DE1454556A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Zusammensetzung der Luft in geschlossenen Raeumen - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Zusammensetzung der Luft in geschlossenen Räumen

Für diese Anmeldung werden die Prioritäten το« 2. Juli 1963 aas der USA-Patentanmeldung Serial No. 292 23Θ, τοα 20. Juli 1963 aus der USA-Patentanmeldung Serial No. 298 647ι το« 4. NoTeaber 1963 aus der USA-Patentanmeldung Serial No. 321 272 und το« 6. Januar 1964 aus der US A.-Patentanmeldung Serial No. 336 007

in Anspruch genommen.

Die Brfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung eur Steuerung der Luf teuaanunsnoetzung in geschlossenen Räu»*n, die eich ale Wohnräuae, besonders für Menschen, aber auch für IMt/re, eignen, eowle auch in goeehloeeenen Räumen, dit als Lafc■'.träume fUr Nahrungaaittel_r Blumen und andere, leicht rordorbend" stoffe verwendet werden. An besten eignet sich die Erfindu^vig*zur Steuerung der Menge de ο Sauerstoffs in gesohlos8«ii«n

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Räumen, wie Zimmern, Zelten, Gebäuden usw., die sich als ■■■'■ menschliche Wohnräume eignen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es ermöglichen, unter gesteuerten Bedingungen eine an Sauerstoff angereicherte Atmosphäre zu erhalten, die sich besonders für Personen eignet, welche der Heilbehandlung bedürfen. Gewöhnlich benötigen Patienten, die an Lungenleiden, wie Emphysem oder.auf Blutstauungen beruhenden Herzfehlern, leiden, zum Einatmen eine Luft, die bis 50 $>, gewöhnlieh im Bereich von etwa 30 bis 40 yS Sauerstoff enthält, während der Sauerstoffgehalt in normaler Luft nur etwa 21 io beträgt. Der Patient, der den höheren Sauerstoffgehalt in der Luft benötigt, musste bisher entweder in ein Sauerstoffzelt eingeschlossen werden oder eine tragbare Sauerstoffatemvorrichtung verwenden, wobei die Versorgung in beiden Fällen aus Sauerstoffbehältern erfolgt.

Man hat zwar schon reinen Bombensauerstoff verwendet, um den Sauerstoffgehalt in Wohnräumen unmittelbar zu erhöhen; dies war jedoch nicht sehr zufriedenstellend. Die Methode ist nämlich sehr kostspielig, erfordert viele Handgriffe und ist mit Feuersund Explosionsgefahr verbunden. Ausserdem müssen die Sauerstoffbomben oder -zylinder ständig ausgewechselt werden. In allen diesen sowie auch vielen anderen Hinsichten bieten das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung bedeutende Vorteile.

Die durch die Erfindung zur Verfügung gestellte neue Klimatisierung gestattet nicht nur eine wirksamere Behandlung von Pa-

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tienten, da diese sich nun unbeschränkt bewegen können, sondern sie trägt auch in hohem Grade zum physischen und seelischen Wohlbefinden des Patienten bei. Sie liefert eine angenehme, klimatisierte, an Sauerstoff angereicherte Atmosphäre in des gleichen Saum, in dem der Patient untergebracht ist.

Verfahren und Torrichtung gemäßs der Erfindung sind nicht auf die Befriedigung menschlicher Bedürfnisse beschränkt. Z.B. kann die Aktivität von Haustieren durch geeignete Einstellung des Verhältnisses von-Sauerstoff zu Stickstoff mit Hilfe von Adsorptionsverfahren in Scheunen oder sonstigen Bäumen, in denen Tiere untergebracht sind, so geregelt werden, dass die höchste Produktivität erzielt wird.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung können auch verwendet werden, um die Menge an Kohlendioxyd in eine» Zimmer oder einem sonstigen geschlossenen Baum, der als Lagerraum für Fleisch, Früchte, Blumen oder Gemüse dient, zu erhöhen. Ia Gewächshaus oder ähnlichen Anlagen wird an Kohlendioxyd angereicherte Luft zur Beschleunigung des Pflanzenwachstum verwendet.

