DE2823211A1 - Verfahren zum betrieb einer druck- wechsel-adsorptionsanlage - Google Patents
Verfahren zum betrieb einer druck- wechsel-adsorptionsanlageInfo
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Description
BAYER ANTWERPEN NV. Antwerpen, Bayerwerk
Dp-by 26. Mai 1978
Verfahren zum Betrieb einer Druck-Wechsel-Adsorption-Anlage
Druck-Wechsel-Anlagen werden zum Trennen von Gasgemischen, beispielsweise Wasserstoff, von Kohlendioxid- und Stickstoff
verunreinigungen, durch Adsorbtion in einem adiabatischen
Druckkreisprozeß eingesetzt. Die Adsorbtion der Verunreinigungen erfolgt in Adsorberbetten, die z.B.
nach US-Patentschrift 3 564 816 in einem ersten Abschnitt Aktivkohle und in einem zweiten Abschnitt kristallinen
Calciumzeolith A aufweisen. Das zu reinigende Gas durchströmt die Adsorberbetten, wobei unter Druck von beispielsweise
15 bis 20 bar die Verunreinigungen adsorbiert werden. So wird z.B. ein Wasserstoffproduktgas mit 99,9999
Reinheit gewonnen. Die Adsorberbetten müssen in regelmäßigen Abständen regeneriert werden, wobei zunächst
der in dem Bett herrschende Arbeitsdruck sowohl produktseitig als auch rohgasseitig abgebaut v/erden muß, bevor
das Bett unter Strömungsumkehr zur Entfernung der adsorbierten Verunreinigungen gespült werden kann. Wegen der
mechanischen Empfindlichkeit der Adsorberbetten muß der Druckabbau und -aufbau allmählich erfolgen, so daß sich
produktseitig und rohgasseitig keine größeren Druckunterschiede aufbauen können. Das einzelne Adsorberbett
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wird daher in 4 Betriebsphasen betrieben:
1. Druckaufbauphase
2. Adsorptionsphase
3. Druckabbauphase
3. Druckabbauphase
4. Spülphase usw.
Es hat sich daher als zv/eckmäßig erwiesen, mehrere Adsorberbetten
phasenverschoben parallel zu betreiben, so daß der Druckaufbau in einem Adsorberbett jeweils durch
Druckausgleich mit einem anderen, sich in der Druckabbauphase befindlichen Adsorberbett erfolgen kann.
Zur Vermeidung von Gasverlusten und zur Energieexnsparung ist man dazu übergegangen, eine Vielzahl von Adsorberbetten
parallel zu betreiben, um so die Phasenunterschiede zwischen den jeweils an einem Druckausgleich beteiligten Adsorberbetten
möglichst gering zu halten und damit zu einem angenähert adiabatischen Druckkreisprozeß zu gelangen.
20
Ein solches Verfahren, bei dem z.B. 7-10 Adsorberbetten
parallel betrieben werden, wird z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift
2 629 450 beschrieben. Der Druckaufbau und Druckabbau erfolgt bei diesem bekannten Verfahren über jeweils
mindestens 3 Druckausglexchsphasen, wobei der Druckausgleich jeweils zwischen 2 sich in benachbarten Druckbereichen
befindlichen Adsorberbetten erfolgt.
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Naturgemäß nimmt bei solchen adiabatischen Druckkreisprozessen die Anzahl der zur Steuerung des Kreisprozesses notwendigen
Ventile und Verbindungsleitungen mit der Anzahl der parallel eingesetzten Adsorberbetten zu. Zum Beispiel
beträgt die Anzahl der notwendigen Ventile bei dem Verfahren mit 10 Adsorberbetten gemäß DOS 2 629 450 55.
Jedes dieser Ventile wird innerhalb eines Arbeitszyklus von ca. 15 Minuten Zeitdauer mindestens zweimal, meistens
jedoch viermal, gemäß einem virgegebenen Taktschema betätigt. Zur Gewährleistung eines möglichst linearen Druckausgleichs
werden empfindliche regelbare Ventile eingesetzt.
