CN100379486C - 降低空气中二氧化碳浓度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降低在封闭或部分封闭空间单元的空气中的二氧化碳浓度的方法。本发明方法包括的步骤有，除去来自空间单元的空气流，引导空气流进入含有至少一个具有CO2/O2选择性大于2的膜组件的膜***中，除去透过膜的二氧化碳，和把膜***中的二氧化碳已贫化的空气流送回空间单元。本发明的方法任选与氧富集方法组合。本发明还涉及实施本发明方法的相应设备。

Description

降低空气中二氧化碳浓度的方法和设备
本发明涉及一种用于降低在封闭或部分封闭空间单元中的空气中二氧化碳浓度的方法和设备，必要时同时氧富集。
呼吸氧会产生“废气”二氧化碳。二氧化碳是无味的气体，它在自然界的空气中以0.03vol％的非常小的比例存在。环境空气中较高的二氧化碳含量对人体会产生不利的生理作用。当环境空气中的达到0.5vol％的小CO2浓度时，则产生有代表性的症状如头痛，这就是为什么要规定工作场所的最高CO2度要设定在0.5vol％(5000ppm)的原因。
在封闭的空气调节空间内，例如因此要求能调节空气中的二氧化碳含量使其中过量的CO2连续地从空气中除去。
此外，CO2含量的降低结合另外措施以改进室内气候，例如通过室内空气富集氧和空调。
用于改善封闭的空气循环***和室或舱内的空气质量的常规氧富集的方法，大部分是基于纯氧富集设备，例如变压吸附***(pressure swingadsorption)或中空纤维膜***。相应的设备描述在例如U.S.专利4,867,766；5,890,366；6,427,484；5,158,584和4,896,514中。
上述某些现有技术的设备具有调节富氧空气的能力。还提出了(例如，德国专利195 45 764)用多种吸附剂除去二氧化碳的***。但是这种技术具有同时空气去湿的缺点。结果既要用热空气或真空非常昂贵的再生吸附剂和单独增湿室内空气，又要处理用过的吸附剂筒，这使相应的***对于大多数的应用场合不经济。
为了避免上述室内空气中二氧化碳富集产生的有害生理效应，所以需要使室内空气的二氧化碳含量尽可能地贫化的合适方法和设备，并且必要时同时适应气候或使空气富集氧。
由此，本发明的目的在于在封闭或部分封闭中的空气循环***和室或舱中调节二氧化碳含量的有用方法和专用设备，尤其是用于贫化二氧化碳含量，从而克服现有技术的缺点。
本发明另一目的在于得到一种在封闭或至少部分封闭空间单元空气中贫化二氧化碳的方法和专用设备，其可以同时使空气富集氧。
特别是本发明的目的在于提供上述类型的方法和设备，其以廉价、并可能低噪音的方式贫化空气单元中的二氧化碳，并且必要时实质上可同时富集氧。上述目的通过方法和设备独立权利要求的特征得以解决。
按本发明或在本发明设备情况下的方法的优选实施方案，限定于从属权利要求中。
本发明方法可易用于贫化来自封闭或部分封闭空间单元空气中的二氧化碳，包括下列步骤：
-从空间单元提取空气流；
-把空气流送入含有至少一种具有CO2/O2选择性大于1的膜组件的膜***；
-除去透过膜的二氧化碳；
-把在膜***中将二氧化碳贫化的空气流送回到空间单元。
按照本发明的另一方面，提供一种用于在封闭或部分封闭空间单元中空气在贫化二氧化碳的同时使空气富氧的方法，包括下列步骤：
-从空间单元提取第一空气流；
-把第一空气流送入含有至少一种具有CO2/O2选择性大于1的膜组件的膜***；
-除去透过膜的二氧化碳；
-把膜***中二氧化碳贫化的第一空气流送回到空间单元；
-借助于氧富集***使第二空气流富集氧，产生富集氧和富集氮的空气流；
-把富集氧的空气流送入空间单元；和
-分离除去富氮的空气流。
按照本发明的另一方面，提供一种用于贫化来自封闭或部分封闭空间单元的空气的二氧化碳的设备，包括：
-用于从空间单元排出空气流的装置；
-把空气流送入含有至少一种具有CO2/O2选择性大于1的膜组件的膜***的装置；
-用于从至少一种膜组件的透过侧除去二氧化碳的装置；
-用于使二氧化碳贫化的空气流送回到空间单元的装置。
