DE102013015365A1

DE102013015365A1 - Luft- und Gaszerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Wasserstoff, CO2-Abtrennung, Gasreinigung, Gaswandlung (und mehr)

Info

Publication number: DE102013015365A1
Application number: DE201310015365
Authority: DE
Inventors: Helmut Ucke; Wiliam J. Esler; Dominik Ossada; Hans-Joachim Krüger
Original assignee: IZV Lizenz GmbH
Current assignee: IZV Lizenz GmbH
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Luft/Gastrennungsanlage mit Vakuum unterstützter, umlaufender Wechseladsorption. Für die Luftzerlegungsanlage werden die Adsorptionsmittel als strukturierte Elemente eingesetzt, wobei die Unter und Oberseite und/oder die unteren und oberen Seitenteile teilweise offen bleiben. Die Adsorptionselemente können in Behälter beliebiger Form aus Kunststoff oder Metall luftdicht gegeneinander in Strömungsrichtung installiert werden. Alle Formen von rund, -eckig, -waben-keilförmig auch als Hohlkörper sind für den Elementbau möglich. Die Formgebung der Elemente ändert sich auch mit den sehr unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten der Anlage. Drei hinter, neben- oder übereinander eingebaute motorisch angetriebene drehende oder schiebende Ventilscheiben, Ventilbänder oder Ventilplatten ermöglichen eine annähernd kontinuierliche Gaserzeugung oder Gasreinigung. Die Adsorptionszyklen erfolgen in Sekundenbruchteile gegenüber dem Stand der Technik von 3 bis 5 Minuten. Die Technik erlaubt die Erzeugung von Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Wasserstoff und andere Gase sowie Gas- und Abgasreinigung und CO2-Abtrennung durch Wechsel der Adsorptionsmittel, Elementformen und Ventile. Die Technik ermöglicht durch Ihre sehr kompakte Bauweise die um den Faktor 60 !!! kleiner baut als der Ist Stand der Technik bei gleichen Leistungen erstmals den mobilen Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen. Auch der bis 70% niedrigere Eigenenergiebedarf beweist, den wirtschaftlichen Einsatz in allen Bereichen der Luft- und Gaszerlegung. Durch die Möglichkeit der Modulbildung sind kaum Leistungsgrenzen gesetzt

