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Vorrichtung zum Fraktionieren von Gasgemischen durch Adsorption Es
ist bekannt, zur Entfernung adsorbierbarer Bestandteile aus strömenden Gasgemischen
durch Adsorption und anschließende Desorption die Desorption zu einem Zeitpunkt
abzubrechen, welcher in der Nähe des Zeitpunktes liegt, bei dem die Beladung des
Spülgases mit dem desorbierten Bestandteil absinkt. Wenn dieses Verfahren mit einem
einzigen Adsorptionsgefäß durchgeführt wird, kann das durch Adsorption gereinigte
Gas nicht kontinuierlich gewonnen werden, da die Adsorption und die Desorption sich
periodisch abwechseln müssen.
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Man ist daher dazu übergegangen, mit mehreren Adsorptionsbehältern
zu arbeiten, die periodisch auf Adsorption und Desorption geschaltet werden. Ein
solches bekanntes Verfahren zur Abtrennung adsorbierbarer Bestandteile aus Gasgemischen
mittels periodisch wechselbarer, durch adsorbatfreies Spülgas teilweise regenerierter
Adsorbentien besteht darin, daß man das Adsorbens nur bis zu einem unter 50°/o seiner
Gleichgewichtsbeladung und unter 900/0 seiner Durchbruchsbeladung liegenden Wert
auflädt und dann auf den zweiten inzwischen teilweise regenerierten Behälter umschaltet,
während der erste mit überschüssigem Spülgas in entgegengesetzter Richtung teilentladen
wird, wobei Umschaltzeiten zwischen 5 und 30 Minuten angewandt werden.
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Es ist ferner ein Verfahren zum adiabatischen Fraktionieren von Gasgemischen
bekannt, bei welchem das Gasgemisch in einer zur Ausbildung des Gleichgewichtszustandes
nicht ausreichenden Periode bei einem bestimmten Druck durch das Adsorptionsmittel
geleitet und dabei der nicht adsorbierte Teil des Gemisches abgezogen wird, die
Strömung dann unterbrochen und der auf dem Adsorptionsmittel lastende Druck vermindert
wird, sodann in einer zweiten Periode das bei der Druckminderung freigesetzte Desorbat
in der der Strömungsrichtung des Gasgemisches in der ersten Periode entgegengesetzten
Richtung aus dem Adsorptionsmiftelbehälter abgezogen und dabei gleichzeitig ein
Teil des in der ersten Periode abgezogenen, nicht adsorbierten Teiles des Gasgemisches
von der gleichen Seite des Adsorptionsmittelbehälters, von der es in der ersten
Periode abgezogen wurde, d. h. in der Strömungsrichtung des in der zweiten Periode
abgezogenen Desorbates, wieder in den Adsorptionsmittelbehälter zurückgeleitet und
zusammen mit dem Desorbat von der entgegengesetzten Seite des Behälters abgezogen
wird, worauf die Vorgänge periodisch wiederholt werden. Zur kontinuierlichen Durchführung
dieses Verfahrens waren bisher ebenfalls zwei Adsorptionsmittelbehäl-
ter erforderlich,
die abwechselnd und periodisch betrieben wurden.
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Es wurde gefunden, daß man mit einer einzigen, mit einem selektiven
Adsorptionsmittel gefüllten Säule mit Zu- und Abführungsleitungen an gegenüberliegenden
Stellen auskommen kann, aber trotzdem, ebenso wie bei der herkömmlichen, mit zwei
Adsorptionsgefäßen arbeitenden Vorrichtung, einen stetigen Strom eines angereicherten
oder gereinigten Produktgases erhält, wenn erfindungsgemäß eine Speicherkammer mit
einer Abführungsleitung, in der ein Regelventil liegt, und einem bei höherem Druck
einen Stromkreis öffnenden, bei niederem Druck den Stromkreis schließenden Druckschalter,
mit der eine mit Adsorptionsmittel gefüllten Säule über eine Leitung, in der ein
das Zurückströmen in die Säule verhinderndes Rückschlagventil liegt, und über eine
Leitung, in der ein Ventil liegt, das sich in Richtung der Säule öffnet, wenn der
Druck in der Speicherkammer größer ist als in der Säule, verbunden ist, ein Steuerzylinder,
der eine zur Säule führende Leitung, eine in die Atmosphäre führende Leitung, eine
zu einem Kompressor führende Leitung und einen Steuerkolben hat, der über einen
vermittels des Druckschalters betätigten Magneten derart bewegt wird, daß bei erregtem
Magneten das Gasgemisch über die Leitungen und den Behälter strömt und bei nicht
erregtem Magneten die Leitung zum Behälter mit der zur Atmosphäre führenden Leitung
verbunden ist, und durch einen den Kompressor in Abhängigkeit von dem Druckschalter
über einen Magneten schaltenden Schalter, vorgesehen ist.