Sine bevorzugte Aueführungeform der Erfindung wird nachstehend kurz beschrieben.

Eine ohne Erhitzer arbeitende Adsorptionsanlage, die sich innerhalb oder ausserhalb des Zimmers befinden kann, wird so angeordnet, dass aus einem Ende der Anlage ein angereicherter Sauerstoffatom als primärer Durchlauf austritt und in das Ziemer gelangt, während der unerwünschte Stickstoff ausserhalb des

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Zimmers abgeführt wird. Bsi der besonders bevorzugten Ausführungsform dex· Erfindung wird für die ohne Wärmezufuhr arbeitende Adsorptionsanlage ein Adsorptionsmittel gewählt, welches Stickstoff adsorbiert und Sauerstoff durchlasst. Das Adsorptionsmittel wird in der Anlage periodisch der Druckentspannung unterworfen und mit einem Teil des Produktes gespült. Die Druckentspannung entfernt den gröasten Teil des Stickstoffs aus dem Adsorptionsmittel, !Der Rest wird dureh die Spülwirkung des als Spülgas verwendeten Seiles des Produktes entfernt« Das aus dem Adsorptionsmittel abgezogene Gemisch aus Spülgas und desorbiertem Adsorbat wird nachstehend als sekundärer Durchlauf bezeichnet. Dieser wird aus der Anlage ausgetragen und an eine Stelle ausserhalb des Zimmers abgeführt,

Nach einer anderen Ausführungsform kann man Adsorptionsmittel verwenden^ die für Sauerstoff selektiv sind. In diesem Falle wird der primäre Durchlauf aus dem Zimmer abgeleitet und der sekundäre Durehlauf in das Simmer geleitet»

Für die Stickstoffadsox'ption geeignete Adsorptionsmittel sind Molekularsiebe der Gattungen 5A, 13X, 1OX, Chabazit, Analei t, AluminiuDJOxyd;. Kieselsäuregel, Holzkohle, Graphit, Bentonit und dergleichen. Für die Sauerstoffadsorption kann man ζ .B. ein Molekularsieb der Gattung 4A verwenden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.

BAD OBJSSNAL — 4 .-909808/0349

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer ohne Wärmezufuhr arbeitenden Adsorptionsanlage in einem Gehäuse;

Pig» 2 ist eina soheinatiBOhe Darstellung einer Vorrichtung gemäss der Erfindung und 3eigt die örtlich« Anordnung der in Fig. 1 abgebildeten» ohne Wärmezufuhr arbeitenden Adsorptionsvorrichtung in Beeug auf ein Zimmer;

3?ig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung geiaäss der Erfindung und zeigt die Anordnung der in Pig. 1 abgebildeten, ohne Wärmezufuhr arbeitenden Adsorptionsvorrichtung in einem Zimmer;

?ig„ 4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäss der Erfindung und soigfe die Verbindung einer mit eine« einzigen AdsorptioiisraittsXgefäss ohne Wärmezufuhr arbeitenden Adsorptionsanlage mit einen Zimmer.

In allen oben genannten Abbildungen ist das Zimmer mit 30 beseiuhnet. Me ohne Wäx*ui3zufuhr arbeitenden Adeorptionsanlagen gemäss Fig. 2 und 3 besitzen die gleiche Bau- und Arbeitsweise und unterscheiden eich nur duroh ihre 'Irtliohe Anordnung in Bezug su dem Zimmer und die dadurch bedingte Anordnung der Veri ndungsleitungen.