Der Druckausgleich erfolgt über gemeinsame Verbindungsleitungen zwischen allen Adsorberbetten, die gemäß dem
vorgegebenen Taktschema zeitteilig jeweils zwischen 2 Adsorberbetten benutzt werden. Im Falle eines Defektes
eines Ventils, z.B. wenn ein Ventil nicht mehr vollständig schließt, treten in den Adsorberbetten und im
Leitungssystem Druckverluste auf, die dazu zwingen, die Anlage stillzulegen und eine Vielzahl von für den Defekt
in Frage kommenden Ventilen zu testen, das defekte Ventil zu identifizieren, auszutauschen und die Anlage wieder
anzufahren. Durch einen solchen Defekt sind daher Still-Standszeiten der Anlagen, Gasverluste und Energieverluste
durch Auf- und Abbau von Drücken verbunden.
Es wurde nun ein Verfahren gefunden, nach dem die genannten adiabatischen Druckkreisprozeßanlagen mit einer Viel-
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- anvon parallel betriebenen Druckadsorbationseinheiten
betrieben werden können, ohne daß im Falle eines defekten Ventils ein Abstellen der Anlage notwendig wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein kontinuierliches selektives Adsorptionsverfahren nach dem Druckwechselprinzip
mit zumindest acht phasenverschoben arbeitenden Adsorptionseinheiten mit einem Taktschema,
wonach in jeder Adsorptionseinheit zur periodischen Überführung zwischen den Arbeitszuständen "Adsorption" und
"Gegenstromspülung" zur Erzielung einer angenähert adiabatischen Druckänderung durch Verbindung über entsprechend
gestellte Ventile mit einer jeweils im Nachbar-Druckbereich befindlichen Adsorptionseinheit der Druckausgleich
in zumindest zwei Stufen herbeigeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß periodisch die bei aufeinanderfolgenden
Takten in einer Adsorptionseinheit bzw. den zugehörigen Verbindungsleitungen gemessene Istwerte einer
für das System charakteristischen Kennzahl mit deren SoIlwerten verglichen werden, die durch eventuelle Abweichungen
identifizierten defekten Ventile bzw. Adsorptionseinheiten kurzgeschlossen, die Arbeitsweise der verbleibenden Adsorptionseir.heiten
so in ein der verbleibenden Anzahl angepaßtes Taktschema überführt wird, daß aufgrund ihres
Arbeitszustandes zusammengehörige Adsorptionseinheiten miteinander verbunden werden und gegebenenfalls nach Behebung
der Defekte der alte Zustand des Systems wiederhergestellt wird.
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Die für das System charakteristischen Kennzahlen sind zumindest Endschalter der Ventile, wobei der Sollwert
jeweils die gemäß dem Taktschema definierte Solleinstellung der Ventile angibt. Eine Abweichung tritt dann
auf, wenn z.B. ein Ventil auf einen Schaltbefehl nicht anspricht. In diesem Fall ist das defekte Ventil durch
eine direkte Anzeige unmittelbar identifiziert.
Im Normalfall verliert ein Ventil seine Dichtungseigenschäften
jedoch allmählich, so daß im Anfangsstadium eines solchen Defektes zunächst gewisse Abweichungen
z. B. beim Druckausgleich zwischen zwei Adsorptionseinheiten auftreten, die jedoch noch nicht unmittelbar zum
Abschalten der Anlage zwingen. Die Identifizierung des
für ein solches Abweichen verantwortlichen Ventils ist nicht unmittelbar möglich, da für eine solche Abweichung
eine Vielzahl von an eine Leitung mündenden Ventilen verantwortlich sein kann. Zur Identifizierung solcher Abweichung
ist es daher notwendig, weitere charakteristische Kennzahlen des Systems zu definieren. Die Auswahl der
charakteristischen Kennzahl richtet sich danach, welche Größe des Systems das Umschalten zum nächsten Takt auslöst.
