DE102014108874A1

DE102014108874A1 - Luftaufbereitungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE102014108874A1
Application number: DE102014108874.3A
Authority: DE
Inventors: August Krinner
Original assignee: KRINNER DRUCKLUFTTECHNIK GmbH
Current assignee: KRINNER DRUCKLUFTTECHNIK GmbH
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2015-12-31
Also published as: EP3160619A1; WO2015197418A1

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Erzeugung aufbereiteter Luft. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen von verdichteter Luft, Reduzieren des Kohlendioxidgehalts der verdichteten Luft in einer Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22), Einleiten der Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt in eine Trennvorrichtung (20), die eine Membran (13) zum Abtrennen von Stickstoff enthält, Ableiten von aufbereiteter Luft aus der Trennvorrichtung (20), Ableiten von abgetrenntem Stickstoff aus der Trennvorrichtung (20), zumindest abschnittsweises Regenerieren der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) mit zumindest einem Teil des abgetrennten Stickstoffs.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Luftaufbereitungsverfahren sowie auf eine Luftaufbereitungsvorrichtung.
Bei unterschiedlichen Anwendungen medizinischer und technischer Natur hat sich die Verwendung von aufbereiteter Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt als vorteilhaft erwiesen. Beispielsweise beim Tauchen hat sich die Verwendung von sauerstoffangereicherter Atemluft, auch als NITROX bezeichnet, als vorteilhaft erwiesen. Die Vorteile bei der Verwendung von sauerstoffangereicherter Atemluft bei Tauchgängen sind bekannt. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass sauerstoffangereicherte Atemluft mit einem Sauerstoffgehalt von 32–40 Vol. % besonders vorteilhaft ist. Auch in Kliniken ist aufbereitete Atemluft zur medizinischen Behandlung einsetzbar. Kritisch bei der Erzeugung aufbereiteter, insbesondere sauerstoffangereicherter Atemluft ist der Kohlendioxidgehalt im erzeugten Gas. Auch auf anderen Gebieten ist die Verwendung von Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt vorteilhaft, wie beispielsweise bei Anwendungen, bei denen Druckluft zu Reinigungszwecken eingesetzt wird.
Zur Herstellung von aufbereiteter Luft, wie sie in der vorstehend genannten beispielhaften Anwendung zum Einsatz kommt, sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren bekannt. Beispielsweise kann die Luft durch Mischen bestimmter Gase mit gewünschten Anteilen erzeugt werden. Allerdings ist diese Art der Herstellung aufwendig, da die jeweiligen Gase zum Vermischen in reinem Zustand bereitgestellt und exakt dosiert werden müssen. Als eine Art der Herstellung von sauerstoffangereicherter Atemluft ist es ferner bekannt, den Anteil von Stickstoff in der Umgebungsluft zu reduzieren, um dadurch ein Gas zu erhalten, welches einen erhöhten Sauerstoffanteil aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung sieht ein Luftaufbereitungsverfahren mit folgenden Schritten vor:

– Bereitstellen von verdichteter Luft;
– Reduzieren des Kohlendioxidgehalts der verdichteten Luft in einer Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung;
– Einleiten zumindest eines Teils der Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt in eine Trennvorrichtung, die eine Membran zum Abtrennen von Stickstoff enthält;
– Ableiten von sauerstoffangereicherter Luft aus der Trennvorrichtung;
– Ableiten von abgetrenntem Stickstoff aus der Trennvorrichtung;
– Zumindest abschnittsweises Regenerieren der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung mit zumindest einem Teil des abgetrennten Stickstoffs.

Erfindungsgemäß wird somit der Kohlendioxidgehalt der verdichteten Luft reduziert, bevor diese in die Trennvorrichtung eingeleitet wird. Die verdichtete Luft kann beispielsweise durch ein Druckluftsystem bereitgestellt werden. Alternativ kann auch durch einen Verdichter verdichtete Umgebungsluft verwendet werden. Durch Verwendung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung zur Reduzierung des Kohlendioxidgehalts der verdichteten Luft vor der zumindest teilweisen Einleitung der Luft in die Trennvorrichtung hat sich gezeigt, dass der Kohlendioxidgehalt äußerst Effizient reduziert werden kann. Die Luft kann somit unter Überdruck in die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung eingeleitet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, die Luft unter Druck in einem Bereich von 7 bis 13 bar, vorzugsweise 7–10 bar, in die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung einzuleiten. Diese Bereiche sind jedoch nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr kann von diesem Bereich auch abgewichen werden und kann die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung zum Adsorbieren von Kohlendioxid unter jedem anderen geeigneten Überdruck betrieben werden. Die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung arbeitet unter Überdruck am effizientesten. Somit erfolgt eine besonders effiziente Reduzierung des Kohlendioxidgehalts in der Luft. Das entstandene Gasgemisch wird dann zumindest teilweise der Trennvorrichtung zugeführt. Durch das vorherige Reduzieren des Kohlendioxidgehalts in der Luft kann vermieden werden, dass durch das Abtrennen von Stickstoff in der Trennvorrichtung ein Gasgemisch erzeugt wird, welches einen zu hohen Kohlendioxidgehalt aufweist. Des Weiteren kann die Membran der Trennvorrichtung effizienter arbeiten, da kein oder nur sehr wenig Kohlendioxid in dem zugeführten Gas vorhanden ist. Dies liegt daran, dass Sauerstoff- und Kohlendioxid-Moleküle bei der Trennung in der Membran den gleichen Weg einnehmen, da diese ähnliche Eigenschaften besitzen.
Erfindungsgemäß wird auch zumindest ein Teil des abgetrennten Stickstoffs zum zumindest abschnittsweisen Regenerieren der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verwendet. Dies hat den Vorteil, dass der abgetrennte Stickstoff zumindest teilweise weiterverwendet werden kann. Dadurch wird die Effizienz des Gesamtsystems weiter erhöht. Das Verfahren soll auch auf Kohlendioxidadsorptionsvorrichtungen anwendbar sein, welche mehrere Kohlendioxidadsorptionseinheiten aufweisen, die einzeln oder gruppenweise Kohlendioxid adsorbieren und einzeln oder gruppenweise regeneriert werden können. Ein zumindest abschnittsweises Regenerieren soll vor diesem Hintergrund dahingehend verstanden werden, dass zumindest ein Teil bzw. ein Element der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung regeneriert wird. Wenn im Folgenden also von einer Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung die Rede ist, so ist darunter zu verstehen, dass diese zumindest abschnittsweise regeneriert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird in einem weiteren Schritt bestimmt, ob eine Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung erforderlich ist. Dabei wird bestimmt, dass die Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung erforderlich ist, wenn festgestellt wird, dass sich deren Adsorptionsleistung verschlechtert hat. Eine solche Bestimmung kann beispielsweise in vorbestimmten Zeitabständen erfolgen. Des Weiteren kann ein solches Bestimmen auch kontinuierlich durchgeführt werden. Auch ist es möglich, den Schritt des Bestimmens an bestimmte Ereignisse zu knüpfen, wie beispielsweise das Einschalten einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Eine Verschlechterung der Adsorptionsleistung ist dabei als eine Verringerung der Adsorptionsleistung unter gleichbleibenden Bedingungen zu verstehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird festgestellt, dass sich die Adsorptionsleistung verschlechtert hat, wenn eine bestimmte Betriebszeit der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung seit der letzten Regeneration verstrichen ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann demnach die Betriebszeit der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung überwacht werden. Das bedeutet, dass beispielsweise ein Zähler nach jeder Regeneration der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung zurückgesetzt werden kann. Die vorbestimmte Betriebszeit kann in Abhängigkeit der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung festgelegt werden. Je nach Art der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung ist die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung nämlich dazu in der Lage, unterschiedliche Mengen an Kohlendioxid zu adsorbieren. Günstigerweise wird die vorbestimmte Betriebszeit dabei so festgelegt, dass eine vorbestimmte Adsorptionsleistung nicht unterschritten wird. Ist beispielsweise bekannt, dass die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung unter vorgegebenen Bedingungen nach einer bestimmten Zeit kein Kohlendioxid mehr adsorbieren kann, so kann die vorbestimmte Betriebszeit beispielsweise so gewählt werden, dass diese halb so lange wie die bestimmte Zeit eingestellt ist. Die Regeneration erfolgt also gemäß diesem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von der Betriebszeit der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung. Als Betriebszeit kann dabei die Zeit verstanden werden, bei der die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung tatsächlich Kohlendioxid adsorbiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird festgestellt, dass sich die Adsorptionsleistung verschlechtert hat, wenn der Kohlendioxidgehalt des aus der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung abgeleiteten Gases einen vorbestimmten Wert übersteigt. Zu diesem Zweck kann der Kohlendioxidgehalt des abgeleiteten Gases an einem Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung gemessen werden. Eine derartige Messung kann in vorbestimmten Zeitabständen oder kontinuierlich erfolgen. Der vorbestimmte Wert des Kohlendioxidgehalts des abgeleiteten Gases kann auf unterschiedliche Weise festgelegt werden. So ist es beispielsweise möglich, einen vorbestimmten Wert einzustellen, der in keinem Fall überschritten werden darf. