * 1976-05-21 1977-09-06 Nasa Regenerable device for scrubbing breathable air of CO2 and moisture without special heat exchanger equipment
US4222750A (en) * 1976-08-16 1980-09-16 Champion Spark Plug Company Oxygen enrichment system for medical use
US4171207A (en) * 1978-08-21 1979-10-16 Air Products And Chemicals, Inc. Separation of multicomponent gas mixtures by pressure swing adsorption
US4171206A (en) * 1978-08-21 1979-10-16 Air Products And Chemicals, Inc. Separation of multicomponent gas mixtures
CA1132062A (en) * 1978-12-28 1982-09-21 Robert A. Ritter Multiple vessel cascade gas enrichment system
US4264340A (en) * 1979-02-28 1981-04-28 Air Products And Chemicals, Inc. Vacuum swing adsorption for air fractionation
JPS55149620A (en) * 1979-05-11 1980-11-21 Noboru Sato Oxygen-enriching system having good rise-up characteristic
US4249915A (en) * 1979-05-30 1981-02-10 Air Products And Chemicals, Inc. Removal of water and carbon dioxide from air
US4329158A (en) * 1980-06-13 1982-05-11 Air Products And Chemicals, Inc. Air fractionation by pressure swing adsorption
DE3122701A1 (de) * 1981-06-06 1982-12-23 Bergwerksverband Gmbh, 4300 Essen Verfahren zur trennung von gasgemischen mittels druckwechseltechnik
US4439213A (en) * 1981-12-30 1984-03-27 The C. M. Kemp Manufacturing Co. Nitrogen generation system
US4449990A (en) * 1982-09-10 1984-05-22 Invacare Respiratory Corp. Method and apparatus for fractioning oxygen
US4477264A (en) * 1983-03-30 1984-10-16 Air Products And Chemicals, Inc. Pressure swing adsorption process for a medical oxygen generator for home use
DE3469491D1 (en) * 1983-03-31 1988-04-07 Normalair Garrett Ltd Molecular sieve type gas separation systems
US4491459A (en) * 1983-05-04 1985-01-01 Pinkerton Charles J Portable oxygen enrichment and concentration system
US4539019A (en) * 1983-09-29 1985-09-03 Air Products & Chemicals, Inc. Control system for air fractionation by selective adsorption
US4552571A (en) * 1984-04-05 1985-11-12 Vbm Corporation Oxygen generator with two compressor stages
DE3413895A1 (de) * 1984-04-13 1985-10-17 Bayer Ag, 5090 Leverkusen Druckwechselverfahren zur adsorptiven trennung von gasgemischen
US4711645A (en) * 1986-02-10 1987-12-08 Air Products And Chemicals, Inc. Removal of water and carbon dioxide from atmospheric air
US4756723A (en) * 1987-03-04 1988-07-12 Air Products And Chemicals, Inc. Preparation of high purity oxygen
US4822383A (en) * 1987-04-30 1989-04-18 United Technologies Corporation Method and apparatus for removing carbon dioxide from air
US5061455A (en) * 1987-04-30 1991-10-29 United Technologies Corporation Apparatus for removing carbon dioxide from air
US4950311A (en) * 1988-03-07 1990-08-21 White Jr Donald H Heaterless adsorption system for combined purification and fractionation of air
US5232474A (en) * 1990-04-20 1993-08-03 The Boc Group, Inc. Pre-purification of air for separation
US5186727A (en) * 1991-06-07 1993-02-16 Allied-Signal Inc. Mixed-metal oxide absorbent for carbon dioxide and water removal
US5429666A (en) * 1994-02-03 1995-07-04 Air Products And Chemicals, Inc. VSA adsorption process with continuous operation
US5846295A (en) * 1997-03-07 1998-12-08 Air Products And Chemicals, Inc. Temperature swing adsorption
FR2767717B1 (fr) * 1997-08-28 1999-10-01 Air Liquide Granulometrie et epaisseur de lit d'une unite psa
US8343259B2 (en) * 2010-03-29 2013-01-01 Wearair Oxygen, Inc. Moisture mitigation in PSA air fractionation
EP3653282A1 (de) * 2010-04-30 2020-05-20 Peter Eisenberger System und verfahren zur abscheidung und sequestrierung von kohlenstoff
US9034208B1 (en) 2011-02-11 2015-05-19 Emerging Fuels Technology, Inc. Process to convert natural gas into liquid fuels and chemicals
US9321641B1 (en) 2011-02-11 2016-04-26 Emerging Fuels Technology, Inc. Process to convert natural gas into liquid fuels and chemicals
US20160175785A1 (en) * 2013-05-20 2016-06-23 Top Electric Appliances Industrial Ltd An Electrical Appliance for Processing a Beverage
JP6698021B2 (ja) 2013-12-20 2020-05-27 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． センサシステム及びセンサシステムを有する酸素分離器
DE102015008993B4 (de) * 2015-07-15 2022-01-05 Drägerwerk AG & Co. KGaA Verfahren zum Betreiben einer Lufttrocknungsvorrichtung zum Trocknen von Luft, Lufttrocknungsvorrichtung zum Trocknen von Luft sowie Druckluftanlage
US20210220599A1 (en) 2020-01-21 2021-07-22 Wearair Ventures, Inc. Efficient enriched oxygen airflow systems and methods
CN115180762B (zh) * 2022-07-17 2023-12-26 北京嘎子科技有限公司 一种室内恒温高氧水循环制备方法及系统