Wird z.B. das Umschalten zum nächsten Takt nach einem fest vorgegebenen Zeitintervall ausgelöst, so kann, wenn
die Ventile nach einer vorgegebenen Kennlinie arbeiten, der Druck in jeder Adsorbtionseinheit und/oder den verbindenden
Leitungen zwischen jeweils zwei Schalttakten
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als Sollwert festgelegt werden und als charakteristische
Kennzahl des Systems der jeweils gemessene Druck definiert v/erden. Wird nun eine Abweichung des Drucks vom Solldruck
in einer Adsorbtionseinheit festgestellt, so kommen für
einen Defekt bei einem zu hohen Druck alle solche Ventile in Frage, die die Adsorbtionseinheit mit solchen Adsorbtionseinheiten
bzw. Leitungen verbinden oder gegen diese abschließen, die bei dem jeweiligen Takt einen höheren Druck
führen. In dem nachfolgenden Taktschritt haben sich die Druck- und Strömungsverhältnisse geändert, so daß geänderte
Abweichungen vom Sollverhalten festgestellt werden, so daß wiederum eine Anzahl von Ventilen angebbar ist, die für
einen Defekt in Frage kommen. Dabei können bei der Weiterverfolgung diejenigen Ventile nunmehr ausgeschlossen werden,
die nicht für die Abweichungen vom Sollverhalten der beiden Taktfolgen verantwortlich sein können. Als tatsächlich
defektes Ventil ergibt sich schließlich dasjenige Ventil, das in einer Folge von Takten für jeden Takt als
für einen Defekt in Frage kommend identifiziert ist.
Die den Schalttakt auslösende Größe kann auch der in einer Adsorbtionseinheit oder in der mehrere Adsorbtionseinheiten
verbindenden Leitung herrschende Druck sein, d.h. das Schalten der Ventile zur nächsten Taktphase wird ausgelöst,
wenn nach Erreichen der vorgegebenen Druckwerte von allen Meßstellen das Signal "Taktschaltfreigabe" gegeben
wurde. Bei ebenfalls vorgegebener Ventilkennlinie kann dann die Zeitdauer bis zur "Taktschaltfreigabe" gemessen
werden und zur Identifizierung eines defekten
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Ventils herangezogen werden. Löst z.B. der Druck einer druckabgebenden Adsorbtionseinheit die "Taktschaltfreigabe"
aus und ergibt sich ein zu langes Zeitintervall, so kommen alle diejenigen Ventile für einen Defekt in
Frage, die in dieser Taktphase die druckabgebende Adsorbtionseinheit gegen solche Einheiten mit höherem
Druck abschließen oder verbinden.
Ferner ist es möglich, durch selbsttätige Regelung der ]_0 Ventile eine vorgegebene Druckänderung jeweils innerhalb
eines vorgegebenen Zeitintervalls durchzuführen. Dann kann die Ventileinstellung während eines Zeitpunktes der
Druckänderung als Überwachungsgröße für die Defektfreiheit der Ventile herangezogen werden. Ergibt sich näm-]_5
lieh, daß z.B. ein Ventil während eines Druckausgleichs weiter geöffnet ist als dies nach einem vorgegebenen
Sollverhalten sein sollte, so müssen die auf der druckabgebenden Seite gelegenen Ventile, die die entsprechende
Adsorbtionseinheit mit solchen Einheiten verbinden, die auf höherem Druck sind, sowie auf der
druckaufnehmenden Seite solche, die die Adsorbtionseinheit mit Einheiten mit niedrigerem Druck verbinden,
für einen möglichen Defekt vermerkt werden.
Ist auf diese Weise ein Ventil als tatsächlich defekt identifiziert, wird von dem zunächst vorgegebenen ersten
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Taktschema entsprechend einem vordefinierten Übergangsschema auf ein zweites Taktschema übergegangen, das nunmehr
diejenige Adsorbtionseinheit, zu der das defekte Ventil gehört, unberücksichtigt läßt. Das defekte Ventil
kann nun ohne Abstellen der Anlage ausgewechselt werden, wobei es zweckmäßig ist, daß die in der Anlage enthaltenen
Ventile zumindest einseitig mit Schiebern versehen sind, so daß die Anlage während des Ausbaues des Ventils nicht
belüftet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend am Beispiel
eines speziellen Pressure Swing Adsorbtion-Verfahrens zur Reinigung von Wasserstoffgas näher erläutert.
Hierzu wird insbesondere auf die anliegenden Figuren verwiesen.
