DE2854060C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Adsorptionsverfahren zum Bereitstellen eines Einsatzgases für eine chemische Reaktion und zum Abtrennen eines gasförmigen Reaktionsproduktes aus dem durch die Reaktion gewonnenen Gasgemisch, durchgeführt in einer Adsorptionsanlage, die zyklisch umschaltbare Adsorber, die alle die gleiche Phasenabfolge durchlaufen, enthält, wobei das Einsatzgas durch Zerlegung eines dieses selbst sowie ein Trägergas oder Trägergasgemisch enthaltenden Rohgasgemisches erhalten und in der Reaktion nur unvollständig umgesetzt wird und der nicht umgesetzte Anteil in die Reaktion zurückzuführen ist.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-OS 26 10 227 bekannt. Dort handelt es sich um die Erzeugung und Rückgewinnung von Ozon aus einem Sauerstoffgasstrom. Der Ozon wird in einem mehrstufigen Ozongenerator erzeugt. Hierbei gelangen Sauerstoffatome und Sauerstoffmoleküle zur Reaktion. Die zur Spaltung der Sauerstoffmoleküle in Atome erforderliche Energie wird in Form elektrischer Energie zugeführt. Das aus der Ozonbildungsreaktion hervorgehende Gasgemisch enthält einige Vol.-% Ozon, das somit das Reaktionsprodukt darstellt. Das Ozon-Sauerstoff-Gemisch wird einer Adsorberstation zugeführt, wo der Ozonanteil bevorzugt adsorbiert wird. Als Adsorptionsmittel wird vorzugsweise Kieselgel verwendet. Der nicht adsorbierte Sauerstoff wird zum Eingang des Ozongenerators zurückgeführt. In diesen wird weiterhin ein Sauerstoffanteil eingespeist, der dem Anteil des in der Ozonbildungsreaktion verbrauchten Sauerstoffs entspricht. Dieser laufend einzuspeisende Sauerstoff wird in einer gesonderten Luftzerlegungsanlage, die beispielsweise eine Adsorptionsanlage sein kann, gewonnen. Die Desorption des in der Adsorberstation abgetrennten Ozons geschieht mit Hilfe eines inerten Spülgases, etwa das in der Luftzerlegungsanlage gewonnenen Stickstoffs. Die Luftzerlegungsanlage kann, falls sie eine Adsorptionsanlage ist, mit einem der üblichen Druckwechselverfahren betrieben werden.

Das bekannte Verfahren zeichnet sich durch gute Nutzung des eingesetzten Sauerstoffs aus, da der im Ozongenerator nicht umgesetzte Sauerstoff ständig zurückgeführt wird und nur der jeweils zu Ozon umgesetzte Anteil durch Luftzerlegung ersetzt werden muß. Das Verfahren ist jedoch apparativ aufwendig. So sieht es eine Adsorberstation für die Abtrennung des Ozons aus dem Sauerstoffstrom sowie eine gesonderte Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung des Sauerstoffs vor. Um einen kontinuierlichen Prozeß zu ermöglichen, sind die Adsorberstationen jeweils aus mehreren parallel geschalteten Adsorbertürmen aufgebaut, wobei die Anzahl der Türme, um den Kapitalaufwand zu begrenzen, in den meisten Fällen bei zwei oder drei Türmen liegt. Das Umschalten der Gasströme kann entweder von Hand oder selbsttätig erfolgen, so daß man ein zyklisches System erhält, bei dem die Adsorberbetten wechselweise auf Betrieb geschaltet werden. Der damit verbundene apparative Aufwand ist, sowohl hinsichtlich der bereitzustellenden Adsorptionsmittelbehälter selbst als auch hinsichtlich der Regeleinrichtungen und Armaturen, beträchtlich.

Wird außerdem die Adsorption der abzutrennenden Komponenten, wie dies bei Adsorptionsverfahren oft der Fall ist, bei niedrigen Temperaturen durchgeführt, so ist bei zwei gesonderten Adsorptionsanlagen auch ein zweifacher Aufwand zur thermischen Isolierung sowie zur Kompensierung von Isolationsverlusten erforderlich.

Ein weiteres gattungsgemäßes Verfahren ist aus der US-PS 28 72 397 bekannt. Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein Verfahren zur Erzeugung und Rückgewinnung von Ozon aus einem Sauerstoffgasstrom. Im Gegensatz zur bereits zitierten DE-OS 26 10 227 wird der Ozon in einem einstufigen Ozongenerator erzeugt. Anschließend wird das Ozon-Sauerstoff- Gemisch einer Adsorberstation zugeführt, der Ozonanteil bevorzugt adsorbiert und der nicht adsorbierte Sauerstoffanteil zum Eingang des Ozongenerators zurückgeführt. Der Sauerstoff, der der verbrauchten Sauerstoffmenge entspricht, wird, aus einer externen Quelle kommend, in die Rückführleitung vom Adsorber zum Ozongenerator eingespeist. Auch hier besteht die Adsorberstation aus mehreren parallel geschalteten Adsorbertürmen, die zyklisch umgeschaltet werden, um einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen.