按照本发明的另一方面，提供一种用于在封闭或部分封闭循环回路中在二氧化碳贫化的同时使空气富集氧的设备，包括：
-用于从空间单元提取第一空气流的装置；
-把第一空气流送入含有至少一种具有CO2/O2选择性大于1的膜组件的膜***的装置；
-从至少一种膜组件的透过一侧除去二氧化碳的装置；
-将膜***中的二氧化碳贫化的第一空气流送回到空间单元的装置；
-一种氧富集***，它由送入的第二空气流中产生富氧和富氮的空气流；
-把富集氧的空气流送入空间单元的装置；并
-排放富氮的空气流的装置。
在本发明范围内，术语“氧富集”或“氮富集”各表示对比天然空气具有较高比例体积％的氧或氮的空气组合物。
在“富集的二氧化碳”或“贫化的二氧化碳”下的空气组合物要理解成相对于用膜***处理前的原始空气组合物提高或降低了二氧化碳比例的体积％。
按照本发明，膜组件要理解成以组件形式的膜表面的适当几何装配，其组件的滞留侧或上流区和渗透侧或下流区在技术上是彼此分开的，致使连续的物料渡越实际上仅通过在滞留侧或上流侧和渗透侧或下流侧之间的膜渗透才出现。按照本发明可用的膜组件，基于可能大于1000m2/m3，优选大于1500m2/m3，特别好的是大于2000m2/m3的高填充密度，能以非常小的尺寸有利地安装。
在本发明的意义上的“膜***”是至少一种，优选多种装配有适合用于空气或其它气体混合物送入或排放到膜或膜组件的上游侧的装置，以及用于从膜或膜组件的下游侧除去透过的气体的设备的膜组件。
按照本发明，已证明使用膜***可以简单、连续而经济的方式达到控制或充分地贫化室内空气二氧化碳含量，而不依赖于必须有规则地更换或再生的吸附筒。
按照本发明，已知从健康和经济方面考虑，合乎理性的的氧富集，一方面特别依赖于氧富集和二氧化碳特定贫化之间的功能性的相互作用，另一方面必要时依赖于直到现在尚未在已知技术中发现的任何考虑的其它有气味的物质。
本发明可以有效而经济地调节室内空气的CO2含量以及在优选的实施方案中基本上同时富集氧和贫化二氧化碳，优选地同时贫化其它有气味物质和可以控制空气湿度和温度。
本发明有利的另外的效应还在于能使空气部分中没有细菌或病毒，因为在使用的膜组件中这些已有效地过滤掉。
按照本发明的第一方面，已令人惊奇地证明控制或贫化室内空气中的CO2含量能有利地方便进行，以至于通过选择性渗透可从循环流体的空间单元的空气中连续取出CO2，并通过使用选择性膜***再次送回。这一点特别令人惊奇，因为室内空气中低比例百分比的CO2不仅需要选择性，而且还需要非常有效的气体分离。
本发明基于此即可使用通过某些CO2分子相对于氧具有更高的渗透的膜。占优势的这一动态效应还有助于高选择性和非常经济地分离具有体积百分比很小的气体。
按照本发明，首先提供一种设备或方法，它是没有能有效降低空气中CO2含量的吸附剂的。
本发明的方法或用于二氧化碳贫化的设备能简单而有效地与其它改进空气质量的方法结合。
在下文中将对本发明的方法和设备详细地说明。关于CO2贫化与氧富集的组合，所述用于CO2贫化的特征明显地也可以用于提纯CO2贫化的方法和设备中，但是在所有情况下这一点必须清楚地陈述。
按照本发明的优选方面，借助于对此适合的氧富集***使氧富集的有效(或氮贫化)的方法，与用于选择性贫化二氧化碳的适当方法相组合，按照本发明，是特别有利的。
令人惊奇地证明，连续操作含有二氧化碳高选择性膜的膜***，并用此膜***使大量的二氧化碳由回路取得，与例如常规的变压吸附***或膜方法相结合，借此从空气循环回路可获得氮，或者使空气富集氧，上述组合在同时存在低操作费用下对于连续操作的设备来说是特别有效的。
按照本发明用于贫化来自空气的二氧化碳的方法，必要时在同时富集氧(第一)空气流借助于适当的设备，例如借助于合适的排气设备或通风鼓风机可以由空间单元获取。
本发明意义上的空间单元可以是任意的实质上是与周围环境封闭的或至少部分划出的任何想要的空气单元，例如在室内、建筑物、摩托车的压力舱、飞机、船或电车、帐篷、蚊帐下，空气-呼吸***、潜水衣、呼吸保护装置、吸入回路或诸如此类中的空气。由于富氧空气的比重较大，根据原则，上部开放的，如管等的环境，在本发明的意义中也是想得到的空间。