Figur 1 zeigt eine aus 9 Einheiten bestehende Pressure Swing Ad?orbtion-Anlage, wobei die Adsorbtionseinheiten
mit den Ziffern 1 bis 9 bezeichnet sind. Die Ventile sind mit zweistelligen Ziffern bezeichnet, wobei die erste
Stelle jeweils mit der Bezeichnung der Adsorptionseinheit identisch sind, zu der sie gehören. Die zweite Ziffer
der Bezeichnung der Ventile gibt jeweils den Typ des Ventils an:
Endziffer 1 bezeichnet das Rohgaseinlaßventil; Endziffer 2 bezeichnet das Reingasauslaßventil;
Endziffer 4 bezeichnet das Rückspülgasauslaßventil; Endziffer 5 bezeichnet das Ventil zur Befüllung aus dem
Reinwasserstoffsystem und Endziffern 3 und 6 bezeichnen Ventile zu gemeinsamen
Druckausgleichsleitungen.
Mit 101 ist ein Ventil bezeichnet, daß eine Dosierung
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bei der Befüllung aus dem Reinwasserstoffsystem erlaubt.
In Figur 2 ist ein beispielsweise vorgegebenes erstes
Taktschema unter Berücksichtigung aller neun Adsorbtionseinheiten angegeben. Dabei bedeuten.
A Adsorbtionsphase :
E 1 erste Entleerungsphase durch Druckausgleich mit einer Adsorbtionseinheit in der Befüllungsphase B 1
ε 2 zweite Entleerungsphase durch Druckausgleich mit
einer Adsorbtionseinheit in der Befüllungsphase B 2 E 3 dritte Entleerungsphase durch Druckausgleich mit
einer Adsorbtionseinheit in der Befüllungsphase B 3
E 4 'vierte Entleerungsphase, die zunächst zum Spülen ^4
einer Adsorbtionseinheit durch Druckausgleich mit
einer Adsorbtionsphase in der Befüllungsphase 4
P fünfte Entleerungsphase zum Spülen einer Adsorbtionseinheit in der Spülphase
BD Entleerung der Adsorbtionseinheit zum Restgassystem SP Spülphase (Gas aus einer Adsorbtionseinheit in der
Entleerungsphase P 5 durchströmt die Adsorbtionseinheit zum Restgassystem)
B 4 erste Befüllungsphase durch Druckausgleich mit einer Adsorbtionseinheit in der Phase E 4
B 3 zweite Befüllungsphase
B 2 dritte Befüllungsphase
B 1 vierte Befüllungsphase
B Befüllung aus dem Reingassystem
Ein Arbeitszyklus umfaßt hiernach 18 Takte, wobei jeweils
6 Takte eines Zyklus für die Adsorbtion zur Verfügung stehen.
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Figur 3 zeigt beispielhaft ein vorgegebenes zweites Taktschema,
wobei eine Adsorbtionseinheit unberücksichtigt bleibt. Zu diesem zweiten Taktschema wird mit der in Figur
1 dargestellten beispielhaften Anlage übergegangen, nachden ein Ventil als defekt identifiziert worden ist. Es zeigt
sich, daß bei Stillegung der neunten Adsorbereinheit nach dem 18. Takt des ersten Taktschemas unmittelbar zum ersten
Takt des zweiten TaktSchemas übergegangen werden kann, da sich die Adsorbtionseinheiten 1 bis 8 zu diesem
Zeitpunkt in der richtigen Taktphase befinden. Die neunte Adsorbtionseinheit befindet sich zum Zeitpunkt
des Übergangs vom ersten zum zweiten Taktschema in der Phase der Adsorbtion, d.h. bei hohem Druck. Je nach dem,
welche Reparatur auszuführen ist, bzw. welches Ventil auszutauschen ist, kann der Druck durch öffnen des Restgasventils
94 nötigenfalls abgebaut werden.
Die Belastbarkeit einer Adsorbtionseinheit ist durch die Beschickungsrate mit Rohgas, d.h. der im Rohgas enthaltenen
Verunreinigungsir.enge, sowie durch die Adsorbtionszeit während eines Arbeitszyklus bestimmt. Nach dem übergang
zum vorgegebenen zweiten Taktschema gemäß Figur 3 beträgt die Anzahl der Takte, während der eine Einheit zur
Adsorbtion zur Verfügung steht, nur noch 4 von 16 Takten.
