DE3936781A1 - Druckwechseladsorptionsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckwechseladsorptionsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Anlagen werden z. B. eingesetzt, um mit Sauerstoff angereicherte Luft für medizinische Zwecke bereitzustellen.

Die Funktionsweise einer typischen solchen Anlage ist folgende: Von einem Kompressor verdichtete Luft gelangt über ein Einlaßventil in das Einlaßende einer ersten von zwei mit Molekularsieb gefüllten Adsorptionskolonnen. Diese Adsorptionskolonne befindet sich in ihrer Produktionsphase. Das Molekularsieb adsorbiert Stickstoff stärker als Sauerstoff und somit verläßt ein mit Sauerstoff angereicherter Luftstrom, das Produktgas, die erste Adsorptionskolonne an ihrem Auslaßende. Über ein Rückschlagventil gelangt das Gas über eine für beide Adsorptionskolonnen gemeinsame Produktgasleitung in einen Gastank und von dort zum Verbraucher.

Ein kleiner Teil des Produktgases gelangt über eine Spüldüse vom Ausgang der ersten Adsorptionskolonne zum Ausgang der zweiten Adsorptionskolonne. Diese zweite Adsorptionskolonne befindet sich in ihrer Regenerationsphase, und ist an ihrem Einlaßende über ein Entlüftungsventil mit der Umgebung verbunden. Durch den gegenüber der Produktionsphase abgesenkten Druck und durch den sauerstoffreichen Spülstrom vom Auslaßende her wird der zuvor adsorbierte Stickstoff ausgetrieben.

Die Produktionsphase der ersten Adsorptionskolonne wird so lange fortgesetzt, bis diese Adsorptionskolonne mit Stickstoff gesättigt ist. Dann wird durch kurzzeitiges Öffnen eines Druckausgleichventils, das die beiden Auslaßenden der Adsorptionskolonnen miteinander kurzschließt, ein Druckausgleich zwischen den Adsorptionskolonnen hergestellt. Dann wird durch Umschalten der Ventile an den Einlaßenden der Adsorptionskolonnen die zweite Adsorptionskolonne in ihre Produktionsphase gebracht, während die erste Adsorptionskolonne nun in ihre Regenerationsphase kommt. Durch die Verwendung von Rückschlagventilen zwischen den Auslaßenden der Adsorptionskolonnen und der gemeinsamen Produktgasleitung wird ein Rückströmen von Gas aus dem Gastank in eine der Adsorptionskolonnen vermieden. Der Druck im Gastank steigt mit dem Druck in der in ihrer Produktionsphase befindlichen Adsorptionskolonne an, der am Ende der Produktionsphase einen Maximalwert erreicht. Bei der anschließenden Druckausgleichsphase sinkt der Druck in der Adsorptionskolonne sehr schnell ab, das zugehörige Rückschlagventil schließt demzufolge. Dadurch ist aber die Lieferung von Produktgas in den Gastank so lange unterbrochen, bis die zweite Adsorptionskolonne an ihrem Auslaßende einen Druck aufgebaut hat, der den Druck im Gastank übersteigt. In dem Moment öffnet das zugehörige Rückschlagventil und die Lieferung von Produktgas in den Gastank setzt wieder ein.

Durch die Unterbrechung in der Lieferung von Produktgas und das Ansteigen des Druckes bis zum Maximalwert des Druckes in den Adsorberkolonnen kommt es zu starken Druckschwankungen im Gastank.

Diesen Nachteil versucht eine in der EP 01 76 393 beschriebene Druckwechseladsorptionsanlage zu vermeiden. Hier sind die Rückschlagventile durch Drosseln ersetzt worden. Die Aufgabe der sonst separat angebrachten Spülgasdüse wird auch von diesen Drosseln übernommen. Der Einbau der Drosseln hat zur Folge, daß der Druck im Gastank nicht bis auf den Maximalwert in den Adsorptionskolonnen ansteigt. Das hat wiederum zur Folge, daß auch während der Druckausgleichsphase der Druck im Gastank noch niedriger als in den Adsorptionskolonnen ist und somit kontinuierlich Produktgas in den Gastank fließt. Der Druck im Gastank schwankt geringfügig um einen Mittelwert.