Die Desorption der mit Ozon beladenen Adsorber geschieht mittels getrockneter und gekühlter Luft. Zwischen den Adsorptions- und Desorptionsphasen werden die Adsorber evakuiert, um nach einer Adsorptionsphase im Adsorber verbliebenen Sauerstoff zu gewinnen und vor den Ozongenerator zurückzuführen und nach einer Desorptionsphase noch verbliebenes Spülgas, zur Vermeidung einer Verschmutzung des in der darauffolgenden Adsorptionsphase eintretenden Sauerstoff- Ozon-Gasgemisches, an die Atmosphäre abzugeben.

Auch dieses bekannte Verfahren zeichnet sich durch eine gute Nutzung des eingesetzten Sauerstoffs aus, da der im Ozongenerator nicht umgesetzte Teil zurückgeführt wird. Doch ist der apparative Aufwand auch hier, wie bei der bereits erwähnten DE-OS 26 10 227, nicht unerheblich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitszustellen, das eine Verminderung des apparativen und betriebstechnischen Aufwandes mit sich bringt und insgesamt auf möglichst wirtschaftliche Weise durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zerlegung des Rohgasgemisches und die Abtrennung des gasförmigen Reaktionsproduktes in einer einzigen Adsorptionsanlage durchgeführt wird.

Die Erfindung beinhaltet somit die integrierte Durchführung zweier Verfahrensschritte, die bisher stets gesondert behandelt wurden, da sie im konkreten Fall jeweils der Lösung zweier unterschiedlicher Teilprobleme dienten, in einer gemeinsamen Anlage. Mit Hilfe des Druckwechselverfahrens, das sich durch eine Vielzahl möglicher Verfahrensvarianten auszeichnet, gelingt es, die beiden Teilaufgaben der Zerlegung des Rohgasgemisches und der Abtrennung des gasförmigen Reaktionsproduktes auf optimale Weise in einem einzigen Verfahren zu integrieren. Das Druckwechselverfahren ist im vorliegenden Zusammenhang deshalb mit besonderem Vorteil anwendbar, weil es, insbesondere bei Verwendung von mindestens drei zyklisch umschaltbaren Adsorbern, eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Phasen bietet, die von jedem einzelnen Adsorber durchlaufen werden. Damit kann im Einzelfall eine optimale Anpassung an die speziell vorliegenden Bedingungen erzielt werden.

Das Grundprinzip der Erfindung kann auf unterschiedliche Weise verwirklicht werden. Das Druckwechselverfahren bietet nämlich prinzipiell zwei Möglichkeiten der Adsorberbeaufschlagung mit adsorptivem Effekt: einmal die in der Regel bei gleichbleibendem Druck ablaufenden eigentlichen Adsorptionsphasen, zum anderen die unter ansteigendem Druck ablaufenden Druckaufbauphasen. Je mehr Adsorber vorhanden sind, desto mehr Druckaufbauphasen können vorgesehen sein. Darüber hinaus können auch mehrere Adsorptionsphasen hintereinandergeschaltet werden, in denen der Adsorber jeweils mit unterschiedlich zusammengesetzten Gasgemischen beaufschlagt wird, wobei das oder die Adsorptionsmittel nacheinander beladen werden.

Als eine mögliche Ausführungsform der Erfindung ergibt sich somit zunächst, daß die Adsorber jeweils in aufeinanderfolgenden Adsorptionsphasen wahlweise einmal mit dem Rohgasgemisch und zum anderen mit dem durch die chemische Reaktion gewonnenen Gasgemisch beaufschlagt werden. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, die Absorber jeweils während einer Druckaufbauphase und einer nachfolgenden Adsorptionsphase wahlweise einmal mit dem Rohgasgemisch und zum anderen mit dem durch die chemische Reaktion gewonnenen Gasgemisch zu beaufschlagen. In diesem Falle wird es oft zweckmäßig sein, die Zerlegung des Rohgasgemisches während einer Adsorptionsphase und die Abtrennung des gasförmigen Reaktionsproduktes während einer dieser vorgeschalteten Druckaufbauphase vorzunehmen, insbesondere dann, wenn das Rohgasgemisch bei höherem Druck zur Verfügung steht als das durch die chemische Reaktion gewonnene Gasgemisch. Es kann aber auch so vorgegangen werden, daß die Zerlegung des Rohgasgemisches während einer ersten und die Abtrennung des gasförmigen Reaktionsproduktes während einer zweiten, der ersten nachgeschalteten Adsorptionsphase vorgenommen wird.

Wie im Einzelfall vorzugehen ist, hängt vor allem von dem Absorbierbarkeiten der zu trennenden Komponenten und den Partialdrücken des Einsatzgases einmal im Rohgasgemisch und zum anderen in dem aus der Reaktion hervorgehenden Gasgemisch, im folgenden kurz Reaktionsgasgemisch genannt, ab. Da das Einsatzgas sowohl aus dem Rohgasgemisch als auch aus dem Reaktionsgasgemisch abzutrennen ist, nimmt es gewissermaßen eine Sonderstellung ein. Daher sind zunächst die beiden Fälle zu unterscheiden, daß das Einsatzgas entweder deutlich schwächer oder aber deutlich stärker adsorbiert wird, als die beiden anderen Gase, nämlich das Trägergas und das gasförmige Reaktionsprodukt. Außerdem ist von Bedeutung, ob das Einsatzgas im Rohgasgemisch oder im Reaktionsgasgemisch in der höheren Konzentration bzw. unter dem höheren Partialdruck vorliegt.