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Kohlendioxidgehalt des abgeleiteten Gases mit dem Kohlendioxidgehalt des eingeleiteten Gases zu vergleichen und als vorbestimmten Wert eine festgelegte Differenz der Kohlendioxidgehalte festzulegen. Eine derartige Überwachung des Kohlendioxidgehalts eröffnet die Möglichkeit, genaue Rückschlüsse auf die Adsorptionsleistung zu ziehen und dadurch exakt festzustellen, wann eine Regeneration der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung nötig ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hat die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung wenigstens zwei Kohlendioxidadsorptionsmittel enthaltende Kohlendioxidadsorptionseinheiten, wobei während der Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung wenigstens eine der Kohlendioxidadsorptionseinheiten regeneriert wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es somit nicht erforderlich, dass sämtliche Kohlendioxidadsorptionseinheiten gleichzeitig regeneriert werden. Vielmehr ist es möglich, lediglich eine Kohlendioxidadsorptionseinheit zu regenerieren, während die anderen Kohlendioxidadsorptionseinheiten benutzt werden oder ungenutzt sind. Jedoch ist es auch möglich, mehrere Kohlendioxidadsorptionseinheiten gleichzeitig zu regenerieren. Dies bedeutet im Kontext des Gesamtverfahrens, wie es bislang beschrieben wurde, dass der abgetrennte Stickstoff während der Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung durch wenigstens eine der Kohlendioxidadsorptionseinheiten geleitet wird. Insgesamt ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel unter einer Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung somit der Zustand zu verstehen, dass wenigstens eine Kohlendioxidadsorptionseinheit regeneriert wird. Bei dem Kohlendioxidadsorptionsmittel handelt es sich um ein bekanntes Kohlendioxidadsorptionsmittel. Dieses kann insbesondere in Granulatform vorliegen und entsprechend in einen Druckbehälter gefüllt sein. Zur Reduzierung des Kohlendioxidgehalts kann dann das Gasgemisch durch den mit granulatförmigem Kohlendioxidadsorptionsmittel gefüllten Druckbehälter hindurchgeleitet werden. In diesem Zusammenhang kann das aus der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung austretende Gas mit reduziertem Kohlendioxidgehalt in einem weiteren Schritt gefiltert werden, bevor es der Trennvorrichtung zugeführt wird. Durch einen solchen Filterungsschritt kann vermieden werden, dass Partikel aus der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung in eine nachgeschaltete Vorrichtung, beispielsweise die Trennvorrichtung, gelangen. Somit wird die Reinheit des aus der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung abgeleiteten Gases erhöht und eine Verunreinigung von nachfolgenden Vorrichtungen, beispielsweise der Trennvorrichtung, vermieden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, adsorbiert während der Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung wenigstens eine der Kohlendioxidadsorptionseinheiten Kohlendioxid. Eine Adsorption von Kohlendioxid durch die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung erfolgt somit auch während der Regenerierung derselben. Dies hat den Vorteil, dass eine kontinuierliche Erzeugung von Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt möglich ist. Kontinuierlich ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass es zu keiner nennenswerten Unterbrechung der Erzeugung von aufbereiteter Luft kommt. Zu derartigen Unterbrechungen kann es beispielsweise kommen, wenn festgestellt wird, dass eine Kohlendioxidadsorptionseinheit nicht mehr ausreichend Kohlendioxid adsorbiert und demnach regeneriert werden muss. Dazu ist es in der Regel erforderlich, die verschlechterte Kohlendioxidadsorptionseinheit gegen eine regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit zu tauschen beziehungsweise eine Strömung des in die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung eingeleiteten Gases entsprechend umzuleiten. Durch dieses Umschalten kann es zu einem kurzzeitigen Druckabfall beziehungsweise zu einer kurzzeitigen Verminderung der Ausgangsströmung von Luft aus der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung kommen. Ein Druckabfall tritt beispielsweise auf, wenn beim Umschalten ein Druckausgleich zwischen den Kohlendioxidadsorptionseinheiten bewirkt wird. Eine solche kurzzeitige Unterbrechung ist jedoch für den Gesamtprozess unter gewissen Umständen unerheblich. Wird beispielsweise das aus der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung abgeführte Gas einem Druckspeicher zugeführt, so wirkt sich eine kurzzeitige Volumenstromverringerung bzw. ein Druckabfall nicht aus. Ist der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung jedoch nachfolgend ein Verdichter zum Druckbeaufschlagen der abgegebenen Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt vorgesehen, so ist es erforderlich auch über den Schaltvorgang der Wegeventile hinweg einen konstanten Volumenstrom zu erhalten. Üblicherweise arbeitet ein solcher Verdichter in einem bestimmten Nennbereich und verdichtet daher eine vorgegeben Menge Luft. Wird diesem Verdichter nun zu wenig Luft zugeführt, so entsteht in der Zufuhrleitung zu diesem Verdichter ein Unterdruck. Um einer Beschädigung der Vorrichtung vorzubeugen, ist es deshalb erforderlich, ein Unterdruckventil vorzusehen, welches im Falle eines zu großen Unterdrucks öffnet. Öffnet jedoch das Ventil, tritt weitere Luft in die Leitung ein. Da diese Luft keinen reduzierten Kohlendioxidgehalt aufweist, steigt der Kohlendioxidgehalt der Luft vor dem Verdichter an. Es ist somit nicht möglich, über den Umschaltvorgang hinweg einen konstant niedrigen Kohlendioxidgehalt in der Luft sicherzustellen. Um einer Unterdruckentwicklung entgegenzuwirken, kann zwischen der Einlassleitung und der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung ein Überströmventil vorgesehen sein. Am Einlass kann dann entweder aus der Druckleitung oder aus einem Verdichter Luft mit einer Menge bereitgestellt werden, welche über der gewünschten Luftmenge am Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung liegt. Das Überströmventil lässt somit im Normalbetrieb Luft ab, damit am Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung ein vorgegebener Luftmengenstrom nicht überschritten wird. Wird nun in der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung ein Teil der Luft für Druckausgleichszwecke abgezweigt, so kann der Volumenstrom durch die Kohlendioxidadsorptionseinheit aufgrund des Überströmventils aufrechtgehalten werden. Wird nämlich ein größerer Luftvolumenstrom am Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung benötigt, so schließt das Überströmventil entsprechend und der Volumenstrom am Ausgang steigt dadurch an. Somit ist durch das Vorsehen eines Überströmventils vor der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung ein kontinuierlicher Betrieb eines nachgeschalteten Verdichters möglich, der beispielsweise zur Druckflaschenbefüllung verwendet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Kohlendioxidadsorptionsmittel der zu regenerierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit für das Regenerieren erwärmt. Dabei ist es beispielsweise möglich, einen Behälter in dem sich das Kohlendioxidadsorptionsmittel befindet, zu erwärmen. Dazu kann eine entsprechende Heizeinrichtung vorgesehen sein. Andererseits ist es möglich, das Kohlendioxidadsorptionsmittel zu erwärmen, indem das für die Regenerierung einzuleitende Gas erwärmt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wird in diesem Zusammenhang der für die Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verwendete Stickstoff auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Die vorbestimmte Temperatur ist dabei wünschenswerterweise so gewählt, dass eine optimale Regenerierung des Kohlendioxidadsorptionsmittels erfolgen kann. Dies ist dann der Fall, wenn das Kohlendioxidadsorptionsmittel auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Kohlendioxidadsorptionsmittel das adsorbierte Kohlendioxid am besten abgeben kann. Die Erwärmung des Stickstoffs kann beispielsweise durch eine separate Heizeinrichtung erfolgen, durch die der für die Regenerierung zu verwendende Stickstoff geleitet wird. Dabei ist es möglich, dass die Heizeinrichtung den Stickstoff auf eine konstante Temperatur erwärmt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Stickstoff zu Beginn jeder Regenerierung zunächst stärker zu erwärmen, um das Kohlendioxidadsorptionsmittel in der zu regenerierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit schneller auf eine optimale Temperatur für die Regenerierung zu erwärmen. In diesem Zusammenhang ist es demnach möglich, den Stickstoff zunächst auf eine höhere Temperatur zu erwärmen und nach einer vorbestimmten Zeit die Temperatur des Stickstoffs auf die Temperatur einzuregeln, welche der Temperatur entspricht, auf die das Kohlendioxidadsorptionsmittel gebracht werden soll. Dadurch ist eine besonders effiziente Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionseinheit möglich. Es hat sich gezeigt, dass das in dem Kohlendioxidadsorptionsmittel adsorbierte Kohlendioxid von dem zur Regenerierung verwendeten Gas besonders gut aufgenommen werden kann, wenn eine Erwärmung des Kohlendioxidadsorptionsmittels auf 40–70°C erfolgt. Um eine solche Erwärmung zu erzielen, kann das zur Regenerierung verwendete Gas auf etwa 40–70°C erhitzt werden. In diesem Zusammenhang, kann das zur Regenerierung verwendete Gas entspannt sein, das heißt, das verwendet Gas hat einen Druck von ca. 0,5 bar. Sowohl von dem vorstehenden Temperaturbereich als auch von dem angegebenen Druck kann jedoch soweit abgewichen werden, wie eine ausreichende Regenerierung gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Einleitung der verdichteten Luft in die regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit erst dann, wenn die Temperatur des Kohlendioxidadsorptionsmittels der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit unter einer vorbestimmten Temperatur liegt. Dieser Schritt trägt der Tatsache Rechnung, dass eine optimale Regenerierung des Kohlendioxidadsorptionsmittels auf einem anderen Temperaturniveau erfolgt, als die Adsorption von Kohlendioxid aus der verdichteten Luft. Um zu gewährleisten, dass sowohl eine möglichst effiziente Kohlendioxidadsorption als auch eine möglichst effiziente Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung erfolgt, ist es vorteilhaft, die Temperatur des Kohlendioxidadsorptionsmittels an die entsprechende Gegebenheit anzupassen. Dies hat den Vorteil, dass die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung insgesamt effizienter betrieben werden kann.