Da beide Adsorptionskolonnen abwechselnd in Produktions- und Regenerationsphase arbeiten, müssen die beiden zugehörigen Drosseln gleich dimensioniert werden, und zwar muß ihre Größe auf den relativ hohen Produktgasstrom abgestimmt werden. Daraus ergibt sich aber als Nachteil, daß durch die zu der in Regenerationsphase befindlichen Adsorptionskolonne gehörigen Drossel ein ähnlich großer Gasstrom als Spülgasstrom abfließt wie durch die Produktgasleitung in den Gastank gelangt. Zur Spülung der Adsorptionskolonne wäre aber ein sehr geringer Spülgasstrom ausreichend. Rund die Hälfte des Produktgasstromes wird also nutzlos verschwendet. Dadurch muß die gesamte Anlage größer dimensioniert werden, um einen vorgegebenen Produktgasstrom am Ausgang des Gastanks zu erzielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den durch den Einsatz von Drosseln erreichten Vorteil einer kontinuierlichen Lieferung von Produktgas zu nutzen und gleichzeitig den Nachteil einer durch einen überhöhten Spülgasstrom zustande kommenden Verschwendung von Produktgas zu vermeiden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an Stelle der einfachen Drosseln Steuerelemente verwandt werden, die aus Drosselvorrichtungen gebildet sind, welche in der Durchflußrichtung vom Auslaßende der zugehörigen Adsorptionskolonne zur gemeinsamen Produktgasleitung hin einen geringeren Strömungswiderstand aufweisen als in der Gegenrichtung.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß es unter Beibehaltung der durch den Einsatz von Drosseln erzielten Vorteile möglich ist, den Spülgasstrom auf das notwendige Maß zu begrenzen, und somit Produktgas einzusparen. Daraus resultiert ein gegenüber dem Stand der Technik erheblich höherer Wirkungsgrad der Anlage. Das Druckniveau im Gastank liegt insgesamt höher. Bei gleicher Leistung kann die Anlage kleiner dimensioniert werden.

Das im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches genannte Steuerelement kann prinzipiell aus bekannten Elementen zusammengesetzt werden. Es läßt sich aufbauen aus einer Reihenschaltung eines Rückschlagventiles und einer ersten Drossel und einer zu dieser Reihenschaltung parallel geschalteten, für den Spülgasstrom dimensionierten zweiten Drossel. Der Produktgasstrom, der in Öffnungsrichtung des Rückschlagventiles fließt, durchströmt die Parallelschaltung von erster und zweiter Drossel, der in Gegenrichtung fließende Spülstrom durchströmt nur die zweite Drossel.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Steuerelementes besteht darin, die zweite, für den Spülgasstrom dimensionierte Drossel in das Schließelement des Rückschlagventils zu integrieren. Es könnte sich hierbei z. B. um ein Rückschlagventil mit durchbohrtem Schließkegel handeln. In Schließrichtung schließt das Rückschlagventil nicht hermetisch ab, sondern reduziert den Gasstrom auf das als Spülgasstrom benötigte Maß. Mit dem Rückschlagventil ist eine für den Produktgasstrom dimensionierte Drossel in Reihe geschaltet.

Bei einer weiteren Ausführung des Steuerelementes wird ganz auf ein Rückschlagventil verzichtet. Das Querschnittsprofil einer ring- oder spaltförmigen Blende aus einem elastischen Material ist so ausgebildet, daß sich die Öffnung der Blende in der einen Durchflußrichtung zu einer relativ großen Öffnung erweitert, während sie sich in der entgegengesetzten Durchflußrichtung zu einer relativ kleinen Öffnung verengt. Das kann z. B. dadurch geschehen, daß die Blende im Ruhezustand die kleine Öffnung aufweist und nur in der einen Strömungsrichtung durch die Kräfte, die das durchströmende Gas erzeugt, die Ränder der Blende aufgebogen werden, wodurch sich die Öffnung erweitert. In der entgegengesetzten Strömungsrichtung ist diese Aufbiegung der Ränder durch entsprechende Verstärkungen oder Stützelemente nicht möglich.

Als weitere Ausführungsform des Steuerelements ist eine den Gasstromweg verschließende Platte denkbar, die verschiedene Öffnungen für den Gasdurchtritt und eine auf der einen Seite teilweise befestigte Membran aufweist. Eine dieser Öffnungen ist in beiden Durchflußrichtungen durchgängig, sie stellt die für den Spülgasstrom dimensionierte Drossel dar. Die übrigen Öffnungen sind in der einen Strömungsrichtung durchgängig und stellen zusammen mit der vorher erwähnten Öffnung die für den Produktgasstrom dimensionierte Drossel dar. In der entgegengesetzten Strömungsrichtung verschließt die einseitig an der Platte angebrachte Membran alle Öffnungen bis auf die eine grundsätzlich durchgängige.