Die A<isorptioi2agefä36«e ι und 2 in fig, ί sind praktisch vo.n ständig mit einem für Stickstoff selektiven Adsorptionsmitte gefUl. fe. B«iö.6f Gefässe gind mit Leitungen zum Durchtritt

3 ι uiihsbr.iideli;eK oder behandelten Gasen und zur sonstigen Förrt.a■·: Λ£ 3i .ser Gase in dem System ausgestattet. Die Leitungen 5 md 6 vine, kombinierte Sufuär- und Spül'ieitungen für die Gefässe

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1 bzw. 2, unddie Leitungen 7 und 8 dienen zur Abführung dee primären Durchlauf3. Die leitungen 5 und 6 sind an ihren äusseren Enden mit einer gemeinsamen Einlass-Verzweigungsleitung verbunden, während die Leitungen 7 und 8 mit einer gemeinsamen AusXass-Yerzweigungsleitung 10 verbunden sind. Die Leitung 11 zur -Einführung des gasförmigen Ausgangsgutes mündet in die Einlas s-Verzweigimgsleitung 9 ein, während die Leitung 12 mit der Auslass-Verzweigungsleitung 10 in Verbindung steht und den Austritt des Durchlaufs aus der Vorrichtung gestattet. In diesem Falle ist der primäre Durchlauf an Sauerstoff angereicherte Luft.

Die zur Strömungsumsohaltung bestimmten Dreiwegventile und i4 befinden sich in der Leitung 9 an den der Einmündungsstelle der Zuführleitung Γ- entgsgengesetsten Enden, und zwar zwischen dieser Einmündungsstelle und den Leitungen 5 und 6. In der Leitung 9 befinden sich ferner die Rückschlagventile 9a und 9b zwischen, der Einmündungsstelle der Zufuhrleitung 11 und den Ventilen 13 und 14. Die RückschlagTentile 9a und 9b gestatten die Strömung nur in der dureh die Pfeile angezeigten Richtung.

Die Auslassleitungen 15 und 16 dienen zur Abführung des sekundären Durchlaufs aus den Gefässen 1 und 2. Die Leitungen 15 und 16 stehen über die Versweigungsleitung 18 mit der gemeinsamen Auslassleit\mg i? in Verbindungο

Die Ventile "<3 und 14 sind vorzugsweise für die selbsttätige periodische Botätigung vorgoBeben, so dass sie abwechselnd eines der Gefässe \ und 2 über die itungen 5 bsw* 6 und die

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/⁶O:

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Verzweigungsleitung 9 mit der Zufuhrleitung 11 oder der Abzugsleitung 15 bzw. 16 verbinden.

Die Leitungen 7 und 8 münden in die Verzweigungsleitung _v10 ein, von der die Leitungen 12 und 21 abgezweigt sind. In der Leitung 21 befindet sich das Druckminderungsventil 21a. Dieses Ventil 21a kann ein Druckdifferenz-Steuerungsventil sein, welches die Druckdifferenz zwischen seiner Einlass- und seiner Auslassöffnung konstant hält. Die Strömung durch das Ventil 21a findet in der Pfeilrichtung statt. In der Querverbindung 22 befinden sich die RückschlagTentile 22a und 22b, die die Gasströmung nur in Sichtung zu den Leitungen 7 und 8 hin, nicht aber in der umgekehrten Richtung, gestatten. Die Rückschlagventile 7a und 8a verhindern die Strömung durch die Leitungen 7 bzw. 8 zu den Gefässen 1 'bzw. 2 hin.

Die ohne Wärmezufuhr arbeitende Adsorptionsvorrichtung gemäss Pig. 1 befindet sich vorzugsweise in einem Gehäuse 24. Die Leitungen 11, 12 und 17 verbinden die in dem Gehäuse 24 befindliche Adsorptionsvorrichtung mit der Umgebung des Gehäuses 24. Die Vorrichtung gemäss Pig. 1 arbeitet folgendermassen:

Unter verhältnisraässig hohem Druck stehende Luft tritt durch Leitung 11 ein und strömt in das Gefäss 2, welches mit einem Adsorptionsmittel für Stickstoff beschickt ist. Der Stickstoff wird an dem Adsorptionsmittel im Gefäss 2 adsorbiert, und der primäre Durchlauf strömt aus dem Gefäss 2 durch die Leitungen 8 und 10 aus. Der grössere Teil des Durchlaufs tritt aus der Anlage durch Leitung 12 aus. Der kleinere Teil des Durch-