Description

1. ZIEL
Hochleistungsfähige vielseitige Gastechnik, mit minimalen Abmessungen und geringem Eigenbedarf an Energie, mit der Möglichkeit zur Modulbildung, um selbst größte Anforderungen und wechselnden Bedarf mit einer geringen Typenanzahl abzudecken.
2. EINLEITUNG
Luft/Gaszerlegungsanlage nach dem V PSA System mit Vakuum unterstützter, umlaufender Wechseladsorption, die vom Stand der Technik funktionsweise völlig abweicht.
Die PSA und V PSA Luft/Gaszerlegungsanlagen sind im Ist-Stand der Technik sehr voluminös, teuer und nur mit hohen Energieaufwand zu betreiben. Sie können in Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten schon durch ihre schiere Größe nicht eingesetzt werden. Über aufwändige und verlustreiche Tankanlagen oder mit Flaschengas hilft man sich und beschränkt sich beim Einsatz auf das Allernötigste.
Bisher sind die zur Luft/Gaszerlegung benötigten Adsorptionsmittel lose und damit unstrukturiert in mindestens zwei Behälter gefüllt, die wechselseitig mit Druckluft durchströmt werden (hier im Beispiel die Erzeugung von Stickstoff und Sauerstoff). Der in der Luft vorhandene Sauerstoff durchströmt die Adsorptionsmittel ungehindert, der Stickstoff bleibt am Adsorptionsmittel hängen. Sind die Adsorptionsmittel gesättigt und der Sauerstoff entnommen, wird durch Schließen der Luftzufuhr und Öffnen der Abnehmerventile mit Unterdruck der anhaftende Stickstoff ausgetrieben. Das Adsorptionsmittel wird durch erneutes Öffnen der Luftzufuhr und Schließen der Abnehmerventile im Wechselzyklus mit Luft beladen und Stickstoff entladen. Der Sauerstoffstrom wird unter Druck entnommen Das Beladen und das Entladen der Adsorptionsmittel dauert je nach Anlagengröße zwischen drei und fünf Minuten, die Produktion erfolgt damit nicht kontinuierlich.
Großtechnische Anlagen werden mit den Verfahren der kryogenen Luftzerlegung ausgerüstet, für die meist ein eigenes Kraftwerk und enorme Grundflächen erforderlich sind. Kleiner Bedarf kann über die Membran-Technik erfolgen, der Sauerstoffanteil ist hier aber deutlich geringer.
Das IZV System der umlaufenden Wechseladsorption ist um ein Vielfaches leistungsfähiger, und um den Faktor 60 bei gleicher Leistung gegenüber dem Stand der Technik im Bauvolumen reduziert sowie energetisch bis 70% sparsamer. Die Gaserzeugung erfolgt annähernd kontinuierlich. Zugleich lässt die Technik durch kleine Detailänderungen und die Auswechselung der Adsorptionsmittel eine Vielzahl anderer Funktionen, wie z. B. Gastrennung, Gas- und Abgasreinigung, Wasserstoffgewinnung, CO2 Abtrennung und Vieles mehr, zu.
Der Aufbau der Anlagen unterscheidet sich vom Stand der Technik grundsätzlich.
Zum Betrieb der Anlagen bedarf es der Druckluftversorgung, eines Vakuum-Gebläses und Strom oder Motorkraft.
In einem Behälter beliebiger Form aus Kunststoff oder Metall wird auf der Unterseite ein Raum für Druckluft (1) mit einem Druckluftanschlussstutzen (2) vorgesehen. Darüber wird eine hydraulisch oder motorisch angetriebene, sich drehende, schiebende oder umlaufende Ventilscheibe, Ventilband, oder Ventilplatte aus Metall oder Kunststoff eingesetzt mit Öffnungen, die der Form der verwendeten strukturiert aufgebauten Adsorptionselemente entsprechen (3).
Darüber werden die vorgefertigten Adsorptionselemente in beliebiger Form und Stellung mit entsprechenden Öffnungen luftdicht gegeneinander eingesetzt (4). Die Adsorptionsmittel sind in die Elemente, oder selbst elementbildend, zum Zweck des schnellen Luftwechsels strukturiert eingebaut.
Eine zweite Ventilscheibe, -Band oder Platte wird oberhalb der Elemente luftdicht abschließend genau wie (3) vor beschrieben, eingerichtet (5).
Nach einem weiteren Hohlraum zur Abnahme von Sauerstoff oder anderen Gasen (6) wird eine dritte, ebenfalls motorisch oder hydraulisch betriebene, Ventilscheibe, -Band- oder Platte, platziert (7) die auf der Unterseite mit Hohlkörpernoppen versehen ist und das Austreiben von Stickstoff oder anderen Gasen erlaubt, ohne den Gasstrom im Hohlraum (6) zu tangieren. Oberhalb der Ventile (7) wird zur Gasentnahme ein weiterer, unter Unterdruck stehender, Hohlraum eingerichtet. Diese Funktionseinrichtungen können auch beliebig in der Behältermitte oder am Behälterrand angeordnet werden. Die Adsorptionselemente sollten zu Gunsten kurzer Ladezeiten nicht länger als 500 bis 1000 mm sein.
Die strukturiert aufgebauten Adsorptionselemente lassen eine schnelle Aufladung mit Gase aller Art zu. Die drehenden oder schiebenden Ventilscheiben, -Bänder- oder Platten öffnen und schließen in vorgegebenen Zeitrahmen die Elementbauteile. Ein Teil der Gase durchströmt die Adsorptionsmittel ungehindert, der andere Teil bleibt im Adsorptionsmittel haften und wird mittels Unterdruck ausgetrieben. Die gewünschten Gase werden, eventuell auch alle, zur Weiterverarbeitung entnommen beziehungsweise abgelassen.
Bezugszeichenliste