Weiterhin ist es möglich, dem Steuerelement die Eigenschaft des richtungsabhängigen Durchflußwiderstandes durch eine besondere strömungstechnische Bauform zu verleihen. Eine sich konisch verengende Blende, die sich nach der engsten Stelle mit senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufender Wandung erweitert, ist eine solche Bauform. In der einen Durchflußrichtung findet der Gasstrom eine sich langsam verengende Röhre vor und kann diese ohne große Wirbelbildung passieren, der Strömungswiderstand ist relativ gering. In der Gegenrichtung prallt der Gasstrom auf die senkrecht zur Strömungsrichtung stehende Wandung der Blende. Eine starke Wirbelbildung und ein daraus resultierender hoher Strömungswiderstand sind die Folge.

Die Erfindung wird an einem Beispiel erläutert. Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisiert den Aufbau der Druckwechseladsorptionsanlage. Die Fig. 2 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Steuerelementes.

Es handelt sich bei diesem Beispiel um eine Druckwechseladsorptionsanlage mit zwei Adsorptionskolonnen zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff für medizinische Zwecke. Die Erfindung läßt sich genauso bei Anlagen mit mehr als zwei Adsorptionskolonnen anwenden.

Die Funktionweise ist folgende: Luft wird von einem Kompressor (1) verdichtet und gelangt über ein Einlaßventil (2) in das Einlaßende (3) einer ersten in ihrer Produktionsphase befindlichen Adsorptionskolonne (4). Die Adsorptionskolonnen (4, 5) sind mit einem Molekularsiebmaterial gefüllt, das Stickstoff stärker adsorbiert als Sauerstoff. Am Auslaßende (6) der ersten Adsorptionskolonne (4) tritt ein mit Sauerstoff angereicherter Gasstrom aus, der im folgenden als Produktgas bezeichnet wird.

Das Produktgas fließt über ein erstes Steuerelement (7) und eine für beide Adsorptionskolonnen (4, 5) gemeinsame Produktgasleitung (8) in einen Gastank (9) und von dort zu einem nicht dargestellten Verbraucher.

Die beiden Steuerelemente (7, 10) haben die Eigenschaft, in der Richtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) hin einen geringeren Durchflußwiderstand aufzuweisen als in der Gegenrichtung. Daher fließt über das zweite Steuerelement (10) ein kleiner Bruchteil der Gasmenge, die durch das erste Steuerelement (7) fließt, in das Auslaßende (11) der zweiten Adsorptionskolonne (5) hinein, durch sie hindurch und über ein Entlüftungsventil (12) in die Umgebung ab. Dieser Gasstrom wird als Spülstrom bezeichnet. Er dient dazu, den durch Druckabsenkung im Molekularsiebmaterial der zweiten Adsorptionskolonne (5) desorbierten Stickstoff aus der Adsorptionskolonne (5) zu entfernen. Diese Adsorptionskolonne (5) befindet sich in ihrer Regenerationsphase. Alle bisher nicht erwähnten Ventile (13, 14, 15) sind während dieser Phase geschlossen, die übrigen (2, 12) geöffnet.

Wenn das Molekularsiebmaterial in der ersten Adsorptionskolonne (4) mit Stickstoff gesättigt ist, wird die Produktionsphase für diese Adsorptionskolonne (4) beendet. Es schließt sich eine kurze Druckausgleichsphase an, in der durch Öffnen des Druckausgleichsventils (15) ein Druckausgleich zwischen beiden Adsorptionskolonnen (4, 5) hergestellt wird. Die Ventile (2, 12, 14) sind während dieser Phase geschlossen, das Ventil (13) ist geöffnet.

Nach Abschluß der Druckausgleichsphase geht die erste Adsorptionskolonne (4) in ihre Regenerationsphase, die zweite (5) in ihre Produktionsphase. Die Ventile (13, 14) sind geöffnet, die Ventile (2, 12, 15) geschlossen. Über das zweite Steuerelement (10) fließt jetzt der Produktgasstrom in den Gastank (9), während über das erste Steuerelement (7) der Spülstrom durch die erste Adsorptionskolonne (4) in die Umgebung fließt.