Eine Absenkung der Temperatur des Kohlendioxidadsorptionsmittels nach der Regenerierung kann dabei auf unterschiedliche Arten erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, die regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit aktiv durch eine entsprechende Kühleinrichtung abzukühlen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den zur Regenerierung verwendeten Stickstoff nach dem Regenerieren des Kohlendioxidadsorptionsmittels für eine vorbestimmte Zeit durch das Kohlendioxidadsorptionsmittel zu leiten, ohne diesen zu erwärmen. Das Kohlendioxidadsorptionsmittel wird somit durch den abgetrennten Stickstoff abgekühlt. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Elemente zum Abkühlen des Kohlendioxidadsorptionsmittels vorgesehen werden müssen. Es ist auch möglich, vor der Verwendung der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit eine vorbestimmte Zeit zu warten, bis sich diese auf die Umgebungstemperatur abgekühlt hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird die Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheiten überwacht. Dies ermöglicht es, die Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheiten kontinuierlich zu erfassen und diese erfassten Werte einer Regelung zur Verfügung zu stellen. Somit ist es möglich, die Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheiten auf die für den laufenden Vorgang, also die Adsorption von Kohlendioxid oder die Regenerierung, auf die optimale Temperatur einzuregeln. Dadurch ist es möglich, sowohl die Adsorption von Kohlendioxid, als auch die Regenerierung der jeweiligen Kohlendioxidadsorptionseinheit möglichst effizient zu gestalten. Indem die Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheiten überwacht wird, ist es des Weiteren möglich, eine Überhitzung der Kohlendioxidadsorptionseinheiten zu vermeiden. Wenn beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion einer vorgeschalteten Heizeinrichtung zum Erwärmen des einzuleitenden Stickstoffs die Temperatur des Stickstoffs einen vorgegebenen Wert übersteigt, so ist es möglich, dass das Kohlendioxidadsorptionsmittel in den Kohlendioxidadsorptionseinheiten übermäßig erwärmt wird und sich dadurch dessen Adsorptionsfähigkeit von Kohlendioxid verschlechtert. Die Temperaturüberwachung der Kohlendioxidadsorptionseinheiten kann demnach mit einer solchen Heizeinrichtung gekoppelt sein und diese entsprechend der erfassten Temperatur abschalten, falls erforderlich. Unter entsprechender Überwachung der Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheiten kann somit eine Überhitzung und daraus resultierende Beschädigung der Kohlendioxidadsorptionseinheiten vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird die verdichtete Luft in die regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit dann eingeleitet, wenn eine vorbestimmte Zeit seit der Regeneration der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit vergangen ist. Die vorbestimmte Zeit seit der Regeneration kann dabei so festgelegt werden, dass sich die regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit, bzw. deren Kohlendioxidadsorptionsmittel, in solchem Maße abkühlt, dass zumindest eine vorgegebene Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheit für eine effiziente Kohlendioxidadsorption nicht überschritten wird. Die vorbestimmte Zeit wird demnach so festgelegt, dass eine entsprechende Abkühlung sicher erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass eine exakte Überwachung der Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheiten nicht erforderlich ist. Demnach kann auf kostengünstige Art und Weise sichergestellt werden, dass die Kohlendioxidadsorptionseinheiten bei der Adsorption von Kohlendioxid in einem optimalen Temperaturbereich arbeiten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird zur Reduzierung der Temperatur der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit abgetrennter Stickstoff aus der Trennvorrichtung mit einer Temperatur verwendet, die niedriger als die Temperatur des Kohlendioxidadsorptionsmittels der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit ist. Zum Abkühlen der Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheit kann demnach der abgetrennte Stickstoff verwendet werden, wenn dieser eine Temperatur aufweist, die unter dem Temperaturniveau der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit, bzw. des darin enthaltenen Kohlendioxidadsorptionsmittels, liegt. Beispielsweise kann der abgetrennte Stickstoff aus der Trennvorrichtung der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit direkt zugeführt werden. Dadurch wird das Abkühlen der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit beschleunigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren einen Schritt zum Entfeuchten der verdichteten Luft aufweisen. Ein Entfeuchten hat den Vorteil, dass die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung effizienter arbeiten kann. Zudem ist es möglich, verdichtete Umgebungsluft in die Vorrichtung einzuleiten.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Luftaufbereitung bereitgestellt, die die folgenden Elemente aufweist:

– einen Verdichter zum Druckbeaufschlagen von Umgebungsluft,
– eine Einlassleitung für druckbeaufschlagte Luft,
– eine stromabwärts der Einlassleitung angeordnete Trennvorrichtung zum Reduzieren des Stickstoffgehalts zumindest eines Teils der druckbeaufschlagen Luft, wobei die Trennvorrichtung eine Membran zum Abtrennen von Stickstoff, einen zweiten Ausgang für das gewonnene Gas mit erhöhtem Sauerstoffgehalt und einen ersten Ausgang zum Ableiten des abgetrennten Stickstoffs aufweist.

Erfindungsgemäß ist im Strömungsverlauf zwischen der Einlassleitung und der Trennvorrichtung eine regenerierbare Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung angeordnet. Dabei kann deren Eingang mit der Einlassleitung verbunden sein und kann deren Ausgang mit der Trennvorrichtung verbunden sein.
Des Weiteren kann die regenerierbare Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung wenigstens zwei Kohlendioxidadsorptionsmittel enthaltende Kohlendioxidadsorptionseinheiten aufweisen. Von diesen Kohlendioxidadsorptionseinheiten kann jede einen Einlass und einen Auslass aufweisen. Auch kann die regenerierbare Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung einen Wegeventilmechanismus aufweisen, der derart eingerichtet ist, dass die Einlässe der wenigstens zwei Kohlendioxidadsorptionseinheiten wechselweise mit dem Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung und der Umgebung verbindbar sind und deren Auslässe wechselweise mit dem Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung und dem zweiten Ausgang der Trennvorrichtung verbindbar sind. Durch diesen Wegeventilmechanismus ist es demnach möglich, unterschiedliche Gasströmungswege vorzusehen.
Zum einen kann der Eingang einer Kohlendioxidadsorptionseinheit mit dem Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden werden. Wie bereits vorstehend beschrieben, befindet sich erfindungsgemäß die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung zwischen dem Trockner und der Trennvorrichtung. In den Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung wird demnach druckbeaufschlagte und entfeuchtete Umgebungsluft eingeleitet. Ist nun der Eingang einer Kohlendioxidadsorptionseinheit mit dem Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden, so wird die druckbeaufschlagte und entfeuchtete Umgebungsluft in diese Kohlendioxidadsorptionseinheit eingeleitet.
Andererseits kann der Einlass der Kohlendioxidadsorptionseinheit mit der Umgebung verbunden werden. Das bedeutet, dass ein in der Kohlendioxidadsorptionseinheit enthaltenes Gas in die Umgebung entweichen kann.
Der Auslass der Kohlendioxidadsorptionseinheit kann dabei mit dem Ausgang der Kohlendioxidadsorptionseinheit verbunden sein. Ist dies der Fall, wird aufgrund der Anordnung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung dann das durch die Kohlendioxidadsorptionseinheit geführte Gas durch den Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung abgegeben und im weiteren Systemverlauf der Trennvorrichtung zugeführt. Das Gas, welches den Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verlässt, hat demnach einen reduzierten Kohlendioxidgehalt.
Andererseits ist der Auslass der Kohlendioxidadsorptionseinheit auch mit dem zweiten Ausgang der Trennvorrichtung verbindbar. Wie bereits vorstehend beschrieben, wird durch den zweiten Ausgang der Trennvorrichtung abgetrennter Stickstoff abgeleitet. Das bedeutet, dass in dem Fall, in dem der Auslass der Kohlendioxidadsorptionseinheit mit diesem zweiten Ausgang der Trennvorrichtung verbunden ist, der abgetrennte Stickstoff der Kohlendioxidadsorptionseinheit zugeführt wird. Der abgetrennte Stickstoff wird somit als Regeneriermittel zur Regenerierung der Kohlendioxidabsorptionseinheit verwendet. Wie sich aus der vorstehend beschriebenen Schaltung des Wegeventilmechanismus ergibt, kann die Umgebungsluft demnach zur Reduzierung des Kohlendioxidgehalts in einer Richtung durch die Kohlendioxidadsorptionseinheit geführt werden, während der abgetrennte Stickstoff in entgegengesetzter Richtung durch die Kohlendioxidadsorptionseinheit geführt werden kann, um diese zu regenerieren.