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Im Vergleich zu der adiabatischen, mit zwei Adsorptionsgefäßen arbeitenden
Gasfraktioniervorrichtungen üblicher Bauart gestattet diese Vorrichtung eine leichtere
Durchführung des Fraktioniervorganges je nach dem Bedarf an einem angereicherten
oder gereinigten Gasprodukt an der Verbrauchsstelle.
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Nachstehend wird die Vorrichtung an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine teilweise die baulichen Einzelheiten zeigende und
teilweise schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der die
elektrischen Schalter und mechanischen Ventile in der Stellung dargestellt sind,
in der sie sich befinden, wenn die Fraktionierzone auf Adsorption geschaltet ist;
F i g. 2 zeigt die elektrischen Schalter und mechanischen Ventile der Vorrichtung
gemäß Fig. 1 in der Stellung, in der sie sich befinden, wenn die Fraktionierzone
auf Desorption geschaltet ist.
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Gemäß F i g. 1 wird der Luftkompressor 10 durch den Elektromotor
12 angetrieben und ist mit der Ansaugleitung 14, dem Ansaugfilter 16 und der Förderleitung
18 ausgestattet. Die Förderleitung verbindet den Kompressor mit dem Abscheider 20,
in dem größere Flüssigkeitsmengen, wie Wasserdampfkondensat und mitgerissenes Schmieröl,
aus dem Luftstrom abgeschieden werden.
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Die Druckluftleitung 22 ist eine Fortsetzung der Förderleitung 18
und erstreckt sich von der Austrittsseite des Abscheiders 20 zu einem Steuerzylinder
26 mit einem Kolben 28. Der Steuerzylinder 26 besitzt drei Öffnungen 26 a, 26b und
26 c. Die noch druckluftleitung 22 mündet über die Öffnung 26a in den Zylinder.
Von der Öffnung 26b führt die Leitung 30 zur Fraktioniersäule 32. Diese besteht
aus dem Behälter 34, der mit dem Adsorptionsmittel 36 gefüllt ist. Die Öffnung 26
c des Steuerzylinders 26 ist durch die Abblaseleitung 38 mit der Außenluft oder
einem anderen Raum von verhältnismäßig niedrigem Druck verbunden.
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Der Steuerkolben 28 besitzt einen Mittelteil von geringerem Durchmesser.
Seine Endteile passen genau in die Bohrung des Steuerzylinders 26 hinein und können
mit kompnmierbaren Ringen zur Erzielung einer gasdichten Abdichtung gegen die Innenfläche
des Ventilgehäuses ausgestattet sein. In F i g. 1 befindet sich der Steuerkolben
28 in einer solchen Stellung, daß er den Durchgang des Gases zwischen den Öffnungen
26a und 26 b, d. h. zwischen den Leitungen 22 und 30, gestattet, eine Strömung von
der Öffnung 26a oder der Öffnung 26 b zur Öffnung 26 c, d. h. von der Leitung 22
oder 30 zur Leitung 38, jedoch verhindert.
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Der Steuerzylinder 26 wird durch das elektrische Solenoid 40 betätigt.
Dieses besteht aus der Spule 42, der Kolbenstange 44 und dem Hubbegrenzungsanschlag
46 auf der Kolbenstange. Die Spule 44 befindet sich in fester räumlicher Anordnung
gegenüber dem Ventilgehäuse 26. An ihrem den Anschlag 46 benachbarten Ende ist die
Kolbenstange 44 derart mit dem Ventilkolben 28 verbunden, daß sie auf den Kolben
einen Zug und einen Schub ausüben kann.