Durch die Drosselwirkung der Steuerelemente (7, 10) bedingt, erreicht der Druck im Gastank (9) nicht den Spitzenwert des Druckes der jeweils in Produktionsphase befindlichen Adsorptionskolonne (4, 5). Daher kann auch während der Druckausgleichsphase, in der der Spitzendruck in der einen Adsorptionskolonne auf einen mittleren Druck absinkt, noch Produktgas in den Gastank fließen. Die Lieferung von Produktgas wird also nicht unterbrochen und die Druckschwankungen im Gastank bleiben gering. Durch die besondere Eigenschaft der Steuerelemente (7, 10), in beiden Durchflußrichtungen verschiedenen Durchflußwiderstand aufzuweisen, kann der Spülstrom auf das nötige Maß beschränkt werden und der Produktgasfluß liegt auf dem höchstmöglichen Niveau.

Fig. 2 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform eines Steuerelementes (7, 10).

Das Steuerelement besteht aus einem Rückschlagventil (16) und einer dazu in Reihe geschalteten Drossel (17). Parallel zu den beiden Bauelementen (16, 17) ist eine weitere Drossel (18) geschaltet. In der einen, durch einen dicken Pfeil gekennzeichneten Durchflußrichtung ist das Rückschlagventil (16) geöffnet und durch beide Drosseln (17, 18) kann Gas fließen. In der Gegenrichtung, die durch einen dünnen Pfeil gekennzeichnet ist, ist das Rückschlagventil (16) geschlossen und Gas kann nur durch die Drossel (18) fließen. Da Drossel (17) einen geringen, Drossel (18) hingegen einen hohen Durchflußwiderstand aufweist, ergibt sich in der einen Richtung ein größerer Durchfluß als in der Gegenrichtung.

In Fig. 3 ist die parallel geschaltete Drossel (18) von Fig. 2 durch eine Bohrung (19) im Schließelement (20) des Rückschlagventils (21) ersetzt. In Reihe mit diesem speziellen Rückschlagventil (21) ist wieder eine Drossel (22) geschaltet. In der einen Durchflußrichtung öffnet das Rückschlagventil (21) und ein großer, durch die Drossel (22) bestimmter Gasstrom wird freigegeben. In der Gegenrichtung schließt das Rückschlagventil (21). Es schließt jedoch nicht hermetisch dicht, ein kleiner Gasstrom fließt durch die Bohrung (19).

In Fig. 4a ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Das gasführende Rohr (23) wird bis auf eine kleine zentrale Bohrung (24) von einer elastischen Scheibe (25) verschlossen. Das Querschnittsprofil der Scheibe (25) ist mit Versteifungen versehen, so daß in der in Fig. 4a dargestellten Durchflußrichtung der geringe Querschnitt der Bohrung (24) erhalten bleibt. In der entgegengesetzten Durchflußrichtung kann sich die Scheibe (25) jedoch verformen, so daß der Querschnitt der Bohrung (124) erweitert wird (Fig. 4b).

In Fig. 5a ist eine fertigungstechnisch besonders günstige Ausführungsform dargestellt. Das gasführende Rohr (26) ist von einer Scheibe (27) verschlossen, die eine zentrale Bohrung (28) und zusätzlich mehrere auf der Fläche verteilte Bohrungen (29) aufweist. Auf der einen Seite der Scheibe ist eine elastische Membran (30) angeordnet. Der äußere Durchmesser der Membran (30) ist wenig geringer als der Durchmesser der Scheibe (27). Zentral weist die Membran (30) eine Bohrung (31) auf, die etwas größer als die zentrale Bohrung (28) der Scheibe (27) ist. Am Rand dieser Bohrung (31) ist die Membran (30) mit der Scheibe (27) durch z. B. Verkleben verbunden. In der einen Durchflußrichtung legt sich die Membran der Scheibe auf und deckt alle Bohrungen (29) bis auf die zentrale Bohrung (28) ab (Fig. 5a). Es ist nur ein geringer Gasdurchfluß möglich. In der Gegenrichtung hebt die Membran (30) von der Scheibe (27) ab, ein hoher Gasdurchfluß durch alle Bohrungen (28, 29) ist möglich (Fig. 5b).

Als letztes ist in Fig. 6 eine rein strömungstechnische Ausführungsform dargestellt. In der durch einen dicken Pfeil markierten Durchflußrichtung findet das Gas auf seinem Weg durch das gasführende Rohr (32) eine strömungstechnisch günstig gestaltete Düse (33) mit relativ geringem Durchflußwiderstand vor.

Das Gas kann ohne starke Wirbelbildung die engste Stelle (35) der Düse (33) passieren. In der Gegenrichtung (dünner Pfeil) staut sich das Gas jedoch in dem ringförmigen Totraum (34) um die Düse (33) herum und kann die engste Stelle (35) der Düse (33) nur unter starker Verwirbelung passieren, ein hoher Durchflußwiderstand und daher ein geringer Gasdurchfluß sind die Folge.