接着把取自空间单元的第一空气流例如借助于适当尺寸和构型的管、软管或空气通道，送入膜***，送入至少一个膜中，通常是一种由优选具有高CO2/O2选择性的适当膜组件构成完整的膜组件。优选膜组件的选择性或按情况可以是含于其中的膜可大于1，例如1.1或1.5，特别优选的大于2。
在这里要把CO2/O2选择性理解成CO2对O2透过膜的相对渗透率的比率，致使大于1的CO2/O2选择性表示二氧化碳透过膜比氧更快。大于2的CO2/O2选择性表示二氧化碳透过膜的渗透率大于氧渗透率的两倍。特别优选的是，按本发明所使用的膜***的CO2/O2选择性大于3，尤其是大于5。
所属技术领域的技术人员要意识到，较高选择性通常与透过膜的较低通过量有关，而具有大通过量的完全开口的***具有较低的分离选择性。在选择适用的膜时，对用途的实际目的作出恰当的综合考虑。
按照本发明，具有CO2选择性膜组件的适当膜***，含有由碳膜、陶瓷膜、塑料膜、以及这些膜的组合物和/或复合物组成的膜。对于可用于本发明的膜***的，适当选择性的膜或膜组件描述在例如德国专利10 013457、WO 01/68533、德国专利10 051 910、WO 02/32588以及德国专利19 849216和WO00/24500中。本发明所描述的膜、膜***和膜组件，必要时对其物理化学性能进行适当的改进之后，原则上作为用于本发明膜***的膜和膜组件是合适的。
在本发明的方法和设备中，由热解法制备的碳-基材料，如WO 02/32558中所描述的那些以及由本发明描述的方法所制备的材料，包括上述的陶瓷材料制成的膜或膜组件是优选的，
用于本发明方法和设备中的膜和膜组件的其它优选材料，描述在德国专利申请102 33 182中。
为了进一步提高所用膜的CO2-选择性，上述的膜材料可以进行另外的表面改性成为本发明特别优选的实施方案形式，例如通过使用合适的氧化剂或还原剂的氧化性或还原性表面处理，借助于浸渍金属盐，尤其是过渡金属盐，通过掺入金属，尤其是过渡金属或贵金属，或通过使膜表面涂上膜活性塑料层。
按本发明所使用的膜，可以具有例如下列活性层：聚砜、聚辛基甲基硅氧烷、聚醚亚酰胺、硅氧烷、乙基纤维素、聚苯醚、聚碳酸酯以及上述的组合物。
所属技术领域的技术人员将按要处理的空气总流量的功能选定膜***，以便能获得足够的膜表面，致使借助于透过膜而以足够量由第一空气流中除去二氧化碳。
为此，例如可把许多膜组件组合成一种膜***。其中，组合的膜组件可以有相同或不同的CO2/O2选择性，例如组合具有渗透时适于预-富集CO2用的较小CO2/O2选择性的一种或多种膜组件，用一种或多种具有CO2/O2选择性大于1的，必要时也可有不同膜面积的组件组合。
在膜***中，二氧化碳主要基于其较高的渗透率转移透过(渗透)膜，第一空气流的未-透过的富集二氧化碳剩余物，受阻于膜，例如通过膜***的滞留-侧的出口和通过合适的设备例如鼓风机或泵而再次排出，并于环路中送回空间单元，而由此取出第一空气流。
二氧化碳通过在膜/膜组件的渗透侧的膜而被除去。
在本发明的实施方案中，去除可通过使用合适的装置，例如泵，对膜***的渗透侧借助于具有，或使用减压或真空的抽吸而进行。
此外渗透的二氧化碳还可借助于合适的液体吸收剂，如有机胺、醇胺等的吸收而除去。二乙醇胺是优选的。用于CO2去除的特别选择性二氧化碳吸收有机液体的优点在于膜可制成开孔的，由此使本发明方法的通过量和因此的效力进一步提高。
按本发明的另一个实施方案，渗透的二氧化碳可以借助于清洗气体流而除去。为此，清洗气体借助于适当的设备，例如泵和/或鼓风机而可以送入和排出。作为清洗气体，通常是空气，例如可以使用来自环路外的新鲜空气。然而，任何其它合适的气体或气体混合物也可以使用，例如来自氧富集***的富氮空气。
按本发明有用的氧富集***可以是任何现有技术已知的用于空气富集氧的***。按本发明的有用的氧富集***的实例是变压吸附***和中空纤维膜组件，按其使用的结构型和膜材料，可以在过压或减压条件下操作，例如使用真空。能用于本发明的适当变压吸附设备和方法例如是基于沸石吸附法，如描述于U.S.专利4,685,939中。可以用作本发明的氧富集***的其它合适的变压吸附设备，描述于例如U.S.专利5,890,366、U.S专利.4,896,514以及U.S.专利4,867,766中。