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An ihrem dem Anschlag 46 abgewandten Ende ist die Kolbenstange44 mit
einem Ende der Zugfeder 48 verbunden, die mit ihrem anderen Ende an einem Fundament
befestigt ist. Wenn die Elektromagnetspule 42 unter Strom gesetzt wird, wird die
Kolben-
stange 44 gegen die Kraft der Feder 48 in die Spule hineingezogen.
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Von demjenigen Ende des Behälters 34 der Fraktioniersäule 32, welches
dem mit der Leitung 30 verbundenen Ende gegenüberliegt, erstreckt sich nach außen
hin die Leitung 50, die zur Ableitung des Durchlaufs und zur Einleitung des Regeneriermittels
dient. Diese Leitung gabelt sich in zwei Zweigleitungen 52 und 54, die beide mit
der Speicherkammer 56 verbunden sind. In der Zweigleitung 52 befindet sich das Drosselventil
58 und das Entspannungsventil 60, und zwar das letztere näher an der Speicherkammer.
In der Zweigleitung 54 befinden sich das Drosselventil 62 und das Rückschlagventil
64, und zwar das letztere näher an der Speicherkammer.
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Wenn die Drosselventile 58 und 62 teilweise offen sind, lassen sie
eine Gasströmung in beiden Richtungen je nach der Richtung der Gasdruckdifferenz
durch. Das Entspannungsventil 60 ist so eingestellt, daß es sich nur öffnet, wenn
der Druck auf der Seite der Speicherkammer 56 um einen bestimmten Betrag größer
ist als der Druck auf der Seite der Fraktionierzone 32, z. B. um 3,4 atü. Das Ventil
60 kann sich wieder schließen und den Strom in der Zweigleitung 52 absperren, wenn
die Druckdifferenz die gleiche oder geringer ist als diejenige, bei der es sich
öffnet. Das Rückschlagventil 64 ist so angeordnet, daß es das Gas nur in Richtung
von der Fraktionierzone zur Speicherkammer 56 durchströmen läßt.
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Dieses Rückschagventil kann durch leichten Federdruck belastet sein,
um sicher zu gehen, daß es sich auch dann schließt, wenn überhaupt keine Druckdifferenz
vorhanden ist, so daß der Druck unterhalb des Ventils 64 in der dargestellten Lage
größer ist als oberhalb des Ventils. Das Rückschlagventil 64 braucht nur auf eine
sehr geringe Druckdifferenz in der entsprechenden Richtung anzusprechen, um die
Strömung durch die Zweigleitung 54 zu ermöglichen.
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Von der Speicherkammer 56 nach außen erstreckt sich die Produktabzugsleitung
66. In dieser befinden sich die ziemlich dicht an der Speicherkammer das Absperrventil
68 und das Regelventil 70, welches an der Austrittsseite einen konstanten Druck
innehält.
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Das Absperrventil 68 ist entweder vollständig offen oder vollständig
geschlossen. Das Regelventil 70 ist vorteilhaft einstellbar, um die Innehaltung
eines konstanten Druckes an seiner Austrittsseite zu ermöglichen, vorausgesetzt
natürlich, daß der Druck in der Speicherkammer 56 hierfür groß genug ist und daß
das Absperventil 68 offen ist.
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An der Speicherkammer 56 ist eine Abblaseleitung 72 angeschlossen.
Diese steht, ebenso wie die Abblaseleitung 38 des durch die Magnetspule betätigten
Steuerzylinders, mit der Außenluft in Verbindung und besitzt ein Absperrventil 74
und ein Drosselventil 76. Das Absperrventil 74 ist entweder vollständig offen oder
vollständig geschlossen. Das Drosselventil 76 kann so eingestellt werden, daß es
eine gewünschte Ausströmungsgeschwindigkeit des aus der Speicherkammer 56 ausströmenden
Gases je nach dem in der Speicherkammer herrschenden Druck gewährleistet, vorausgesetzt
natürlich, daß das Absperrventil 74 offen ist. Die Abblaseleitung 72 mit ihren Ventilen
74 und 76 hat die Aufgabe, das Adsorptionsmittelbett 36 in der Fraktionierzone 32
zu konditionieren.
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Der elektrische Strom zum Betrieb des Motors 12 wird über die Leitungen
78 und 80 durch die an den
Klemmen T, und T2 liegende Spannung V,
geliefert.