Gemäß vorstehendem Aufbau kann der Wegeventilmechanismus ein oder mehrere Einlässe mit dem Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung oder der Umgebung verbinden und ein oder mehrere Auslässe mit dem Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung oder dem zweiten Ausgang der Trennvorrichtung verbinden. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig in mehrere Kohlendioxidadsorptionseinheiten Umgebungsluft einzuführen oder auch gleichzeitig in mehrere Kohlendioxidadsorptionseinheiten Stickstoff einzuführen. Somit ist es beispielsweise möglich, durch Parallelschalten von mehreren Kohlendioxidadsorptionseinheiten die Kohlendioxidadsorptionsleistung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung zu erhöhen. Andererseits ist es auch möglich, durch Parallelschaltung mehrerer Kohlendioxidadsorptionseinheiten eine Regenerierung mehrerer Kohlendioxidadsorptionseinheiten vorzunehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hat die Vorrichtung ferner einen Verdichter zum Druckbeaufschlagen von Umgebungsluft, wobei der Verdichter stromaufwärts der Einlassleitung angeordnet ist, um der Einlassleitung druckbeaufschlagte Umgebungsluft zuzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, hat die Vorrichtung einen stromaufwärts der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung angeordneten Trockner zum Entfeuchten der druckbeaufschlagten Luft, wobei der Trockner mit der Einlassleitung verbunden ist, um der Einlassleitung entfeuchtete Luft zuzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hat der Wegeventilmechanismus ein erstes Wegeventil, welches so eingerichtet ist, dass es gleichzeitig einen der Einlässe der Kohlendioxidadsorptionseinheiten mit dem Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung und einen anderen der Einlässe mit der Umgebung verbindet. Des Weiteren hat der Wegeventilmechanismus gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein zweites Wegeventil, welches so eingerichtet ist, dass es gleichzeitig einen der Auslässe der Kohlendioxidadsorptionseinheiten mit dem Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung und einen anderen der Auslässe mit dem zweiten Ausgang der Trennvorrichtung verbindet. Das erste Wegeventil ist demnach so ausgestaltet, dass immer dann, wenn der Einlass einer Kohlendioxidadsorptionseinheit mit dem Eingang Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden wird, der Einlass einer anderen Kohlendioxidadsorptionseinheit mit der Umgebung verbunden wird. Gleichsam führt eine Verbindung eines Auslasses einer Kohlendioxidadsorptionseinheit mit dem Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung durch das zweite Wegeventil zu einer Verbindung eines anderen Auslasses mit dem zweiten Ausgang der Trennvorrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, sind das erste und das zweite Wegeventil so schaltgekoppelt, dass der Auslass derjenigen Kohlendioxidadsorptionseinheit, deren Einlass mit der Umgebung verbunden ist, mit dem zweiten Ausgang der Trennvorrichtung verbunden ist, wodurch diese Kohlendioxidadsorptionseinheit in einen Regenerierzustand gebracht ist, und dass der Auslass derjenigen Kohlendioxidadsorptionseinheit, deren Einlass mit dem Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden ist, mit dem Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden ist, wodurch diese Kohlendioxidadsorptionseinheit in einen Adsorptionszustand gebracht ist. Die beiden Wegeventile sind demnach so geschaltet, dass sich eine Kohlendioxidadsorptionseinheit im Regenerierzustand befindet, während eine andere Kohlendioxidadsorptionseinheit in einem Adsorptionszustand ist.
Im Regenerierzustand wird der Kohlendioxidadsorptionseinheit der aus der Trennvorrichtung abgeleitete Stickstoff durch deren Auslass zugeführt. Diese durchströmt die Kohlendioxidadsorptionseinheit und das darin enthaltene Kohlendioxidadsorptionsmittel verlässt somit die Kohlendioxidadsorptionseinheit durch deren Einlass und wird in die Umgebung abgeleitet.
Bei der Kohlendioxidadsorptionseinheit, welche sich im Adsorptionszustand befindet, wird druckbeaufschlagte und entfeuchtete Umgebungsluft durch deren Einlass eingeleitet. Diese wird durch die Kohlendioxidadsorptionseinheit bzw. das darin befindliche Kohlendioxidadsorptionsmittel geleitet und durch deren Auslass der Trennvorrichtung zugeführt. Durch diese Schaltanordnung der beiden Wegeventile ist demnach ein kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung möglich. Dabei kann ohne nennenswerte Unterbrechung der Erzeugung von aufbereiteter Luft zwischen unterschiedlichen Kohlendioxidadsorptionseinheiten umgeschaltet werden, wobei durch eine Kohlendioxidadsorptionseinheit eine Kohlendioxidadsorption erfolgt, während eine andere Kohlendioxidadsorptionseinheit regeneriert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, weist die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung ferner ein Heizmittel zum Erwärmen des Kohlendioxidadsorptionsmittels der zu regenerierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit auf. Für jedes Kohlendioxidadsorptionsmittel gibt es eine Temperatur, bei der die Kohlendioxidadsorption besonders effizient erfolgt. Insbesondere in kalten Umgebungen, in denen die Vorrichtung betrieben wird, kann es daher vorteilhaft sein, das Kohlendioxidadsorptionsmittel zu erwärmen, um eine optimale Kohlendioxidadsorption sicherzustellen. Des Weiteren kann das Kohlendioxidadsorptionsmittel für die Regenerierung auf eine optimale Temperatur erwärmt werden. Diese Temperatur zum Regenerieren kann über der Temperatur zum Adsorbieren von Kohlendioxid liegen. Ist dies der Fall, ist es vorteilhaft das Heizmittel zu verwenden, um das Kohlendioxidadsorptionsmittel auf die gewünschte Temperatur für die Regenerierung zu erwärmen. Es ist vorteilhaft, wenn das Heizmittel eine Heizung zum Erwärmen des abgetrennten Stickstoffs aufweist, die zwischen dem zweiten Ausgang der Trennvorrichtung und dem zweiten Wegeventil angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann der erwärmte Stickstoff dazu verwendet werden, um das Kohlendioxidadsorptionsmittel der zu regenerierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit zu erwärmen. Ist das Kohlendioxidadsorptionsmittel ein Granulat, welches sich in der Kohlendioxidadsorptionseinheit befindet, so hat dies den Vorteil, dass der erwärmte Stickstoff dieses Granulat durchströmt und eine gute Erwärmung des Kohlendioxidadsorptionsmittels erreicht werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann das Heizmittel eine Heizung zum direkten Erwärmen des Kohlendioxidadsorptionsmittels aufweisen. Eine solche Heizung kann beispielsweise die Kohlendioxidadsorptionseinheit insgesamt erwärmen. Handelt es sich bei der Kohlendioxidadsorptionseinheit beispielsweise um einen Behälter, in dem ein Granulat als Kohlendioxidadsorptionsmittel enthalten ist, so kann der Behälter durch die Heizung erwärmt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, weitere Heizelemente, die in dem Granulat vorgesehen sind, zu erwärmen, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Kohlendioxidadsorptionsmittels zu erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hat jede Kohlendioxidadsorptionseinheit einen Druckbehälter, in dem das Kohlendioxidadsorptionsmittel in entgegengesetzten Richtungen durchströmbar untergebracht ist. Im Falle dass ein Granulat als Kohlendioxidadsorptionsmittel verwendet wird, kann dieses zwischen zwei Sieben angeordnet sein, um zu verhindern, dass das Kohlendioxidadsorptionsmittel aus dem Druckbehälter entweicht. Vorzugsweise sind die Druckbehälter dabei durch eine Druckausgleichsleitung miteinander verbunden. Die Verbindung der Druckbehälter untereinander durch eine Druckausgleichsleitung ist vorteilhaft, da diese ermöglicht, dass bei einem Umschalten der Druckbehälter von einem Regenerierzustand in einen Adsorptionszustand der Druck des einen Behälters mit dem Druck des anderen Behälters ausgeglichen werden kann. Des Weiteren ist in der Druckausgleichsleitung ein Druckausgleichsventil vorgesehen, welches ein Absperrventil ist. Durch Öffnen und Schließen dieses Absperrventils kann ein Druckausgleich ermöglicht oder verhindert werden.
Vorteilhafterweise ist das erste Wegeventil über eine Ablassleitung mit der Umgebung verbunden. Am Ende dieser Ablassleitung kann ein Schalldämpfer vorgesehen sein. Des Weiteren kann in der Ablassleitung ein Ablassventil, welches ein Absperrventil ist, vorgesehen sein. Durch Öffnen und Schließen des Ablassventils kann eine Verbindung mit der Umgebung unterbrochen werden.
Ein vorteilhafter Umschaltvorgang in der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung, bei dem die Kohlendioxidadsorptionseinheiten durch die Wegeventile von einem Adsorptionszustand in einen Regenerationszustand gebracht werden und umgekehrt, kann folgendermaßen erfolgen. Zunächst wird das Druckausgleichsventil geöffnet und vorzugsweise wird gleichzeitig das Ablassventil geschlossen. Dadurch strömt druckbeaufschlagte Luft aus der zu regenerierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit in die regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit, wodurch ein Druckausgleich zwischen beiden Kohlendioxidadsorptionseinheiten stattfindet.