Entsprechend wird die Beschickungsrate mit Rohgas zur Erhaltung der Leistung des Gesamtsystems erhöht. Dadurch
sind Druckänderungen in den verschiedenen Arbeits- und Druckausgleichsphasen gegeben. Der dadurch notwendige
Ausgleich beim Übergang von einem Taktschema zum anderen wird zweckmäßig während einer Synchronisationsphase durchgeführt,
wobei vorhandene zu hohe Drücke in das Restgas-
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system entspannt werden, oder vorhandene zu geringe Drücke aus dem Reingassystem höher gestellt werden.
Im Falle, daß ein solcher Defekt auftritt, der es nicht erlaubt, die Anlage bis zu einem solchen Takt weiter zu
betreiben, bei dem ein unmittelbarer übergcing zum zweiten
Taktschema möglich ist, kann durch zwischengeschaltete Synchronisierungstakte der Übergang herbeigeführt werden.
Die Synchronisierungstakte unterscheiden sich von den vorgegebenen Taktschemata, die für einen ungestörten
Arbeitszyklus gelten, dadurch, daß gewisse Takte wiederholt werden oder gewisse Druckausgleiche durch Befüllen
aus dem Reingassystem oder Entleerung in das Restgassystem durchgeführt werden. Die Übergangstakte müssen
für jede mögliche Taktphase entsprechend dem vorgegebenen Taktschemata definiert werden. Bei gut angepaßten Taktschemata
beträgt die Dauer der Synchronisationsphase im allgemeinen nicht mehr als 2 bis 3 Taktphasen.
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Leerseite
Claims (5)
1. Kontinuierliches selektives Adsorbtionsverfahren nach
dem Druckwechselprinzip mit zumindest acht phasenverschoben arbeitenden Adsorbtionsexnhexten mit einem
Taktschema, wonach in jeder Adsorbtionseinheit zur periodischen Überführung zwischen den Arbeitszuständen
"Adsorbtion" und "Gegenstromspülung" zur Erzielung einer angenähert adiabatischen Druckänderung durch
Verbindung über entsprechend gestellte Ventile mit einer jeweils im Nachbar-Druckbereich befindlichen
Adsorbtionseinheit der Druckausgleich in mindest zwei Stufen herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß periodisch die bei aufeinanderfolgenden Takten in einer Adsorbtionseinheit bzw. den zugehörigen Verbindungsleitungen
gemessenen Istwerte einer für das System charakteristischen Kennzahl mit deren Sollwerten
verglichen werden, die durch eventuelle Abweichungen identifizierten defekten Ventile bzw. Adsorbtionsexnhexten
kurzgeschlossen, die Arbeitsweise der verbleibenden Adsorbtionsexnhexten so in ein der verbleibenden
Anzahl angepaßtes Taktschema überführt wird, daß aufgrund ihres Arbeitszustandes zusammengehörige
Adsorbtionsexnhexten miteinander verbunden werden und gegebenenfalls nach Behebung der Defekte der alte Zustand
des Systems wiederhergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die den Schalttakt auslösende Größe ein vorgegegebenes Zeitintervall ist und in jeder Druck-
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adsorbtionseinheit und/oder den die Druckadsorbtionseinheiten verbindenden Leitungen der Druck gemessen
wird und mit einem entsprechend den Ventil-Kennlinien vorgegebenem Solldruck als charakteristischer Kennzahl
verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schalttakt auslösende Größe der Druck
ist und das Zeitintervall bis zum Erreichen eines Solldrucks gemessen und mit einem entsprechend der
Ventil-Kennlinie vorgegebenen Sollzeitintervall verglichen wird.
4.. Verfahren nach Anspruch 3/ dadurch gekennzeichnet,
daß die den Schalttakt definierende Zustandsgröße dar Druck der druckaufnehmende Druckadsorbtionseinheit
ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des den Schalttakt auslösende Zeitintervall
durch Ventilsteuerung eine vorgegebene Druckänderung durchgeführt wird, und die Ventilstellung als Meßgröße
registriert und mit einer gemäß der Ventil-Kennlinie vorgegebenen Sollventileinstellung verglichen
wird.
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