Wenn nun das Einsatzgas am schwächsten adsorbierbar ist, wie dies oft der Fall sein wird, dann ist von den beiden Trennprozessen, nämlich der Zerlegung des Rohgasgemisches und der Abtrennung des gasförmigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktionsgasgemisch, immer derjenige zuletzt durchzuführen, bei dem das Einsatzgas in der geringeren Konzentration bzw. unter dem geringeren Partialdruck vorliegt. Damit wird erreicht, daß das bei Beginn der Entspannungsphasen im Lückenvolumen des Adsorbers befindliche Gasgemisch jeweils möglichst arm an Einsatzgas ist und somit ein möglichst großer Anteil an Einsatzgas unmittelbar, d. h. nicht auf dem Umweg über Druckaufbaustufen, der chemischen Reaktion zugeführt werden kann. Außerdem wird bei Druckwechselverfahren häufig ein Teil des Entspannungsgases nicht zum Druckaufbau verwendet, sondern entweder vollständig abgeblasen oder zum Spülen eines anderen Adsorbers während der Desorptionsphase herangezogen, und auch hieraus ergibt sich die Forderung, daß das Entspannungsgas möglichst arm an Einsatzgas sein sollte. Ist das Produktgasgemisch somit reicher an Einsatzgas als das Rohgasgemisch, so wird es demnach zweckmäßig vor letzterem in den Adsorber geleitet, möglicherweise während einer Druckaufbaustufe.

Ist das Einsatzgas hingegen im Rohgasgemisch in höherer Konzentration bzw. unter höherem Partialdruck enthalten als im Produktgasgemisch, so wird zweckmäßig das Rohgasgemisch zuerst in den Adsorber eingeleitet. Dies gilt, wie bereits erwähnt, unter der Voraussetzung, daß das Einsatzgas am schwächsten adsorbiert wird.

Ist das Einsatzgas die am stärksten adsorbierte Komponente, so kehren sich die Verhältnisse um. Denn nunmehr kommt es darauf an, daß während der zweiten von zwei aufeinanderfolgenden Beaufschlagungsphasen nicht ein Teil des während der ersten Phase bereits adsorbierten Einsatzgases wieder in die Gasphase übergeht. Demgemäß sollte das Gasgemisch, in dem das Einsatzgas in höherer Konzentration bzw. unter höherem Partialdruck vorliegt, erst während der zweiten Beaufschlagungsphase in den Adsorber eingeleitet werden. Damit wird insgesamt eine maximale Menge an Einsatzgas adsorptiv zurückgehalten.

Wird das Adsorptionsmittel so gewählt, daß das Einsatzgas vom Adsorptionsmittel sowohl im Vergleich zum Trägergas bzw. Trägergasgemisch als auch im Vergleich zum gasförmigen Reaktionsprodukt deutlich schwächer adsorbiert wird, kann das Verfahren so geführt werden, daß das Trägergas sowie das gasförmige Reaktionsprodukt gemeinsam desorbiert werden. Diese Möglichkeit ist dann anwendbar, wenn es zulässig oder erwünscht ist, das gasförmige Reaktionsprodukt in Verdünnung durch das Trägergas zu erhalten, aufzubewahren oder zu verwenden. Anderenfalls können Adsorber verwendet werden, die je zwei hintereinander angeordnete Adsorptionsmittelschüttungen enthalten, deren eine bevorzugt das Trägergas bzw. Trägergasgemisch und deren andere bevorzugt das durch die chemische Reaktion gewonnene Gasgemisch adsorbiert, wobei die Desorption durch gleichzeitiges Absaugen von beiden Adsorberenden her vorgenommen wird. So lassen sich das Trägergas und das gasförmige Reaktionsprodukt getrennt gewinnen.

Ist dagegen das Einsatzgas diejenige Komponente, die vom Adsorptionsmittel sowohl im Vergleich zum Trägergas bzw. Trägergasgemisch als auch im Vergleich zum gasförmigen Reaktionsprodukt deutlich stärker adsorbiert wird, so besteht nur dann die Möglichkeit, das gasförmige Reaktionsprodukt gesondert zu gewinnen, wenn die beiden Trennprozesse in zwei Adsorptionsphasen und nicht in einer Druckaufbauphase und einer nachfolgenden Adsorptionsphase vorgenommen werden, da während einer Druckaufbauphase das gesamte Gasgemisch in dem Adsorber verbleibt und die nicht adsorbierte Komponente zwar zu Beginn der nachfolgenden Adsorptionsphase verdrängt wird, eine einwandfreie Trennung aber problematisch ist.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Fließbild des allgemeinen Verfahrensablaufs;