1: Behälterunterseite mit Druckluft 2 bis 8 bar
2: Druckluftzuführung
3: Ventilscheibe/Platte/Band (1), Lochung entsprechend den eingesetzten Adsorptionselementen
4: Adsorptionselemente
5: Ventilscheibe/Platte/Band (2)
6: Hohlraum im Beispiel zur Sauerstoffentnahme durch Überdruck
7: Ventilscheibe/Platte/Band (3) profiliert mit Hohlstempel oder Profile ausgerüstet zur Ableitung im Beispiel Stickstoff
8: Hohlraum im Beispiel Stickstoffaustreibung
9: Ableitung im Beispiel Stickstoff
10: Ableitung im Beispiel Sauerstoff
Detail 4: Strukturierte Adsorptionselemente
Detail 3/4/5/7: Anordnung und Ansicht von Adsorptionselementen und Ventile in der Anlage

Claims

Luft/Gaszerlegungsanlage nach der vorherigen Erklärung, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstofferzeugung und/oder die Stickstofferzeugung, und/oder die Wasserstofferzeugung und/oder die Abgasreinigung, und/oder CO2-Abtrennung, durch eine VPSA Luft/Gaszerlegungsanlage erfolgt, die mit einer umlaufenden, Vakuum unterstützter Wechseladsorption ausgerüstet ist (3, u. 5, u. 7).
Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionsmittel als strukturierte Blöcke, Bänder, Fäden, Stäbe und/oder ebenfalls strukturiert in Metall-, Glasfaser- oder Kunststoffgehäuse eingebaut sind, verwendet werden, (4) wobei die Unter- und Oberseite (3, u. 5) und/oder die unteren und oberen Seitenteile teilweise offen bleiben (3, u. 5, u. 7). Die Adsorptionselemente sind in Behälter (4) beliebiger Form aus Kunststoff und/oder Metall luftdicht gegeneinander in Strömungsrichtung installiert. Alle Formen von rund, -eckig, -waben-keilförmig und/oder auch als Hohlkörper mit inneren und/oder äußeren Belag aus strukturierten Blöcken, und/oder aufgetragenen Adsorptionsmitteln sind für den Elementbau möglich. Die Formgebung ändert sich auch für die sehr unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten der Anlage.
Luft/Gaszerlegungsanlagen nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der strukturierten Absorptionselemente eine umlaufende Ventilscheibe und/oder verschiebbare Ventilplatte (3) oder Ventilbänder aus Metall und/oder Kunststoff mit Öffnungen und Abschlüssen, die der Form des gewählten Formats der Adsorptionselemente (4) entsprechen und zum Öffnen und Schließen der Elemente umlaufend, drehend und/oder schiebend (4a) eingebaut sind, und dass die Ventilscheiben, Ventilplatten oder Ventilbänder motorisch und/oder in beliebiger Art angetrieben werden.
Luft/Gaszerlegungsanlage nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (1) unterhalb der ersten Ventilscheibe/Ventilplatte (3) mit Druckluft einen Überdruck, vorzugsweise mit 2 bis 8 bar Druck aus einer Verdichtereinheit und/oder einem Gebläse (2), aufweist.
Luft/Gaszerlegungsanlage nach den vorherigen Ansprüchen (3), dadurch gekennzeichnet, dass im Umfeld der strukturierten Adsorptionselemente (4) eine zweite umlaufende Ventilscheibe, und/oder Ventilband, und/oder verschiebbare Ventilplatte (5) aus Metall und/oder Kunststoff installiert ist und/oder dass die Ventilscheibe/Ventilband/Ventilplatte (5) eine profilierte Oberfläche aufweist, die die Verbindungen zur (als Beispiel genannten) Stickstoffentnahme (8) oder der Sauerstoffentnahme (6) bilden. Die Trennung vieler anderer Gase sind untereinander durch Wechsel der Adsorptionsmittel und/oder der Ventilstellungen mit der gleichen Anlagentechnik möglich.