在变压吸附***用于本发明的情况下，变压吸附***优选包含用于压缩第二空气流的压缩机，例如压缩至0.12Mpa～1.0Mpa的压力，优选0.15Mpa～0.25Mpa；并且每单元包含沸石分子筛的吸收室1～10个，优选2个。对于大规模的设备来说，可以使用许多这样的单元。
另外按本发明，在减压下操作的变压吸附***也是可用的，在这种场合下一般使用真空泵代替压缩机。
按照本发明，可用作氧富集***的中空纤维膜-基的***，例如描述于德国专利19 645 764和U.S.专利5,158,584中。另外如描述于U.S.专利6,427,484中的塑料膜分离***，都可用在本发明的方法和设备中。
此外，依赖于沸石膜、沸石混合-基质***、碳或聚合物膜的膜-基空气分离设备，可以用于本发明使用的氧富集***中。
优选的是，把第二空气流以适当方式送到氧富集***中，由此氧富集***产生富氧空气流和富氮空气流。
富氮空气流可视情况而适当地单独除去或抛弃。
另外把富氧空气流送入，或与二氧化碳贫化的第一空气流一起送入空间单元中。优选的是二氧化碳贫化的第一空气流与来自氧富集***的富氧空气流，在送回空间单元之前进行合并。
在本发明特别优选的实施方案中，本发明的设备包括O2传感器、CO2传感器或空气质量传感器以及与其耦合的计算机-辅助控制设备，用于调节来自膜***和氧富集***的送回空间单元的空气流的气流体积。借助于这种设备中的一种，有可能例如建立和保持空间单元中空气的限定平均氧含量和/或二氧化碳含量。
第二空气流源自新鲜的或环境空气，例如区间或建筑物中的或外界空气。
按照本发明方法或本发明设备的优选实施方案，第二空气流至少也部分从空间单元，从膜***前的第一空气流，或从二氧化碳贫化的第一空气流移去。来自空间单元或来自第一空气流的第二空气流的分配可借助于技术人员所知晓的用于分隔气体体积流的任何设备来进行。
按照本发明，出于经济原因进一步优选的是第一空气流具有比第二空气流大的体积。优选的是第一空气流与第二空气流的体积比在500∶1～2∶1的范围内。
在优选的实施方案中，使第一空气流和第二空气流或由此产生的富氧空气流，可流过活性炭滤料，为的是除去不想要的有气味的物质、灰尘或诸如此类。这一点特别用于空气的预-纯化，以便维持恒定的膜性能而防止孔的过早堵塞。
此外在优选的实施方案中提供必要时可调和、增湿或适应气候的空气流。
对于由本发明膜***中的杂质、沉积物、水分收集品或膜孔堵塞所产生的分离效力退化来说，膜应当经常进行清洗或再生。在电导性膜组件例如碳-基膜的情况下，例如可以进行电感应电阻加热，由此膜被加热，致使杂质蒸发或氧化破坏掉。但是为了以热清洗膜，也可以使用其它的热源，如热空气鼓风机、辐射体、红外辐射、热管辐射、热-射线管、荧光灯、电加热管线、感应加热以及诸如此类。
在少数实施方案中，也可通过加压空气或使溶剂流过膜***而进行清洗。
此外，膜可以清洗并必要时借助于合适的氧化方法，例如臭氧或γ射线进行消毒。
对本发明组合方法的优选实施方案参考图1的流程图进行详细说明。
图1表明基本上封闭的空间单元AB，具有提高二氧化碳比例的第一空气流1a从该单元提取，并送入清洗气体膜***M1。在清洗气体膜***中，二氧化碳由于其高渗透率而优选透过膜组件(未画出)，而二氧化碳贫化的空气滞留在膜组件的滞留侧。该受阻的CO2贫化的空气流1b被再次送回进入到空间单元AB中。
透过膜组件的膜的CO2(或渗透侧出现的CO2比例显著提高的空气)，借助于清洗气流1c，作为二氧化碳载带的清洗气流1d，从清洗气体膜***M1中除去。
与此同时把第二空气流2a送入氧富集***M2，其产生富氮的空气流2c，将其除去，以及富氧空气流2b，它被送入空间单元AB，以提高其中空气的相对氧含量。

Claims (18)

1.一种用于在封闭或部分封闭空间单元中在与二氧化碳贫化的同时进行空气的氧富集的方法，该方法包括下列步骤：