Fig. 2 zeigt ein Zeitablaufdiagramm einer Adsorptionsanlage mit vier Adsorbern, mit zwei hintereinandergeschalteten Adsorptionsphasen für das Rohgasgemisch und das durch die chemische Reaktion gewonnene Gasgemisch;

Fig. 3 zeigt ein Zeitablaufdiagramm einer Adsorptionsanlage mit vier Adsorbern, mit einer letzten Druckaufbauphase unter Einspeisung des durch die chemische Reaktion gewonnenen Gasgemisches sowie einer anschließenden Adsorptionsphase für das Rohgemisch;

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung den Verfahrensablauf eines speziellen Ausführungsbeispiels, nämlich der Erzeugung von Ozon aus Luft mit Hilfe einer Adsorptionsanlage mit drei Adsorbern und

Fig. 5 zeigt das Zeitablaufschema zum Verfahren der Fig. 4.

In Fig. 1 bedeutet 1 die gemäß der Erfindung vorgesehene einzige Adsorptionsanlage, 2 den Reaktor zur Durchführung der chemischen Reaktion, 3 einen Kompressor zur Verdichtung des Rohgasgemisches auf den Adsorptionsdruck, 4 einen Kreislaufkompressor für das durch die Reaktion gewonnene Gasgemisch und 5 einen Verdichter, ein Gebläse oder eine Vakuumpumpe zur Abführung des gasförmigen Reaktionsproduktes sowie gegebenenfalls des Trägergases. Das aus einem Trägergas bzw. Trägergasgemisch und einem Einsatzgas bestehende Rohgasgemisch wird durch eine Leitung 6 dem Rohgaskompressor 3 zugeführt, dort auf den Adsorptionsdruck verdichtet, gegebenenfalls auf die Adsorptionstemperatur gekühlt, durch eine Leitung 13 in die Adsorptionsanlage eingeführt und dort der Adsorption unterzogen. Dort wird das Einsatzgas vom Trägergas bzw. Trägergasgemisch abgetrennt und über eine Leitung 7 dem Reaktor 2 zugeführt, in den über Leitung 8 gegebenenfalls weitere an der Reaktion teilnehmende Komponenten eingespeist werden. Das durch die Reaktion gewonnene Gasgemisch, das neben dem gasförmigen Reaktionsprodukt nicht umgesetztes Einsatzgas enthält, wird über eine Leitung 9 aus dem Reaktor 2 abgezogen, gegebenenfalls durch den Kreislaufkompressor 4 rückverdichtet sowie anschließend rückgekühlt und schließlich über eine Leitung 10 in die Adsorptionsanlage 1 zurückgeführt. Dort wird das gasförmige Reaktionsprodukt abgetrennt und, gegebenenfalls zusammen mit dem Trägergas bzw. Trägergasgemisch durch eine Leitung 11 mit Hilfe der Vakuumpumpe bzw. des Verdichters 5 abgesaugt. Durch Leitung 12 kann das gasförmige Reaktionsprodukt dann, auf den gewünschten Enddruck komprimiert, abgezogen werden. Das nicht umgesetzte Einsatzgas wird über Leitung 7 in den Reaktor 2 zurückgeführt.