Claims (8)

1. Druckwechseladsorptionsanlage zur Reinigung oder Zerlegung eines mehrkomponentigen Gasstromes unter Verwendung von mehreren im zyklischen Wechsel von Produktions- und Regenerationsphase betriebenen, mit Molekularsieb gefüllten Adsorptionskolonnen mit Einlaßventilen zum Leiten eines unter erhöhtem Druck stehenden Einsatzgasstromes in die Einlaßenden der jeweils in der Produktionsphase befindlichen Adsorptionskolonnen, mit Entlüftungsventilen zum Entlüften der jeweils in der Regenerationsphase befindlichen Adsorptionskolonnen, mit mindestens einem Druckausgleichsventil zum Kurzschließen der Auslaßenden der Adsorptionskolonnen während einer Druckausgleichsphase und mit einer über den Strömungsweg drosselnde Steuerelemente an alle Auslaßenden der Adsorptionskolonnen angeschlossenen gemeinsamen Produktgasleitung, an welche ein Gastank angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente (7, 10) aus einer Drosselvorrichtung gebildet ist, welche in der Durchflußrichtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als in der entgegengesetzten Durchflußrichtung.

2. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente (7, 10) aus einer Kombinationsschaltung von einer den Strömungsweg in der Durchflußrichtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) hin freigebenden Drosselöffnung (17, 18; 22; 124; 28, 29; 35) geringen Durchflußwiderstandes mit einer den Strömungsweg in der Durchflußrichtung von der gemeinsamen Produktgasleitung (8) zur zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) hin freigebenden Spülöffnung (18, 19, 24, 28, 35) erhöhten Durchflußwiderstandes gebildet ist.

3. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente (7, 10) als Reihenschaltung eines in der Durchflußrichtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) hin öffnenden Rückschlagventils (16) mit einer ersten kalibrierten Drosselöffnung (17) und einer zu der Reihenschaltung parallel geschalteten, einen höheren Durchflußwiderstand als die erste aufweisenden zweiten kalibrierten Spülöffnung (18) ausgebildet ist.

4. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente (7, 10) als Reihenschaltung eines in der Durchflußrichtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) hin öffnenden Rückschlagventils (21) mit einer ersten kalibrierten Drosselöffnung (22) und einer in das Schließelement (20) des Rückschlagventils (21) eingebrachten, einen höheren Durchflußwiderstand als die erste aufweisenden zweiten kalibrierten Spülöffnung (19) ausgebildet ist.

5. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente (7, 10) als ring- oder spaltförmige Blende (25) aus einem elastischen Material ausgebildet ist, dessen Querschnittsprofil so gestaltet ist, daß die Blende (25) in der Durchflußrichtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) hin zu einer weiten Drosselöffnung (124) erweitert und in der entgegengesetzten Durchflußrichtung zu einer engen Spülöffnung (24) verengt wird.

6. Druckwechseladsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente (7, 10) als eine den Gasstromweg verschließende Platte (27) ausgebildet ist, die an Anzahl und/oder Öffnungsquerschnitt verschiedene kalibrierte Öffnungen (28, 29) aufweist, von denen ein Teil als Spülöffnung (28) in beiden Durchflußrichtungen für einen Gasstrom durchgängig ist, während die übrigen kalibrierten Öffnungen als Drosselöffnung (29) in der Durchflußrichtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) hin durchgängig sind, in der entgegengesetzten Durchflußrichtung jedoch von einer auf der der gemeinsamen Produktgasleitung (8) zugewandten Seite der Platte (27) angebrachten, teilweise mit ihr verbundenen elastischen Membran (30) verschlossen sind.

7. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente (7, 10) ein solches Strömungsprofil aufweist, daß es in der Durchflußrichtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) hin einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als in der entgegengesetzten Durchflußrichtung.

8. Druckwechseladsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente (7, 10) als eine im Gasstromweg angeordnete, sich in der Durchflußrichtung vom Auslaßende (6, 11) der zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) zur gemeinsamen Produktgasleitung (8) hin in ihrem gasdurchlässigen Querschnitt verjüngende Düse (33) ausgebildet ist, die auf ihrer Außenseite zwischen sich und der Innenwandung des gasführenden Rohres (32) einen für die Gasströmung in der Durchflußrichtung von der gemeinsamen Produktgasleitung (8) zur zugehörigen Adsorptionskolonne (4, 5) hin wirksamen Totraum (34) bildet.