-从空间单元提取第一空气流；
-把第一空气流送入含有至少一个具有CO2/O2选择性大于1的膜组件的膜***；
-除去透过膜的二氧化碳；
-把膜***中二氧化碳贫化的第一空气流送回空间单元；
-借助于氧富集***使第二空气流富集氧，它产生富集氧和富集氮的空气流；
-把氧富集的空气流送入空间单元；和
-分离除去富集氮的空气流，
其中，该第二空气流至少部分来源于空间单元、来源于膜***前的第一空气流或二氧化碳贫化的第一空气流。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于透过的二氧化碳是通过减压、真空或者通过用膜组件渗透侧的清洗气流清洗至少一个膜组件的渗透侧而进行除去。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于透过的二氧化碳是通过在合适的吸收液体中吸收而排放。
4.按权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于二氧化碳贫化的第一空气流在送回空间单元前用来自氧富集***的富氧空气流进行清洗。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于空间单元选自建筑物、机动车辆中的加压舱、飞机的加压舱、船的加压舱或电车的加压舱、帐篷、蚊帐下、来自空气-呼吸***、潜水衣、呼吸保护装备、或吸入回路。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于该建筑物为房间。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于至少一个膜组件含有碳膜、陶瓷膜、塑料膜和这些膜的组合物和/或复合物。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于所用氧富集***是变压吸附***、中空纤维膜组件或基于沸石膜、沸石混合-基质***、碳或聚合物膜的膜-基空气分离设备。
9.按权利要求2所述的方法，其特征在于清洗气流是空气。
10.按权利要求9所述的方法，其中该空气被调和和/或使适应气候。
11.按权利要求1所述的方法，其特征在于第一空气流对第二空气流的体积比在500∶1～2∶1的范围内。
12.一种用于通过在封闭或部分封闭回路中与贫化二氧化碳同时使空气氧富集的设备，其包括：
-用于从空间单元提取第一空气流的装置；
-把第一空气流送入含有至少一个具有CO2/O2选择性大于1的膜组件的膜***的装置；
-用于从至少一个膜组件的渗透侧除去二氧化碳的装置；
-用于把二氧化碳贫化的第一空气流送回空间单元的装置；
-氧富集***，它从引入的第二空气流产生富集氧和富集氮的空气流；
-用于把富集氧的空气流送入空间单元的装置；和
-用于排放富集氮的空气流的装置，
其中，该第二空气流至少部分来源于空间单元、来源于膜***前的第一空气流或二氧化碳贫化的第一空气流。
13.按权利要求12所述的设备，其特征在于用于除去二氧化碳的装置包括用于在膜***的渗透侧提供减压或真空的装置。
14.按权利要求12所述的设备，其特征在于用于除去二氧化碳的装置包括加入和排放膜***中的清洗气体的装置。
15.按权利要求12、13或14所述的设备，其特征在于氧富集***是变压吸附***、中孔纤维膜组件或基于沸石膜、沸石混合-基质***、碳或聚合物膜的膜-基空气分离设备。
16.按权利要求15所述的设备，其特征在于每一设备的变压吸附***包括：
-用于压缩第二空气流的压缩机；和
-1～10个含有沸石分子筛的吸附室。
17.按权利要求12所述的设备，其特征在于至少一个膜组件含有碳膜、陶瓷膜、塑料膜和这些膜的组合物和/或复合物。
18.按权利要求12所述的设备，其特征在于所述设备包括CO2传感器、O2传感器或空气质量传感器以及与其耦合的计算机-辅助控制设备，用于调节从膜***和氧富集***送回空间单元的空气流的体积流。
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