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2944627A (en) * 1958-02-12 1960-07-12 Exxon Research Engineering Co Method and apparatus for fractionating gaseous mixtures by adsorption
US2944276A (en) * 1958-06-06 1960-07-12 Presser Leiser Window cleaning device
US2992037A (en) * 1959-03-05 1961-07-11 Robert O Nusbaum Convertible house-trailer
US3104162A (en) * 1960-05-18 1963-09-17 Exxon Research Engineering Co Timing cycle for improved heatless fractionation of gaseous materials
NL263531A (de) * 1960-04-12 1900-01-01
US3237378A (en) * 1961-01-05 1966-03-01 Exxon Research Engineering Co Metallic-base adsorbents for heatless driers
NL288999A (de) * 1962-02-26
DE1444441B2 (de) * 1963-01-04 1970-03-05 The British Oxygen Company Ltd., London Verfahren zur Reinigung von Luft
US3252268A (en) * 1963-04-01 1966-05-24 Exxon Research Engineering Co Gas separation by adsorption process

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0099211A2 (de) * 1982-07-07 1984-01-25 The BOC Group plc Verfahren zur Anreicherung von Stickstoff
EP0099211A3 (de) * 1982-07-07 1986-03-05 The BOC Group plc Verfahren zur Anreicherung von Stickstoff

Also Published As

Publication number Publication date
FR1598896A (de) 1970-07-06
GB1258417A (de) 1971-12-30
US3533221A (en) 1970-10-13
DE1817004A1 (de) 1969-08-14
DE1817004C3 (de) 1981-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE1817004C3 (de) Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff aus gewöhnlicher Luft durch Adsorption
DE2214820C3 (de) Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff aus Luft
EP0019105B1 (de) Druckwechsel-Adsorptionsverfahren und seine Anwendung bei der Herstellung organischer Säuren
DE2724763C2 (de) Verfahren zum Reinigen und Zerlegen eines Gasgemisches
DE2443072C2 (de) Verfahren zur Erzeugung eines mit Sauerstoff angereicherten Gases
DE3716898C2 (de)
EP0146124B1 (de) Druckwechseladsorptionsverfahren
EP0225605B1 (de) Druckwechseladsorptionsverfahren
DE2055425B2 (de) Adsorptionsverfahren zum Zerlegen von Gasgemischen
DE2316831C3 (de) Verfahren und Anlage zur Behandlung von Abgasen, die radioaktive Verunreinigungen, insbesondere Krypton- und Xenonnuklide, enthalten
DE1419704A1 (de) Verfahren zur Entfernung geringer Mengen gasfoermiger Verunreinigungen aus Gasen
DE3716899C1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Heliumgewinnung
EP0009217A1 (de) Adiabatisches Adsorptionsverfahren zur Gasreinigung oder -trennung
EP0066868B1 (de) Verfahren zur Trennung von Gasgemischen mittels Druckwechsel-Adsorptionstechnik
DE3132758A1 (de) Absorptionsverfahren
DE3222560A1 (de) Verfahren zur abtrennung und gewinnung von relativ stark an adsorptionsmitteln adsorbierbaren gasen aus ansonsten im wesentlichen nur leichter adsorbierbare gase enthaltenden gasgemischen sowie anlage zum durchfuehren dieses verfahrens
DE2624346C2 (de)
DE1946186B2 (de) Verfahren zur adsorptiven Trennung eines Gasgemisches
DE1544152C3 (de) Verfahren zur adsorptiven Abtrennung von Stickstoff aus Luft
DE1794140C3 (de) Kontinuierliches Verfahren zur Trennung eines Gasgemisches mit Hilfe von Adsorbent
EP0146646B1 (de) Verfahren zur Abtrennung und Gewinnung von relativ stark an Adsorptionsmitteln adsorbierbaren Gasen aus ansonsten im wesentlichen nur schwächer adsorbierbare Gase enthaltenden Gasgemischen
DE2548291A1 (de) Verfahren zum zerlegen von luft durch adsorption
DE1454556B2 (de) Verfahren zur einstellung eines vorbestimmten sauerstoffgehaltes innerhalb der atmosphaere von raeumen
DE3207089A1 (de) Druckwechseladsorptionsverfahren
DE3345379A1 (de) Verfahren zur abtrennung und gewinnung von relativ stark an adsorptionsmitteln adsorbierbaren gasen aus ansonsten im wesentlichen nur schwaecher adsorbierbare gase enthaltenden gasgemischen

Legal Events

Date Code Title Description
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
8339 Ceased/non-payment of the annual fee