Optimisation and balancing of a pressure swing adsorption unit for gas separation

Abstract

Die Druckwechseladsorption (Pressure swing adsorption - PSA) ist eines der wichtigsten Verfahren in der Gastrenn- und Reinigungstechnik wie die Luftzerlegung, Lufttrocknung und Wasserstoffreinigung. Der Prozess verwendet Adsorptionsmittel, um die stark adsorbierten Gaskomponenten auf seiner Oberfläche aus dem Gaszufuhr anzusammeln und darauf den Gasstrom der schwach adsorbierten Komponente zu erzeugen. Die adsorbierten Komponenten werden durch Absenken des Druckes innerhalb der Säule vom Feststoff desorbiert, sodass das Adsorbens wiederverwendet werden kann. Obwohl es einfach aussieht, sind die tatsächlichen PSA-Prozesse aufgrund ihrer dynamischen Natur sehr komplex (Verwendung mehrerer Säulen, nicht isobaren und nicht stationären Betrieb). Der Typ und die Struktur des Adsorptionsmittels, die Zykluskonfiguration, Ventileinstellungen und viele andere Entscheidungsvariablen müssen auch berücksichtigt werden. Das führt zu einer enormen Flexibilität bei der Prozessgestaltung, macht aber die Optimierung eines PSA-Prozesses naturgemäß zu einer zeitaufwendigen und iterativen Arbeit. Als Fortsetzung der Arbeit im Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften an der TU Wien verwendete diese Arbeit Wasserstoff, Methan, Stickstoff und Kohlendioxid im Gasgemisch und Aktivkohle als Adsorptionsmaterial. Diese Arbeit befasste sich auch mit dem Problem eines übermäßigen und schnellen Druckabfalls im Druckausgleichs- und Spülprozess, der durch die Ventileinstellungen und die Zykluskonfiguration (Druckauswahl und Schrittzeit) verursacht wird. Die Arbeit begann mit dem Einbau von zwei neuen Nadelventilen und acht Magnetventilen, fortgesetzt durch die Druckprobe zur Überprüfung der Risikosicherheit des Systems. Die Optimierung der Zykluskonfiguration erfolgte mittels Druckpunktberechnung und Zykluszeitberechnung aus der Bilanz des PSA-Prozesses, deren Ergebnisse folglich im PSA-Zyklusexperiment verwendet wurden, woraus eine stabile Produktausbeute von 60%–61% resultierte. Abgesehen davon wurde die berechnete Zykluszeit in zwei Typen unterteilt, um die Auswirkung einer längeren Zeit beim „purge“ oder beim „blowdown“ zu unterscheiden, was zu keinem Durchbruch der Methankonzentration und einem Durchbruch der Wasserstoffkonzentration führt. Es kann jedoch festgestellt werden, dass die Produktreinheit für den „purge“-fokussierten PSA-Zyklus in dieser Arbeit besser ist als der „blowdown“-orientierte PSA-Zyklus.

Pressure swing adsorption (PSA) is one of the most important processes in gas separation and purification technology, such as air separation, air drying and hydrogen purification. PSA process utilises adsorbents to accumulate the strongly adsorbed gas components on its surface from the feed gas stream and produces the weakly adsorbed component’s gas stream. The adsorbed components are then desorbed from the solid by lowering the pressures inside the column so that the adsorbent can be reused. It looks simple, but the actual PSA processes are very complex due to their dynamic nature, which uses multiple columns and operates in a sequence of non-isobaric and non-steady-state steps. The adsorbent type and structure, cycle configuration, valve settings, and many other decision variables must be considered, resulting in tremendous flexibility in process design but making the design and the optimisation of a PSA process a time-consuming and iterative work in nature. As a continuation of the work in the Institute of Chemical, Environmental and Bioscience Engineering at Vienna University of Technology, this work used hydrogen, methane, nitrogen, and carbon dioxide in the gas mixture and active carbon as adsorbent material. This work also addresses the issue of an excessive and rapid pressure drop in the pressure equalisation and purging process caused by the valve settings and the cycle configuration (pressure selection and step time). The work started with installing two new needle valves and eight solenoid valves, which continued with the pressure test to check the system's risk security. Optimisation of the cycle configuration was done with the pressure point calculation and cycle time calculation from the balance of the PSA process, which results were then used in the PSA cycle experiment, resulting in a stable product recovery of 60%-61%. Other than that, the calculated cycle time was divided into two types to distinguish the effect of more extended time on blowdown or purge, resulting in no breakthrough in methane concentration and a breakthrough in hydrogen concentration. However, it can be concluded that the product purity for the purge-focused PSA cycle in this work is better than the blowdown-oriented PSA cycle.