In Fig. 2 ist eine Möglichkeit der Verfahrensführung in der Adsorptionsanlage 1 in Form eines Zeitablaufdiagramms dargestellt. Die Adsorptionsanlage soll in diesem speziellen Falle vier zyklisch umschaltbare Adsorber enthalten, die alle dieselbe Phasenabfolge durchlaufen. Jeder dieser vier Adsorber ist in der Figur durch einen eigenen Balken repräsentiert. Der Ablauf der Zeit erfolgt von links nach rechts. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß das Rohgasgemisch lediglich aus zwei Komponenten, einem Trägergas und dem Einsatzgas, besteht. In dem durch die Reaktion gewonnenen Gasgemisch sei außer einem einzigen gasförmigen Reaktionsprodukt nur der zurückzuführende Anteil des Einsatzgases enthalten, dieses Gasgemisch bestehe also ebenfalls aus lediglich zwei Komponenten.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bezieht sich auf den Fall, daß das Einsatzgas weit stärker adsorbiert wird als das Trägergas und das gasförmige Reaktionsprodukt. Außerdem wird vorausgesetzt, daß das Einsatzgas in dem durch die Reaktion gewonnenen Gasgemisch stärker aufkonzentriert ist als im Rohgasgemisch. Dannw ird das Rohgasgemisch in einer ersten Adsorptionsphase (ADS1) noch vor dem durch die Reaktion gewonnenen Gasgemisch in den jeweiligen Adsorber eingeführt, so daß während dieser ersten Adsorptionsphase Trägergas aus dem Adsorber abströmt und Einsatzgas adsorbiert wird. Das abströmende Trägergas wird in einer zweiten Druckaufbaustufe (D2) eines der drei anderen Adsorber verwendet. Nach Abschluß der ersten Adsorptionsphase ist der Adsorber mit Einsatzgas vorbeladen. Er tritt dann in die zweite Adsorptionsphase (ADS2) ein, während der er von dem die Reaktion gewonnenen Gasgemisch durchströmt wird. Dabei wird er bis nahezu zum Durchbruch mit Einsatzgas beladen, und der nicht adsorbierte Anteil, nämlich das gasförmige Reaktionsprodukt, wird über Leitung 11 aus der Adsorptionsanlage abgeführt. Der nunmehr vollständig beladene Adsorber wird in einer anschließenden Entspannungsphase (E) bis auf den Desorptionsdruck entladen, wobei im wesentlichen das im Lückenvolumen der Adsorptionsmittelschüttung noch vorhandene gasförmige Reaktionsprodukt abströmt. Dieses wird einem der anderen drei Adsorber während einer ersten Druckaufbauphase (D1) zugeführt. Während der anschließenden Desorptionsphase wird das adsorbierte Einsatzgas, beispielsweise mit Hilfe einer Vakuumpumpe, desorbiert und nach Verdichtung auf den während der Reaktion einzuhaltenden Druck dem Reaktor zugeführt. Schließlich wird der Adsorber in zwei aufeinanderfolgenden Druckaufbauphasen wieder auf den Adsorptionsdruck gebracht. Während der ersten Druckaufbauphase (D1) wird ihm das Entspannungsgas eines der drei anderen Adsorber zugeführt. Dieses besteht im wesentlichen aus gasförmigem Reaktionsprodukt, das nur sehr schlecht adsorbiert und während der später folgenden ersten Adsorptionsphase (ADS1) aus dem Adsorber verdrängt wird. An die erste Druckaufbauphase schließt sich eine zweite und letzte Druckaufbauphase (D2) an, während der dem Adsorber nicht adsorbiertes Trägergas zugeführt wird, das aus der ersten Adsorptionsphase (ADS1) eines anderen Adsorbers stammt. Nach den beiden Druckaufbauphasen befindet sich im Adsorberinneren damit ein Gasgemisch aus gasförmigem Reaktionsprodukt sowie Trägergas. Dieses Gemisch wird zu Beginn der anschließenden ersten Adsorptionsphase durch einströmendes, nicht adsorbiertes Trägergas aus dem Lückenvolumen des Adsorbers verdrängt. Es kann dann, da zu Beginn der ersten Adsorptionsphase die zweite Druckaufbauphase des entsprechenden anderen Adsorbers noch nicht eingesetzt hat, entweder abgeblasen oder auch während der ersten Druckaufbauphase desselben anderen Adsorbers verwendet werden.

Die Strömungsführung sowie die Zuordnung der Adsorber ist in Fig. 2 durch Pfeile markiert. Zusätzlich ist vermerkt, welche Komponenten jeweils beteiligt sind: A steht für das Einsatzgas, B für das Trägergas und C für das gasförmige Reaktionsprodukt. Am oberen Balken ist weiterhin angegeben, über welche der in Fig. 1 dargestellten Leitungen die Gasgemische bzw. Einzelgase jeweils zu- bzw. abgeführt werden. Bei der Markierung der während der beiden Adsorptionsphasen abströmenden Gase ist im Diagramm der Figur nicht berücksichtigt, daß zu Beginn der jeweiligen Phasen Gasmischungen aus B und C anfallen.

Das in Fig. 3 in Form eines Zeitablaufdiagramms dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf den Fall, daß das Einsatzgas wesentlich schlechter als das Trägergas und das gasförmige Reaktionsprodukt adsorbierbar ist. Weiterhin ist auch hier vorausgesetzt, daß das durch die Reaktion gewonnene Gasgemisch reicher an Einsatzgas ist als das Rohgasgemisch. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden vier zyklisch umschaltbare Adsorber verwendet, die mit einer gewissen Phasenverschiebung jeweils dieselben Phasen durchlaufen. Die Darstellungsweise ist im übrigen dieselbe wie bei Fig. 2.