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Zwischen der Klemme T1 und dem Motor 12 ist die Leitung 78 durch die
Klemmen oder Schaltpunkte T3 und T4 unterbrochen. Ebenso ist die Leitung 80 durch
die Klemmen oder Schaltpunkte T5 und T6 unterbrochen. Um den Motor 12 unter Strom
zu setzen, werden die Schaltpunkte T2 und T4 durch die Schaltstange 82 und die Schaltpunkte
T5 und T6 durch die Schaltstange 84 verbunden. Die Öffnung und Schließung des Stromkreises
an den Schaltpunkten in den Leitungen 78 und 80 durch diese Schaltstangen erfolgt
mit Hilfe des elektrischen Solenoids 86. Dieses Solenoid besteht aus der Spule 88,
der Kolbenstange 90 und dem Hubegrenzungsanschlag 92 auf der Kolbenstange. Die Spule
88 befindet sich in fester räumlicher Anordnung gegenüber den Schaltpunkten Tg,
T4, T5 und T6. An oder nahe ihrem dem Anschlag 92 benachbarten Ende ist die Kolbenstange
90 mit den Schaltsangen 82 und 84 versehen. An ihrem dem Anschlag 92 abgewandten
Ende ist die Kolbenstange 90 mit einem Ende der Zugfeder 94 verbunden, deren anderes
Ende an einem Fundament befestigt ist. Wenn die Magnetspule 88 unter Strom gesetzt
wird, wird die Kolbenstange 90 gegen die Kraft der Feder 94 in die Spule hineingezogen.
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Der elektrische Strom zum Betrieb der Solenoide 40 und 86 wird über
die Leitungen 96 und 98 durch die an den Klemmen T7 und T8 liegende Spannung V2
geliefert. Die Leitungen 96 und 98 sind an den Verzweigungsstellen Jl bzw. J2 gegabelt
und laufen von dort zu den Magnetspulen 42 und 88, so daß diese Spulen an den Klemmen
T7 und T2 in Parallelschaltung angeschlossen sind. Zwischen der Klemme T8 und der
Verbindungsstelle J2 ist die Leitung98 durch die inneren Anschluß- oder Schaltpunkte
des Druckschalters 100 unterbrochen, der über den kurzen Rohrnippel 102 mit der
Speicherkammer 56 in Gasdruckverbindung steht.
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Der Druckschalter100 ist in an sich bekannter Weise ausgebildet und
besitzt eine Schaltstange, die die inneren Kontaktpunkte normalerweise schließt,
bis auf den Schalter ein bestimmter, verhältnismäßig hoher Druck ausgeübt wird,
und die den Kontakt zwischen den Schaltpunkten öffnet und in der Offenstellung verbleibt,
bis der auf dem Schalter lastende Druck auf einen bestimmten, verhältnismäßig niedrigen
Wert zurückgegangen ist, bei welchem der Stromkreis durch die Kontaktpunkte wieder
geschlossen wird. Beim praktischen Betrieb kann der Öffnungsdruck des Schalters
100 z. B. 5,5 atü und der Schließungsdruck 2,7 atü betragen. Zweckmäßig sind die
Öffnungs- und Schließungsdrucke des Schalterms 100 verschieden einstellbar. Vorzugsweise
sind sie auch unabhängig voneinander einstellbar. Wie sich aus F i g. 1 ergibt,
ist der Druckschalter 100 so angeordnet, daß er den Stromkreis zwischen den inneren
Kontaktpunkten geschlossen hält, wenn bei stetigem Antrieb des Kompressors 10 durch
den Elektromotor 12 der Druck in der Speicherkammer 56 steigt und das primäre Durchlaufgas
durch die Zweigleitung 54 in die Speicherkammer mit einer größeren Massenströmungsgeschwindigkeit
eintritt als derjenigen, mit der Gas aus der Speicherkammer durch die Produktleitung
66 austritt, wenn das Absperrventil 74 geschlossen ist. Zweckmäßig, jedoch nicht
notwendigerweise, ist die Speicherkammer 56 auch mit einem Druckmesser 104 ausgestattet.