Sobald der Druck ausgeglichen ist, werden die beiden Wegeventile umgeschaltet, so dass der Einlass der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit mit dem Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden wird und der Auslass der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit mit dem Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden wird. Durch den Druckausgleich vor dem Umschalten der Wegeventile hat die regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit bereits einen Innendruck, der dem Druck am Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung entspricht. Sobald Einlass und Auslass der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit mit dem Eingang bzw. Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden sind, wird die Kohlendioxidadsorption fortgesetzt und das abgegebene Gas unmittelbar mit einem Druck ausgegeben, welcher vor dem Umschalten am Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung herrschte. Die zu regenerierende Kohlendioxidadsorptionseinheit hat beim Umschalten ebenfalls ein Druckniveau, welches dem Druckniveau entspricht, mit dem die verdichtete Luft in die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung eingeleitet wird. Unmittelbar nach dem Umschalten der Wegeventile, bei dem die zu regenerierende Kohlendioxidadsorptionseinheit in den Regenerierzustand gebracht wird, wird das Druckausgleichsventil geschlossen und das Ablassventil geöffnet. Das in der zu regenerierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit auf Überdruckniveau befindliche Gas wird somit äußerst rasch in die Umgebung abgegeben. Es kann dabei zu einer Art Knall kommen. Dieser schnelle Druckabbau in der im Regenerierzustand befindlichen Kohlendioxidadsorptionseinheit hat den Vorteil, dass durch die Gasströmung ein Teil des gebundenen Kohlendioxids mitgerissen wird.
Um bei dem vorstehend beschriebenen Umschalten mit Druckausgleich eine Verringerung des Volumenstroms am Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung zu vermeiden, kann im Strömungsverlauf vor der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung und nach dem Einlass ein Überströmventil vorgesehen sein. Dies ist beispielsweise wichtig, wenn dem Kohlendioxid nachgeordnet ein Verdichter angeordnet ist, der eine kontinuierliche Eingangsströmung benötigt. Das Überströmventil kann die der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung eingeleitete Luftmenge auf einen festgelegten Wert regeln. Dabei kann ein Teil der Luft an die Umgebung abgegeben werden. Dem Überströmventil kann also eine gegenüber der in der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung gewünschten Menge größere Menge Luft zugeführt werden. Erfolgt nun ein Druckausgleich zwischen den Kohlendioxidadsorptionseinheiten, so kann das vorgeschaltete Überströmventil den reduzierten Volumenstrom am Ausgang ausgleichen, indem es entsprechend weniger Luft an die Umgebung abgibt. Dadurch kann ein verminderter Volumenstrom am Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird das vorstehend beschriebene Verfahren in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung von aufbereiteter Luft gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 zeigt schematisch den Aufbau einer Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung, welche in dem in 1 gezeigten Aufbau verwendet werden kann.
3 zeigt die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung aus 2 in einem weiteren Schaltzustand.
4 zeigt schematisch einen alternativen Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung aufbereiteter Luft.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung von aufbereiteter Luft zeigt. Der nachfolgend beschriebene Aufbau eignet sich besonders gut zur Erzeugung sauerstoffangereicherter Atemluft. Zunächst wird der grundlegende Aufbau der Vorrichtung anhand der Darstellung in 1 erläutert.
Die in 1 darstellte Vorrichtung zur Erzeugung von aufbereiteter Luft hat einen Verdichter V1, welcher an einem Eintritt bzw. Einlass 21 für verdichtete Umgebungsluft angeschlossen ist. Der Verdichter hat vorgegebene Eigenschaften, welche den Nenndruck sowie die Durchsatzleistung der verdichteten Luft umfassen. In Strömungsrichtung nach dem Eintritt 21 für verdichtete Umgebungsluft ist ein Kältetrockner 4 angeordnet. Dieser Kältetrockner 4 kann einen integrierten Kondensatableiter aufweisen. Das abgeleitete Kondensat wird einem Sammelbehälter 19 zugeführt. Der Kältetrockner 4 kühlt die eintretende verdichtete Umgebungsluft soweit ab, dass durch Unterschreiten des Taupunkts das in der Luft enthaltene Wasser ausfällt und somit aus der Luft entfernt werden kann.
In Strömungsrichtung nach dem Kältetrockner 4 ist eine Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 vorgesehen. In diese Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 strömt die druckbeaufschlagte und entfeuchtete Umgebungsluft ein. Die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 reduziert den Kohlendioxidgehalt der eingeleiteten Umgebungsluft.
In Strömungsrichtung nach der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 ist eine Trennvorrichtung 20 angeordnet. Die Trennvorrichtung hat einen Eingang 13a für die verdichtete und entfeuchtete Umgebungsluft, eine Membran 13 zum Abtrennen von Stickstoff, einen ersten Ausgang 13b zum Ableiten des abgetrennten Stickstoffs und einen zweiten Ausgang 13c für das gewonnene Gas mit erhöhtem Sauerstoffgehalt. Wie in 1 gezeigt ist, ist der erste Ausgang 13b mit der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 verbunden. Dadurch ist es möglich, der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 den in der Membran 13 abgetrennten Stickstoff zuzuführen. Die sauerstoffangereicherte Atemluft wird über den zweiten Ausgang 13c abgegeben. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der vorstehend beschriebenen Anlagenkomponenten erfolgt somit eine Reduzierung des Kohlendioxidgehaltes vor der Trennung in der Membran 13. Wünschenswerterweise arbeitet die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 dabei in einem Überdruckbereich von ca. 7 bis 13, vorzugsweise 7 bis 10 bar.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 näher erläutert.
Der Aufbau der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 wird zunächst unter Bezugnahme auf 2 genau erklärt. Wie aus 2 ersichtlich ist, hat die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 eine erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 und eine zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24.
Die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 hat einen Druckbehälter 23c, einen Einlass 23a und einen Auslass 23b. Des Weiteren hat die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 ein Thermometer 23d und ein Druckmessgerät 23e. Der Druckbehälter 23c der ersten Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 ist mit einem Kohlendioxidadsorptionsmittel (nicht gezeigt) gefüllt. Das Kohlendioxidadsorptionsmittel kann granulatförmig sein. In diesem Fall kann vorteilhafterweise vor und nach dem Kohlendioxidadsorptionsmittel jeweils ein Sieb angeordnet sein, um einen Austritt des Kohlendioxidadsorptionsmittels aus dem Druckbehälter 23c zu vermeiden. In der Praxis kann es sich bei dem Druckbehälter 23c um einen stehenden Druckbehälter handeln. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung, befindet sich der Einlass eines solchen stehenden Druckbehälters 23c am unteren Ende, so dass das in den Einlass eingeleitete Gas diesen Behälter von unten nach oben durchströmt. Das Sieb zwischen dem Kohlendioxidadsorptionsmittel und dem Einlass 23a kann zweckmäßigerweise als Siebboden ausgebildet sein, welcher das Kohlendioxidadsorptionsmittel auffängt und das eintretende Gas gleichmäßig auf das Kohlendioxidadsorptionsmittel verteilt. Bei einer stehenden Anordnung des Druckbehälters 23c ist der Auslass 23b zweckmäßigerweise am oberen Ende des Druckbehälters 23c angeordnet. Dort kann das zweite Sieb montiert sein, um zu verhindern, dass das Kohlendioxidadsorptionsmittel von der Strömung mitgerissen wird. Ein Partikelfilter 34 ist im Ausgang 22b der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 angeordnet.
Die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit hat gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen identischen Aufbau. Genauer gesagt hat die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 einen Druckbehälter 24c, einen Einlass 24a, einen Auslass 24b sowie ein Thermometer 24d und ein Druckmessgerät 24e. Der Innenaufbau bzw. die Füllung des Druckbehälters 24c mit Kohlendioxidadsorptionsmittel entspricht demjenigen bzw. derjenigen der ersten Kohlendioxidadsorptionseinheit 23. Der Einlass 23a der ersten Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 und der Einlass 24a der zweiten Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 sind über Druckleitungen 38, 39 mit einem ersten Wegeventil 25 verbunden. Das erste Wegeventil 25 ist mit dem Eingang 22a der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 verbunden. Des Weiteren ist das erste Wegeventil 25 über eine Ablassleitung 37 mit der Umgebung verbunden. In der Ablassleitung 37 sind ein Ablassventil 31 und ein Schalldämpfer 30 angeordnet, durch die das aus dem ersten Wegeventil 25 strömende Gas in die Umgebung abgelassen werden kann.
Das erste Wegeventil 25 ist zwischen zwei Schaltstellungen umschaltbar. In 2 ist eine erste Schaltstellung gezeigt. Befindet sich das erste Wegeventil 25 in dieser ersten Schaltstellung, so ist der Eingang 22a der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 mit der Druckleitung 38 verbunden und ist die Ablassleitung 37 mit der Druckleitung 39 verbunden, welche zum Einlass 24a der zweiten Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 führt.