Im Unterschied zu Fig. 2 sind beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 vier Entspannungsphasen und drei Druckaufbauphasen vorgesehen, dagegen nur eine Adsorptionsphase, die auf dem höchsten, nämlich dem Adsorptionsdruck stattfindet. In den nach Durchlaufen der Druckaufbauphasen (D1, D2, D3) auf dem Adsorptionsdruck befindlichen Adsorber wird während der nunmehr einsetzenden Adsorptionsphase (ADS) das durch Leitung 13 herangeführte Rohgasgemisch (A+B) eingeführt. Der während der letzten Druckaufbauphase (D3), wie weiter unten näher erläutert, bereits mit gasförmigem Reaktionsprodukt C vorbeladene Adsorber wird während der Adsorptionsphase zusätzlich mit Trägergas B beladen, während die am schlechtesten adsorbierbare Komponente, nämlich das Einsatzgas A, den Adsorber nahzu in ihrer gesamten Menge wieder verläßt, um durch Leitung 7 dem Reaktor zugeführt zu werden. Nach Sättigung des Adsorptionsmittels bzw. der Adsorptionsmittel mit den adsorbierten Komponenten wird die Adsorptionsphase beendet und die erste Entspannungsphase (E1) eingeleitet. Das im Lückenvolumen des Adsorbers befindlliche Gas, das bei Sättigung des Adsorptionsmittels nahezu die Zusammensetzung des Rohgasgemisches hat, wird zum Teil aus dem Adsorber abgezogen und in der zweiten Druckaufbauphase (D2) eines anderen Adsorbers verwendet, bis im ersten Adsorber ein gewisser Zwischendruck erreicht ist, bei dem die zweite Entspannungsphase (E2) beginnt. Das während dieser Entspannungsphase, die auf einen noch niedrigeren Zwischendruck führt, abgezogene, in seiner Zusammensetzung ebenfalls dem Rohgasgemisch entsprechende Gas, wird als Spülgas zur Desorption eines weiteren der drei übrigen Adsorber verwendet. Das während einer dritten Entspannungsphase (E3) entweichende Gasgemisch wird in der ersten Druckaufbauphase (D1) des zuvor gerade gespülten anderen Adsorbers in diesen eingeleitet. Schließlich wird der Adsorber auf den Desorptionsdruck entspannt, und das während der dazu erforderlichen letzten Entspannungsphase (E4) entweichende Gasgemisch wird, gegebenenfalls in Verdünnung mit einem nicht umweltschädlichen Inertgas, abgeblasen. Die Zusammensetzung der während der letzten beiden Entspannungsphasen (E3, E4) entweichenden Gasgemische hängt von den jeweils erreichten Zwischendrücken ab. Je niedriger der Desorptionsdruck selbst bzw. diese Zwischendrücke liegen, desto eher werden bereits in den letzten Entspannungsgasen desorbierte Komponenten vorhanden sein. Da jedoch das gasförmige Reaktionsprodukt C möglichst vollständig gewonnen werden soll, ist das Verfahren so zu führen, daß die letzten Entspannungsgase möglichst frei von dieser Komponente sind. Während der anschließenden Desorptionsphase (DES) werden die adsorbierten Komponenten, nämlich das Trägergas B sowie das gasförmige Reaktionsprodukt C möglichst vollständig ausgetrieben. Dies geschieht entweder mit Hilfe einer Vakuumpumpe oder, wie in Fig. 3 dargestellt, durch Spülen mit dem Entspannungsgas der zweiten Entspannungsphase (E2) eines anderen Adsorbers. Der Druckaufbau während der ersten beiden Druckaufbauphasen (D1, D2) geschieht jeweils mit Entspannungsgasen, die annähernd die Zusammensetzung des Rohgasgemisches haben. Dabei wird das Adsorptionsmittel bereits, allerdings in sehr geringem Maße, mit Trägergas vorbeladen. In der schließlich folgenden dritten und letzten Druckaufbauphase (D3) wird das über Leitung 10 herangeführte, durch die chemische Reaktion gewonnene Gasgemisch (A+C) in den Adsorber eingeleitet. Dieser wird so wieder auf den Adsorptionsdruck gebracht, wobei nahezu das gesamte gasförmige Reaktionsprodukt C adsorbiert wird, so daß bei Abschluß der dritten Druckaufbauphase im Lückenvolumen des Adsorbers nahezu ausschließlich Einsatzgas A für die chemische Reaktion verbleibt. Dieses wird während der anschließenden Adsorptionsphase verdrängt und durch Leitung 7 dem Reaktor 2 zugeführt.

Anschließend folgt ein spezielles Ausführungsbeispiel, das sich, wie schon das eingangs diskutierte bekannte Verfahren, auf die Erzeugung von Ozon aus Luft bezieht. Einige Positionsnummern wurden mit derselben Bedeutung aus Fig. 1 übernommen.