Luft/Gaszerlegungsanlage nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass im Umfeld der zweiten Ventilscheibe/Platte/Band (5) unter Beibehaltung des Hohlraums (6) eine dritte motorisch und/oder in beliebiger Art angetriebene umlaufende Ventilscheibe, und/oder verschiebbare Ventilplatte (7) und/oder Ventilband aus Metall und/oder Kunststoff eingesetzt wird. Im Umfeld dieser dritten Ventilelemente wird ein weiterer Hohlraum zur Ableitung von gewonnen oder gereinigten Gasen unter Vakuumbedingungen (6 u. 8), installiert. Die Ventilscheibe/Ventilplatte/Ventilband (7) ist auf der Unterseite und/oder im Seitenteil mit unterschiedlich langen Hohlraumprofilen versehen, die die Entnahme von (im Beispiel) Sauerstoff (6) getrennt von der (im Beispiel) Stickstoffaustreibung (8) ermöglichen. In einem vorgegebenen Zeitrahmen werden die Funktionen der drei Ventilscheiben, Bänder oder Platten, öffnen/schließen (Ventilelement 1. zu-auf, 2 auf-zu-zu, 3. zu-auf-auf) im schnellen Wechsel den Anforderungen entsprechend ausgeführt. Je nach Gas Art können die Schließ- oder Öffnungsintervalle in anderer Reihenfolge erfolgen.
Luft/Gaszerlegungsanlage nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass im Umfeld der dritten Ventilscheibe/Ventilband/Ventilplatte (7) ein über ein Vakuumgebläse- und/oder Pumpe erzeugter Unterdruck über die ganze Fläche (8) verteilt ist, und dass damit der Austrieb des Stickstoffs oder andere Gase beschleunigt wird. Die zugehörige Skizze zeigt als Beispiel, dass Stickstoff oberhalb der Ventilscheibe/Ventilband/Ventilplatte, (8) und Sauerstoff unterhalb der Ventilscheibe/Ventilplatte/Ventilband (6) entnommen wird. Die Entnahmen können auch in umgekehrter Reihenfolge, und/oder innen oder außen am/im Behälter erfolgen und aus anderen Gasen bestehen.
Luft/Gaszerlegungsanlage nach den vorherigen Ansprüchen, 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilscheiben, Ventilbänder oder Ventilplatten (3, 5, 7) auch senkrecht im Behälterinneren und/oder äußeren Behälterhohlraum mit gleicher Funktion installiert sind und/oder, dass bei eckigen Behälterformen die Ventilplatten durch Verschieben und/oder umlaufende Ventilbänder betätigt werden.
Luftzerlegungsanlage nach den vorherigen Ansprüchen (3 bis 8), dadurch gekennzeichnet, dass durch Erhöhung oder Verringerung der Umdrehungszahl oder Schiebegeschwindigkeit die produzierte und/oder gereinigte Gasmenge geregelt wird. Durch Verstellen der Ventilscheiben/Platten/Bänder (3 u. 5 u. 7) werden die Gasanteile den Anforderungen angepasst. Die Wechseladsorption produziert annähernd kontinuierlich, je nach Auslegung, Sauerstoff/Stickstoff (6 u. 8)/, Argon oder Wasserstoff. Die Gas-/Abgasreinigung und CO2 Abtrennung kann exakt den Anforderungen folgen. Andere Ventilausformungen und Adsorptionsmittel sind für die sehr unterschiedlichen Gase erforderlich.