Die Auslässe der Kohlendioxidadsorptionseinheiten 23b, 24b sind über Druckleitungen 40, 41 mit einem zweiten Wegeventil 26 verbunden. Des Weiteren ist der zweite Ausgang 13b der Trennvorrichtung 20 mit dem zweiten Wegeventil verbunden. In der Leitung des zweiten Ausgangs 13b ist eine Heizung 27 angeordnet. Des Weiteren ist das zweite Wegeventil 26 mit dem Ausgang 22b der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 verbunden. Das zweite Wegeventil 26 ist ebenfalls zwischen zwei Positionen schaltbar. In einer ersten Stellung, wie sie in 2 gezeigt ist, ist das zweite Wegeventil 26 so geschaltet, dass der erste Ausgang 13b mit der Druckleitung 41 und damit dem Auslass 24b der zweiten Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 verbunden ist. Gleichzeitig ist in dieser Schaltstellung der Ausgang 22b der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 über die Druckleitung 40 mit dem Auslass 23b der ersten Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 verbunden. In der zweiten Schaltstellung des zweiten Wegeventils 26, wie sie in 3 gezeigt ist, steht die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 in Verbindung mit dem Ausgang 22b der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 und ist der erste Ausgang 13b der Trennvorrichtung 20 mit der ersten Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 verbunden. Die Umschaltung des ersten Wegeventils 25 ist an die Umschaltung des zweiten Wegeventils 26 gekoppelt. Durch gemeinsames Umschalten der beiden Wegeventile kann demnach zwischen dem in 2 gezeigten Zustand und dem in 3 gezeigten Zustand umgeschaltet werden.
Wie sich aus 2 unmittelbar ergibt, werden durch den dort gezeigten Schaltzustand der beiden Wegeventile 25, 26 zwei Strömungswege festgelegt. Zum einen kann eine Strömung von dem Eingang 22a durch die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 zu dem Ausgang 22b erfolgen. Andererseits ist eine Strömung von dem ersten Ausgang 13b durch die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 in die Ablassleitung 37 möglich. Im Gesamtsystem von 1 betrachtet, bedeutet dies, dass die durch den Verdichter V1 druckbeaufschlagte und durch den Kältetrockner 4 getrocknete Umgebungsluft durch die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 hindurchströmt und anschließend die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 durch den Ausgang 22b verlässt. Der Kohlendioxidgehalt der druckbeaufschlagten und entfeuchteten Umgebungsluft wird somit beim Hindurchströmen durch die Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 reduziert. Die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 befindet sich deshalb in einem Adsorptionszustand.
Außerdem strömt in diesem Schaltzustand der in der Trennvorrichtung 20 abgetrennte Stickstoff durch die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24, verlässt diese durch deren Einlass 24a und wird durch die Ablassleitung 37 an die Umgebung abgegeben. Wie sich aus 2 auch ergibt, ist die Strömungsrichtung des Stickstoffs durch die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23. Durch das Hindurchleiten von Stickstoff durch die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 wird das im Kohlendioxidadsorptionsmittel gebundene Kohlendioxid herausgelöst und aus der zweiten Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 entfernt. Die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 befindet sich daher in einem Regenerierzustand.
Wie sich aus 3 ergibt, werden durch Umschalten der beiden Wegeventile 25, 26 die in 2 herrschenden Zustände der beiden Kohlendioxidadsorptionseinheiten 23, 24 ebenfalls umgeschaltet. Genauer gesagt befindet sich die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 bei dem in 3 gezeigten Ventilschaltzustand in einem Regenerierzustand und die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 befindet sich in einem Adsorptionszustand. Indem zwischen den beiden in den 2 und 3 gezeigten Zuständen wechselweise hin- und hergeschaltet wird, ist es möglich, den Kohlendioxidgehalt der Umgebungsluft kontinuierlich zu reduzieren, während gleichzeitig eine Regenerierung einer Kohlendioxidadsorptionseinheit erfolgt.
Der Betrieb der vorstehend beschriebenen Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 wird nachfolgend beschrieben. Die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 befindet sich zunächst in dem in 2 gezeigten Zustand. Genauer gesagt befindet sich die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 in einem Adsorptionszustand und befindet sich die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 in einem Regenerierzustand. Beide Kohlendioxidadsorptionseinheiten 23, 24 sind so ausgelegt, dass im Adsorptionszustand jede Kohlendioxidadsorptionseinheit dazu in der Lage ist, beispielsweise über einen Zeitraum von 60 Minuten Kohlendioxid zu adsorbieren. Gleichzeitig ist das System so ausgelegt, dass eine Regenerierung und anschließende Abkühlung der Kohlendioxidadsorptionseinheiten 23, 24 ebenfalls innerhalb dieser Zeit möglich ist. Nach einer Betriebszeit von 60 Minuten wird das in 2 gezeigte System somit in den in 3 gezeigten Zustand umgeschaltet. Innerhalb der vorstehenden Betriebszeit erfolgt in der ersten Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 durchgehend eine Kohlendioxidadsorption. Der Kohlendioxidgehalt des durchströmenden Gases wird dabei reduziert. Gleichzeitig erfolgt eine Regenerierung der zweiten Kohlendioxidadsorptionseinheit 24, indem dieser abgetrennter Stickstoff durch den ersten Ausgang 13b der Trennvorrichtung 20 zugeführt wird. Der Stickstoff wird durch eine Heizeinrichtung 27 erhitzt, um den Regenerationsprozess zu beschleunigen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt für eine Zeitdauer von 45 Minuten eine Erwärmung des abgetrennten Stickstoffs, bevor dieser in die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 eingeleitet wird. Das in der Kohlendioxidadsorptionseinheit enthaltene Kohlendioxidadsorptionsmittel wird dadurch auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht, die ein effizientes Regenerieren des Kohlendioxidadsorptionsmittels ermöglicht. Im Anschluss an das zuletzt beschriebene Erwärmen des abgetrennten Stickstoffs für 45 Minuten, auch als Heizzyklus bezeichnet, folgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Abkühlzyklus, welcher 15 Minuten andauert. In diesem Abkühlzyklus wird die Heizeinrichtung 27 deaktiviert, so dass der abgetrennte Stickstoff mit einer geringeren Temperatur in die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 eingeleitet wird. Dadurch wird die Temperatur der zweiten Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 bzw. des darin enthaltenen Kohlendioxidadsorptionsmittels reduziert. Das System kann dabei so abgestimmt sein, dass auch während des Abkühlens eine weitere Regenerierung des Kohlendioxidadsorptionsmittels erfolgt. Es ist auch möglich, das System so auszugestalten, dass eine vollständige Regenerierung während des Heizzyklus erfolgt.
Nach der hier beispielhaft genannten Betriebsdauer von 60 Minuten ist es nun erforderlich, die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 zu regenerieren. Zu diesem Zweck erfolgt eine Umschaltung der beiden Wegeventile 25, 26, in die in 3 gezeigten Stellungen. Anschließend folgt ein weiterer Betriebszyklus von 60 Minuten, wobei nun die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 Kohlendioxid adsorbiert und die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 regeneriert wird. Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau dauert die Umschaltung weniger als eine Minute. Nachfolgend wird der Umschaltvorgang genauer beschrieben.
Wird bestimmt, dass eine Umschaltung erforderlich ist, so wird zunächst ein Druckausgleichsventil 29, welches sich in einer Druckausgleichsleitung 28 befindet, geöffnet. Die Druckausgleichsleitung 28 verbindet die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 mit der zweiten Kohlendioxidadsorptionseinheit 24. Ist nun das Druckausgleichsventil 29 geöffnet, so kann die der ersten Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 zugeführte druckbeaufschlagte Luft die Ausgleichsleitung 28 durchströmen und in die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 gelangen. Gleichzeitig wird mit dem Öffnen des Druckausgleichsventils 29 ein Ablassventil 31, welches sich in der Ablassleitung 37 befindet, geschlossen. Ein Teil der in der erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 druckbeaufschlagten Luft verlässt diese somit über die Ausgleichsleitung 28 und strömt in die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24. Vorteilhafterweise werden die Leitungen und Kohlendioxidadsorptionseinheiten so gewählt, dass ein Druckausgleich innerhalb von 30 bis 60 Sekunden möglich ist. Durch den vorstehend beschriebenen Druckausgleich steigt der Druck in der zweiten Kohlendioxidadsorptionseinheit 24. Ein solcher Anstieg kann beispielsweise durch entsprechende Sensoren erfasst werden. Nach erfolgtem Druckausgleich werden das erste Wegeventil 25 und das zweite Wegeventil 26 umgeschaltet und werden nachfolgend das Ablassventil 31 geöffnet und das Druckausgleichsventil 29 geschlossen. Die erste Kohlendioxidadsorptionseinheit 23 befindet sich nun im Regenerationszustand und die zweite Kohlendioxidadsorptionseinheit 24 befindet sich nun im Adsorptionszustand. Nach erneutem Verstreichen der Zykluszeit von hier beispielsweise 60 Minuten, erfolgt eine erneute Umschaltung des Systems in den in 2 gezeigten Schaltzustand. Die Zykluszeit ist hier beispielhaft auf 60 Minuten festgelegt. Je nach Ausgestaltung der Kohlendioxidadsorptionseinheiten können jedoch unterschiedliche Zykluszeiten gewählt werden. Wichtig ist in diesem Zusammenhang lediglich, dass die Adsorptionszeit und die Regenerierzeit der beiden Kohlendioxidadsorptionseinheiten aufeinander abgestimmt sind, so dass eine vollständige Regenerierung einer Kohlendioxidadsorptionseinheit möglich ist, während die andere Kohlendioxidadsorptionseinheit Kohlendioxid adsorbiert.