Über Leitung 6 werden 15,17 kmol/h Luft herangeführt, im Kompressor 3 auf 2 bar verdichtet sowie durch Leitung 13 und ein geöffnetes Ventil 17 in einen Adsorber 14 eingeleitet. Dieser enthält 100 kg aktivierte Tonerde, 350 kg engporiges Silikagel sowie 1500 kg zeolithisches Molekularsieb vom Typ 5A. Die aktivierte Tonerde dient zur Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft, das Silikagel zur Aufnahme von Ozon und in der Luft enthaltenem Kohlendioxid, das Molekularsieb zur Adsorption von Stickstoff. Während der Adsorptionsphase, die bei einer Temperatur von 30°C stattfindet, strömt vom Austrittsende des Adsorbers 14 über ein geöffnetes Ventil 20 sowie Leitung 7 ein Gasgemisch ab, das zu 90 Mol-% aus Sauerstoff und zu je 5 Mol-% aus Argon und Stickstoff besteht. Die Molekularsiebschüttung ist bis nahezu zum Durchbruch mit Stickstoff beladen. Dieses Gasgemisch, das demnach zu 90 Mol-% aus dem für die Ozonbildungsreaktion bestimmten Einsatzgas Sauerstoff besteht, wird dem Reaktor 2 in einer Menge von 22,3 kmol/h zugeführt. Im Reaktor wird ein Teil des molekularen Sauerstoffs durch Zufuhr elektrischer Energie in Ozon umgewandelt. Das so durch die Ozonbildungsreaktion gewonnene Gasgemisch, das zu 85,7 Mol-% aus Sauerstoff, zu 4,1 Mol-% aus Ozon und zu je 5,1 Mol-% aus Argon und Stickstoff besteht, wird in einer Menge von 21,86 kmol/h über Leitung 9 abgezogen, in einem mit Fremdkühlung betriebenen Kühler 35 auf 30°C heruntergekühlt und in einen Pufferbehälter 36 eingeleitet. Die Mengen- und Konzentrationsangaben bezüglich der in den Leitungen 7 und 9 strömenden Gasgemische sind zeitliche Mittelwerte. Wie aus den weiter unten stehenden Ausführungen klar wird, können zu Beginn der Adsorptionsphasen leichte Konzentrationsänderungen auftreten, da dann zunächst ein im Lückenvolumen des Adsorbers stehendes Gasgemisch verdrängt werden muß. Der Pufferbehälter dient zum Ausgleich derartiger Schwankungen. Anschließend wird das durch die Ozonbildungsreaktion gewonnene Gasgemisch zum Ausgleich entstandener Druckverluste im Kreislaufkompressor 4 auf 2 bar rückverdichtet, in einem Fremdkühler 37 rückgekühlt und über Leitung 10 sowie ein geöffnetes Ventil 30 in einen Adsorber 15 eingeleitet, wo der Ozonanteil von der Silikagelschüttung adsorbiert wird. Dies geschieht während einer zweiten Druckaufbauphase bei geschlossenem Ventil 21. Nach Abschluß dieser Druckaufbauphase wird der Adsorber 15 auf die Adsorptionsphase umgeschaltet. Der zweite Druckaufbauphase geht eine erste Druckaufbauphase voraus, während der Entspannungsgas aus dem zuvor beladenen Adsorber, in diesem Fall dem Absorber 16, in den wieder auf Adsorptionsdruck zu bringenden Adsorber 15 strömt, und zwar über Leitung 33 bei geöffnetem Ventil 24. Dieses nach Abschluß der Adsorptionsphase im Lückenvolumen des Adsorbers 16 verbliebene Entspannungsgas hat in etwa die Zusammensetzung von Luft, da die Molekularsiebschüttung in der Adsorptionsphase nahezu vollständig mit Stickstoff gesättigt wird. Nach dieser Entspannung, bei deren Abschluß ein Druck von 0,9 bar erreicht ist, erfolgt die Desorption des Adsorbers 16. Dazu wird ein Ventil 28 geöffnet und die Einlaßseite des Adsorbers somit über Leitung 11 an die Vakuumpumpe 5 angeschlossen. Dadurch werden der adsorbierte Ozon sowie der adsorbierte Stickstoff abgesaugt. Gegen Ende der Desorptionsphase wird ein Druck von ca. 0,1 bar erreicht. Im zeitlichen Mittel werden während der Desorptionsphasen 14,72 kmol/h eines Gasgemisches abgezogen, das zu 80,5 Mol-% aus Stickstoff, zu 12,5 Mol-% aus Sauerstoff, zu 6,0 Mol-% aus Ozon und zu 1 Mol-% aus Argon besteht. Der Sauerstoffanteil stammt aus dem nach der Entspannung noch im Absorber verbleibenden Gasgemisch, das in etwa die Zusammensetzung von Luft hat. Der in dem durch die Ozonbildungsreaktion gewonnenen Gasgemisch enthaltene hohe Sauerstoffanteil, der während der zweiten Druckaufbauphase zunächst in den Adsorber 15 gelangt, wird zu Beginn der anschließenden Adsorptionsphase aus diesem verdrängt und über das dann geöffnete Ventil 21 und Leitung 7 wiederum in den Reaktor 2 zurückgeführt.

Der zeitliche Verfahrensablauf sowie die Zuordnung der einzelnen Adsorber geht aus dem Zeitablaufdiagramm der Fig. 5 hervor. Demnach durchläuft jeder einzelne Adsorber eine erste Druckaufbauphase (D1), deren Dauer beispielsweise ca. 0,5 min. beträgt, eine zweite Druckaufbauphase (D2) von beispielsweise ca. 2,5 min. Dauer, eine Adsorptionsphase (ADS) von ca. 3 min. Dauer, eine einzige Entspannungsphase (E) von 0,5 min. Dauer sowie eine Desorptionsphase (DES) von wiederum 2,5 min. Dauer. Der Zeitablauf im Diagramm erfolgt von links nach rechts. Die Zuordnung der Balken zu den drei Adsorbern 14, 15, 16 ist links angegeben. Die Pfeile symbolisieren die zu- bzw. abströmenden Gase bzw. Gasgemische, wobei noch die Positionsnummern der entsprechenden Leitungen sowie die wesentlichen Gaskomponenten aufgeführt sind.