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Es sei angenommen, daß der Gasdruck in der Speicherkammer 56 so weit
gestiegen ist, daß der Druckschalter 100 sich öffnet. Wenn dieser Schalter sich
öffnet, wird die Stromzufuhr zu den Magnetspulen 42 und 88 unterbrochen, die Zugfedern48
und 94 ziehen die Kolbenstangen 44 bzw. 90 nach links bzw. rechts, bis die Bewegung
der Kolbenstangen durch die Anschläge 46 bzw. 92 zum Stillstand kommt und der in
F i g. 2 dargestellte Zustand erreicht ist. Im Gegensatz zu F i g. 1 hat die Kolbenstange
44 in Fig. 2 den Steuerkolben 28 so weit nach links bewegt, daß die Ventilöffnungen
26 a und 26b nun mit der Öffnung 26c und mithin über die Abblasleitung 38 mit der
Außenluft in Verbindung stehen. Durch die Bewegung nach rechts hat die Kolbenstange
90 auch den Kontakt der Schaltstange 82 mit den Kontaktpunkten T3 und T4 und den
Kontakt der Schaltstange 84 mit den Kontaktpunkten T5 und T6 unterbrochen.
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Da nun die Öffnungen 26a und 26c miteinander in Verbindung stehen,
wird der Gasdruck an der Förderseite des Kompressors 10 durch Abblasen über die
Leitung 22, den Abscheider 20 und die Leitung 18 zur Außenluft hin entspannt. Der
Kompressor selbst ist bereits infolge der Unterbrechung der Stromzufuhr zum Motor
12 durch die Öffnung des Stromkreises in den Leitungen 78 und 80 mittels der Kontaktstangen
82 und 84 zum Stillstand gekommen. Da auch die Öffnung 26b mit der Öffnung 26c in
Verbindung steht, wird auch der auf den Druckschalter 100 über den Nippel 102 von
der Speicherkammer 56 her wirkende Druck entspannt, wenn Leitung 30, Fraktionierzone
32, Leitung 50, Leitung 52 und die darin befindlichen Ventile und mithin auch die
Speicherkammer zur Außenluft hin abblasen.
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Das Abblasen der Speicherkammer 56 über die Leitung 52 dauert so
lange an, wie die Druckdif3erenz an dem Entspannungsventil 60 noch groß genug ist,
um dieses Ventil offen zu halten. Wenn dieses Ventil sich erst einmal geschlossen
hat, kann immer noch Gas aus der Speicherkammer durch die Produktabzugsleitung 66
entweichen, wodurch ein weiterer Druckabfall in der Speicherkammer erfolgt.
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Schließlich wird ein verhältnismäßig niedriger Druck in der Speicherkammer
56 erreicht, bei dem sich der Schalter 100 schließt und der Stromfluß durch die
Magnetspulen 42 und 88 wieder hergestellt wird.
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Wenn diese Spulen sich unter Strom befinden, ist der in F i g. 1 dargestellte
Zustand wieder hergestellt, d. h., die Kolbenstange 44 bewegt den Ventilkolben 28
nach rechts und bringt die Ventilöffnungen 26a und 26b wieder miteinander in Verbindung,
und die Kolbenstange 90 bewegt die Schaltstangen 82 und 84 nach links, so daß die
entsprechenden Kontaktpunkte wieder geschlossen werden und der Motor 12 wieder den
Kompressor 10 antreibt.
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Bei jeder Ausführungsform besteht die Fraktionierzone aus einem zylinderförmigen
Behälter oder Mantel, der mit dem für die gewünschte Gasfraktionierung geeigneten
Adsorptionsmittel gefüllt ist. Zur Entfernung von Wasserdampf aus Luft kann als
Adsorptionsmittel z. B. Kieselsäuregel verwendet werden. Der Mantel der Fraktionierzone
ist mindestens etwas kürzer als der Mantel der Speicherkammer und kann einen mehrfach
geringeren Durchmesser als der letztere haben. Wenn diese Teile zusammengesetzt
sind, sind drei Zutrittsöffnungen
zur Fraktionierzone vorhanden,
durch die das gasförmige Material strömen kann, eine am unteren oder Bodenende der
Zone und zwei am oberen oder Kopfende je nach dem Einbau in einer bevorzugten Orientierung.
Die Fraktionierzone ist auf der obenerwähnten Bodenendplatte befestigt und erstreckt
sich senkrecht nach oben von dieser Platte, wobei die Zutrittsöffnung am unteren
Ende der Zone mit demjenigen Kanal in der Endplatte in Verbindung steht, der den
zuerst genannten, in Sehnenrichtung verlaufenden Kanal etwa am toten Ende desselben
trifft.