Statt eines starren Zeitzyklus kann auch ein Sensor vorgesehen werden, welcher den Verschlechterungszustand der adsorbierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit erfasst. Ist eine Regenerierung dieser Kohlendioxidadsorptionseinheit erforderlich, so gibt dieser Sensor ein entsprechendes Signal aus, welches einen entsprechenden Umschaltvorgang auslöst.
Durch das vorstehend beschriebene System ist somit eine kontinuierliche Produktion von sauerstoffangereicherter Atemluft möglich. Das vorstehend beschriebene System wurde in Bezug auf dessen wesentliche Merkmale beschrieben. Wie sich aus 1 jedoch ergibt, kann das System zusätzliche Elemente aufweisen, die nachfolgend beschrieben werden.
Wie dies in 1 gezeigt ist, kann nach dem Eintritt bzw. Einlass 21 für verdichtete Umgebungsluft eine Filtereinrichtung 2 mit einem elektronischen Kondensatableiter vorgesehen sein. Die Filtereinrichtung 2 kann eingerichtet sein, um Feststoffe und andere Fremdstoffe, wie Flüssigkeiten, aus der verdichteten Umgebungsluft zu filtern und aus der Strömung abzuführen. Die abgeführten Feststoffe sowie Flüssigkeiten in der Form des Kondensats können einem Kondensatabscheider zugeführt werden, der in 1 mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet ist.
In Strömungsrichtung nach der Filtereinrichtung 2 kann ein Sicherheitsventil 3 vorgesehen sein, dass sich bei Überschreiten eines eingestellten Drucks öffnet und die verdichtete Luft in die Umgebung abbläst. Beispielsweise kann das Sicherheitsventil mit einem Öffnungsdruck von 11 bar eingerichtet sein. Beide Elemente können somit nach dem Verdichter V1 und vor dem Kältetrockner 4 angeordnet sein.
In Strömungsrichtung nach dem Kältetrockner 4 kann ein Überströmventil 5 angeschlossen sein. Dieses Überströmventil 5 ist in dem in 1 gezeigten Beispiel mit einem Schalldämpfer versehen. Die Funktion des Überströmventils 5 steht im Zusammenhang mit der Funktionsweise des anzuschließenden Verdichters V1. Durch das Überströmventil 5 wird bewirkt, dass ein intermittierender Betrieb des angeschlossenen Verdichters V1 vermieden werden kann. Unter Inkaufnahme eines geringfügig verringerten Wirkungsgrads kann somit die Lebensdauer des Verdichters erhöht werden, indem intermittierende Betriebssituationen vermieden werden.
In Strömungsrichtung nach dem Überströmventil 5 kann eine Filterkaskade vorgesehen sein. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Filterkaskade aus drei Filterelementen 6, 7, 8. Die Filterelemente sind im Ausführungsbeispiel in 1 bezogen auf die Strömungsrichtungen in Reihe angeordnet. Dabei kann die Filterung durch die drei in Reihe geschalteten Filterelemente stufenweise durchgeführt werden. In dem ersten Filterelement 6 kann somit eine grobe Vorfilterung vorgenommen werden. In dem darauffolgenden Filterelement 7 kann eine feinere Filterung durchgeführt werden. Eine höchstfeine Filterung kann in dem daran anschließenden Filterelement 8 vorgenommen werden. Das Filterelement 8 kann als Aktivkohlefilter ausgebildet sein. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die Filterkaskade unmittelbar vor der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22.
Der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 nachgeordnet ist ein Druckreduzierventil 9 vorgesehen. Dieses Druckreduzierventil 9 kann einstellbar sein und bewirkt, dass ein vorgegebener Ausgangsdruck am Ausgang des Druckreduzierventils 9 beibehalten wird. Dieser Druck kann durch ein Druckmessgerät 10 überwacht werden, dass den Druck in Strömungsrichtung hinter dem Druckreduzierventil 9 erfasst.
Im Anschluss an das Druckreduzierventil 9 kann eine Druckluftheizung 11 vorgesehen sein. Die Druckluftheizung 11 kann eine elektrische Heizung mit einem elektrischen Heizelement sein. Durch die Druckluftheizung ist es möglich, die Ausgangstemperatur am Austritt der Druckluftheizung 11 auf eine vorgegebene Temperatur zu regeln. Eine Überwachung der Temperatur der Druckluft am Austritt der Druckluftheizung 11 kann durch ein Thermometer 12 erfolgen.
Die vorstehend beschriebene Trennvorrichtung 20 ist an den Austritt der Druckluftheizung 11 angeschlossen.
An der Leitung des zweiten Ausgangs 13c der Trennvorrichtung 20 kann ein Sicherheitsventil 15 für Überdruck angeschlossen sein. Dieses Sicherheitsventil 15 öffnet, sobald der Druck einen vorbestimmten Wert übersteigt, um die Vorrichtung vor Überdruck zu schützen.
Ferner kann an der Leitung des zweiten Ausgang 13c ein Sicherheitsventil 16 für Unterdruck beziehungsweise Vakuum angeschlossen sein. Dieses Sicherheitsventil 16 öffnet, sobald der Druck einen vorbestimmten Wert unterschreitet, um die Vorrichtung vor Unterdruck beziehungsweise Vakuum zu schützen. Insbesondere bei Ausfall des Verdichters V1 oder Verstopfung des Systems soll verhindert werden, dass durch Betrieb einer später beschriebenen Befüllvorrichtung V2 ein Vakuum erzeugt wird, das die Vorrichtung schädigen könnte.
Außerdem kann an der Leitung des zweiten Ausgangs 13c ein Manometer 17 zum Messen des Drucks im zweiten Ausgang 13c angeschlossen sein. Mit diesem Manometer 17 kann der Druck innerhalb der Leitung gemessen werden, in der sauerstoffangereicherte Luft abgeleitet wird.
Am Austritt des zweiten Ausgangs 13c kann eine Befüllvorrichtung V2 angeschlossen sein, die im Wesentlichen einen Verdichter umfasst. Insbesondere wird der Eintritt eines Verdichters an den Austritt des zweiten Ausgangs 13c angeschlossen. Dieser Verdichter kann die sauerstoffangereicherte Atemluft aufnehmen und kann diese in einem verdichteten Zustand zur Weiterverarbeitung, insbesondere zur Befüllung von Tauchflaschen o.ä. weiterleiten. Wird ein solcher Verdichter am Austritt des zweiten Ausgangs 13c verwendet, so ist es wichtig im zweiten Ausgang 13c einen konstanten Volumenstrom bereitzustellen. Um dies zu gewährleisten, ist es erforderlich zu vermeiden, dass es bei einem Umschaltvorgang in der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung zu einem Druckabfall bzw. verminderten Volumenstrom am Ausgang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung kommt und der Verdichter V2 ein Vakuum generiert. Dies kann durch Vorsehen des vorstehend beschriebenen Überströmventils 5 vermieden werden. Wird in der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung ein Teil der druckbeaufschlagten Luft für den Druckausgleich abgezweigt, kann das vorstehend beschriebene Überströmventil 5 dafür sorgen, dass der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung entsprechend mehr druckbeaufschlagte Luft zugeführt wird, um die abgezweigte Luftmenge auszugleichen.
Der erste Ausgang 13b kann ein Drosselventil 14 aufweisen. Dieses Drosselventil 14 kann bewirken, dass in der Trennvorrichtung 20, insbesondere am Eintritt 13a der Membran 13, ein ausreichender Druck herrscht, der für die Funktion der selektiven Membran 13 geeignet ist. Durch das Drosselventil 14 kann insbesondere bewirkt werden, dass die verdichtete Umgebungsluft, die in den Eingang 13a der Trennvorrichtung 20 eintritt, mit Druck durch die selektive Membran geleitet werden kann. Der Austritt des Drosselventils 14 ist mit der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 verbunden, um den hauptsächlich aus Stickstoff bestehenden Gasstrom in die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 zu leiten. Wie bereits vorstehend beschrieben wird der hauptsächlich aus Stickstoff bestehende Gasstrom, auch als abgetrennter Stickstoff bezeichnet, zur Regulierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 verwendet.
Die gesamte Vorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist, weist eine definierte Betriebsweise auf, die im Stand der Technik bisher nicht möglich war. Insbesondere durch die gezielte Anordnung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 ist es möglich, sauerstoffangereicherte Atemluft mit stark reduziertem Kohlendioxidgehalt zu erzeugen. Gleichzeitig ist es durch die Verwendung mehrerer Kohlendioxidadsorptionseinheiten möglich, kontinuierlich sauerstoffangereicherte Atemluft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt zu erzeugen. Die Verwendung regenerierbarer Kohlendioxidadsorptionseinheiten hat zudem den Vorteil, dass die gesamte Anlage lange Zeit kostengünstig betrieben werden kann, da die regenerierbaren Kohlendioxidadsorptionseinheiten lange Zeit verwendet werden können.