Bezüglich der Ventilstellungen gilt folgendes: Beim Betrieb des Adsorbers 14 sind während der Adsorptionsphase die Ventile 17 und 20 geöffnet, die Ventile 26, 29, 23 sowie 25 geschlossen, während der Entspannungsphase die Ventile 17, 26, 29, 20 sowie 23 geschlossen und das Ventil 25 geöffnet, während der Desorptionsphase das Ventil 26 geöffnet und die Ventile 17, 29, 20, 23 sowie 25 geschlossen, während der ersten Druckaufbauphase das Ventil 23 geöffnet und die Ventile 17, 26, 29, 20 sowie 25 geschlossen und während der zweiten Druckaufbauphase das Ventil 29 geöffnet sowie die Ventile 26, 17, 23, 25 und 20 geschlossen. Entsprechendes gilt für die Adsorber 15 und 16.

Mit Hilfe des geschilderten Verfahrens ist es somit möglich, den in einem Luftstrom enthaltenen Sauerstoff zu annähernd 40% in Ozon umzusetzen. Der aus der Anlage abgezogene, 6 Mol-% Ozon sowie Stickstoff und Sauerstoff enthaltende Gasstrom kann beispielsweise bei der Abwasseraufbereitung eingesetzt werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist in seiner Anwendbarkeit jedoch keinesfalls auf die Ozonerzeugung beschränkt. Es kann überall dort angewendet werden, wo mindestens eines der Einsatzgase für eine chemische Reaktion aus einem Rohgasgemisch abzutrennen ist und dies aufgrund unterschiedlicher Adsorbierbarkeiten der zu trennenden Komponenten adsorptiv geschehen kann, wo weiterhin ein beträchtlicher Teil dieses Einsatzgases in der chemischen Reaktion nicht umgesetzt und daher rezirkuliert wird, und wo wiederum aufgrund unterschiedlicher Adsorbierbarkeiten der zu rezirkulierende Anteil des Einsatzgases adsorptiv vom eigentlichen Reaktionsprodukt abgetrennt werden kann.

Als ein weiterer möglicher Anwendungsfall sie nur noch die Ammoniaksynthese bei mittleren Drücken genannt. Steht beispielsweise ein Kohlenoxide enthaltender Rohwasserstoff zur Verfügung, so kann dieser zunächst in der Adsorptionsanlage von den Kohlenoxiden befreit und als Einsatzgas der Ammoniaksynthese zugeführt werden, in die dann noch Stickstoff als weiteres an der Reaktion teilnehmendes Gas eingespeist wird. Bei mittleren Drücken enthält das durch die Synthesereaktion gewonnene Gasgemisch nur einen Ammoniakanteil von größenordnungsmäßig 10 Vol-%. Dieses Gasgemisch kann dann ebenfalls in der Adsorptionsanlage in der Weise zerlegt werden, daß das Ammoniak adsorptiv abgetrennt und der nicht umgesetzte Wasserstoffanteil in die Synthesereaktion zurückgeführt wird.

Claims (6)

1. Adsorptionsverfahren zum Bereitstellen eines Einsatzgases für eine chemische Reaktion und zum Abtrennen eines gasförmigen Reaktionsproduktes aus dem durch die Reaktion gewonnenen Gasgemisch, durchgeführt in einer Adsorptionsanlage, die zyklisch umschaltbare Adsorber, die alle die gleiche Phasenabfolge durchlaufen, enthält, wobei das Einsatzgas durch Zerlegung eines dieses selbst sowie ein Trägergas oder Trägergasgemisch enthaltenden Rohgasgemisches erhalten und in der Reaktion nur unvollständig umgesetzt wird und der nicht umgesetzte Anteil in die Reaktion zurückzuführen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung des Rohgasgemisches und die Abtrennung des gasförmigen Reaktionsproduktes in einer einzigen Adsorptionsanlage durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorber jeweils in aufeinanderfolgenden Adsorptionsphasen wahlweise einmal mit dem Rohgasgemisch und zum anderen mit dem durch die chemische Reaktion gewonnenen Gasgemisch beaufschlagt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorber jeweils während einer Druckaufbauphase und einer nachfolgenden Adsorptionsphase wahlweise einmal mit dem Rohgasgemisch und zum anderen mit dem durch die chemische Reaktion gewonnenen Gasgemisch beaufschlagt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung des Rohgasgemisches während einer Adsorptionsphase und die Abtrennung des gasförmigen Reaktionsproduktes während einer dieser vorgeschalteten Druckaufbauphase vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Adsorptionsmittel so gewählt werden, daß das Einsatzgas sowohl im Vergleich zum Trägergas bzw. Trägergasgemisch als auch im Vergleich zum gasförmigen Reaktionsprodukt deutlich schwächer adsorbiert wird und das Trägergas sowie das gasförmige Reaktionsprodukt gemeinsam desorbiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Adsorber verwendet werden, die je zwei hintereinander abgeordnete Adsorptionsmittelschüttungen enthalten, deren eine bevorzugt das Trägergas bzw. Trägergasgemisch und deren andere bevorzugt das gasförmige Reaktionsprodukt adsorbiert, und die Desorption durch gleichzeitiges Absaugen von beiden Adsorberenden her vorgenommen wird.