Während in 1 ein System gezeigt ist, welches der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung druckbeaufschlagte und entfeuchtete Umgebungsluft zuführt, kann die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung 22 auch direkt an ein Druckluftsystem angeschlossen werden, welches druckbeaufschlagte und entfeuchtete Luft bereitstellt. In diesem Fall kann auf den Verdichter und den Trockner vor der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verzichtet werden.
Auch ist es nicht erforderlich, den gesamten aus der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung abgeleiteten Volumenstrom in eine Trennvorrichtung einzuleiten. Vielmehr ist es auch möglich, nur einen Teilstrom der Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt einer Trennvorrichtung zuzuführen, um darin den für die Regenerierung benötigten Stickstoff abzutrennen. Ein solcher Aufbau ist in 4 gezeigt. Bei dem dort gezeigten Aufbau ist ein Druckluftsystem, welches druckbeaufschlagte und entfeuchtete Umgebungsluft bereitstellt, mit dem Einlass 21 der Luftaufbereitungsvorrichtung verbunden. Der Einlass 21 ist mit einer Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung verbunden, wie sie vorstehend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben ist. Der Ausgang 22b der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung kann mit einem Endverbraucher oder einem Zwischenspeicher verbunden sein und leitet die gewonnene Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt ab. Im Unterschied zu der vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Vorrichtung zweigt der Eingang 13a der Trennvorrichtung von dem Ausgang 22b ab, ermöglicht also die Entnahme eines Teilstroms aus Leitung 22b. Dieser Teilstrom wird dann der Membran 13 zugeführt. Der abgetrennte Stickstoff wird dann über den ersten Ausgang 13b der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung zugeführt. Das abgetrennte Restgas mit reduziertem Stickstoffgehalt wird über den zweiten Ausgang 13c und über die Ablassleitung 37 in die Umgebung abgeleitet.
Insgesamt sind somit ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, die eine hocheffiziente Erzeugung von sauerstoffangereicherter Atemluft gestatten.

Claims

Luftaufbereitungsverfahren mit den Schritten Bereitstellen von verdichteter Luft, Reduzieren des Kohlendioxidgehalts der verdichteten Luft in einer Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22), Einleiten zumindest eines Teils der Luft mit reduziertem Kohlendioxidgehalt in eine Trennvorrichtung (20), die eine Membran (13) zum Abtrennen von Stickstoff enthält, Ableiten von sauerstoffangereicherter Luft aus der Trennvorrichtung (20), Ableiten von abgetrenntem Stickstoff aus der Trennvorrichtung (20), und zumindest abschnittsweises Regenerieren der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) mit zumindest einem Teil des abgetrennten Stickstoffs.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt Bestimmen ob eine Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) erforderlich ist, wobei bestimmt wird, dass die Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) erforderlich ist, wenn festgestellt wird, dass sich deren Adsorptionsleistung verschlechtert hat.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei festgestellt wird, dass sich die Adsorptionsleistung verschlechtert hat, wenn eine vorbestimmte Betriebszeit der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) seit der letzten Regeneration verstrichen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei festgestellt wird, dass sich die Adsorptionsleistung verschlechtert hat, wenn der Kohlendioxidgehalt des aus der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) abgeleiteten Gases einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) wenigstens zwei Kohlendioxidadsorptionsmittel enthaltende Kohlendioxidadsorptionseinheiten (23, 24) aufweist, und wobei während der Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) wenigstens eine der Kohlendioxidadsorptionseinheiten (23, 24) regeneriert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei während der Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) wenigstens eine der Kohlendioxidadsorptionseinheiten (23, 24) Kohlendioxid adsorbiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Kohlendioxidadsorptionsmittel der zu regenerierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) für das Regenerieren erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der für die Regenerierung der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) verwendete Stickstoff auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Einleitung der verdichteten und entfeuchteten Umgebungsluft in die regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) erst dann erfolgt, wenn die Temperatur des Kohlendioxidadsorptionsmittels der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) unter einer vorbestimmten Temperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Temperatur der Kohlendioxidadsorptionseinheiten (23, 24) überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die verdichtete Luft in die regenerierte Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) dann eingeleitet wird, wenn eine vorbestimmte Zeit seit der Regeneration der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) vergangen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei zur Reduzierung der Temperatur der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) abgetrennter Stickstoff aus der Trennvorrichtung (20) mit einer Temperatur verwendet wird, die niedriger als die Temperatur des Kohlendioxidadsorptionsmittels der regenerierten Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt Entfeuchten der verdichteten Luft vor der Einleitung der Luft in die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22).
Vorrichtung zur Luftaufbereitung, mit: einer Einlassleitung für druckbeaufschlagte Luft, einer stromabwärts der Einlassleitung angeordneten Trennvorrichtung (20) zum Reduzieren des Stickstoffgehalts zumindest eines Teils der druckbeaufschlagten Luft, wobei die Trennvorrichtung (20) eine Membran (13) zum Abtrennen von Stickstoff, einen ersten Ausgang (13b) zum Ableiten des abgetrennten Stickstoffs und einen zweiten Ausgang (13c) für das gewonnene Gas mit erhöhtem Sauerstoffgehalt aufweist, wobei im Strömungsverlauf zwischen der Einlassleitung und der Trennvorrichtung (20) eine regenerierbare Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) angeordnet ist, deren Eingang mit der Einlassleitung verbunden ist und deren Ausgang mit der Trennvorrichtung (20) verbindbar ist, wobei die regenerierbare Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung wenigstens zwei Kohlendioxidadsorptionsmittel enthaltende Kohlendioxidadsorptionseinheiten (23, 24), von denen jede einen Einlass (23a, 24a) und einen Auslass (23b, 24b) aufweist, und einen Wegeventilmechanismus aufweist, wobei der Wegeventilmechanismus derart eingerichtet ist, dass die Einlässe (23a, 24a) der wenigstens zwei Kohlendioxidadsorptionseinheiten (23, 24) wechselweise mit dem Eingang (22a) der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) und der Umgebung verbindbar sind und deren Auslässe (23b, 24b) wechselweise mit dem Ausgang (22b) der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) und dem ersten Ausgang (13b) der Trennvorrichtung (20) verbindbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, ferner mit einem Verdichter (V1) zum Druckbeaufschlagen von Umgebungsluft, wobei der Verdichter (V1) stromaufwärts der Einlassleitung angeordnet ist, um der Einlassleitung druckbeaufschlagte Umgebungsluft zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei stromaufwärts der Kohlendioxidadsorptionseinrichtung ein Trockner (4) zum Entfeuchten der druckbeaufschlagten Luft angeordnet ist, wobei der Trockner (4) mit der Einlassleitung verbunden ist, um der Einlassleitung druckbeaufschlagte und entfeuchtete Umgebungsluft zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Wegeventilmechanismus ein erstes Wegeventil (25) aufweist, welches so eingerichtet ist, dass es gleichzeitig einen der Einlässe (23a, 24a) der Kohlendioxidadsorptionseinheiten (23, 24) mit dem Eingang (22a) der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) und einen anderen der Einlässe (23a, 24a) mit der Umgebung verbindet, und ein zweites Wegeventil (26) aufweist, welches so eingerichtet ist, dass es gleichzeitig einen der Auslässe (23b, 24b) der Kohlendioxidadsorptionseinheiten (23, 24) mit dem Ausgang (22b) der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) und einen anderen der Auslässe (23b, 24b) mit dem ersten Ausgang (13b) der Trennvorrichtung (20) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das erste und das zweite Wegeventil (25, 26) so schaltgekoppelt sind, dass der Auslass derjenigen Kohlendioxidadsorptionseinheit, deren Einlass mit der Umgebung verbunden ist, mit dem ersten Ausgang (13b) der Trennvorrichtung (20) verbunden ist, wodurch diese Kohlendioxidadsorptionseinheit in einen Regenerierzustand gebracht ist, und dass der Auslass derjenigen Kohlendioxidadsorptionseinheit, deren Einlass mit dem Eingang der Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) verbunden ist, mit dem Ausgang Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) verbunden ist, wodurch diese Kohlendioxidadsorptionseinheit in einen Adsorptionszustand gebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Kohlendioxidadsorptionsvorrichtung (22) ferner ein Heizmittel zum Erwärmen des Kohlendioxidadsorptionsmittels der zu regenerierenden Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Heizmittel eine Heizung (27) zum Erwärmen des abgetrennten Stickstoffs aufweist, die zwischen dem ersten Ausgang (13b) der Trennvorrichtung (20) und dem zweiten Wegeventil (26) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Heizmittel eine Heizung zum direkten Erwärmen des Kohlendioxidadsorptionsmittels umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei jede Kohlendioxidadsorptionseinheit (23, 24) einen Druckbehälter aufweist, in dem das Kohlendioxidadsorptionsmittel in entgegengesetzten Richtungen durchströmbar untergebracht ist, wobei die Druckbehälter vorzugsweise über eine Druckausgleichsleitung (28) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22 durchgeführt wird.