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laufe gelangt über die leitungen 21, 22 und 7 In das Gefäss 1, welches unter einem verhältnlsmässig niedrigen Druck steht. Dieser Teil des Produktes nimmt im Gefäss 1 adsorbierte Komponenten auf rnid führt si® mit sich durch die Leitungen 5 und 15 aus der Anlage dureb Leitung 17 hinaus. Die Arbeitsweise wechselt periodisch so ab, dass Luft unter Druek durch Leitung 11 über Leitung 5 in das Gefäss 1 gelangt, während gleichzeitig aus dem Gefäss 2 der durch den Spülstrom erzeugte sekundäre Durchlauf bei Teriiältnismäsaig niedrigem Druck durch Leitung 6 in die Leitung 17 abgeführt wird,

Gemäss Fig. 2 wird der an Sauerstoff angereicherte primäre Durchlauf strom durch Leitung 12 in das Zimmer geleitet. Die für daa Verfahren benötigte Ausgangsluft wird durch Leitung 11 zugeführt, während das Abgas durch Leitung 17 ausströmt. In Fig. wird die von der Anlage benötigte Luft von der Aussenseite des Zimmers her durch Leitung rl zugeführt, während das Abgas den Raum durch Leitung 17 verlässt. Die Leitung 11 kann sich aber auch innerhalb des Zimmers befinden, so dass der Adsorptionsanlage ein Gas mit höherem Sauerstoffgehalt als die gewöhnliche Luft zugeführt wird. Zusätzliche Luftmengen gelangen durch Undichtigkeiten in das Zimmer»

Die in Mg. 4 dargestellte Arbeitsweise mit einer nur ein Adsorptionsgefäss aufweisenden, ohne Wärmezufuhr arbeitenden Adsorptionsanlage ist i.n der Patentschrift _o.. „o (Kennedy) beschrieben. Es folgt hier nur noch eine kurze Beschreibung, wie sie zum Verständnis der besonderen Anwendungsart der Adsorp-

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tionsvorrichtung erforderlich, ist. Die durch Leitung 40 zugef uhr te Druckluft strömt durch den Beilälter 4 U der mit einen» Ad JoeptioneiBittel mit bevorzugtem Adsorptionsvermögen für Stickstoff, ZoB. einem ^-Molekularsieb, gefüllt ist. Die in dem Adeorptionsmittelbeiiälter 41 um den Stickstoff verminderte Luft strömt unter Druck durch Leitung 42, Druckdifferenz-Steuerungsventil 43 und Leitung 44 in den Lagerbehälter 45. Ein Teil des Produktes strömt aus dem Lagerbehälter 45 weiter durch Leitung 46 in das Zimmer 30. Dieser Teil des Produktes hat einen weit höheren Sauerstoffgehalt« Periodisch wird der Druck in der Leitung 40 herabgesetzt, so dass ein Teil des Produktes auo dem Behälter 45 durch das mit Adsorbat beladene Adsorptionsmittel 41 zurückströmt und durch Leitung 40 austritt, wobei es das Adsorptionsmittel von den adsorbierten Bestandteilen, in erster Linie Stickstoff, befreit.

Im Rahmen der Erfindung kann auch jede andere Vorrichtung verwendet werden, die durch Adsorption ein an Sauerstoff angereichertes Sas erzeugt. Die Erfindung besteht nicht in der besonderen Vorrichtung, die zur Anreicherung des Sauerstoffs verv/endet wird» sondern in dem Gedanken, durch Adsorption bei Raumtemperatur erzeugte technische, an Sauerstoff angereicherte Luftströme besonderen Verwendungszwecken, vorzugsweise Heilzweoken, zuzuführen.

Die ohne Wärmezufuhr arbeitende Adsorptionsanlage kann also innerhalb oder ausserhalb des Zimmers gelegen sein. Sie arbeitet mit einem Druckzykluß zwischen 0 und 7 kg/cm² abs., z.B. zwi-

BAD

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sehen O und 2,1 atü. Vorzugsweise wird die duroh die ohne Wärmezufuhr arbeitende Adsorptionsanlage su leitende Luft zunächst in elnsm kleinen Kompressor verdichtet und dann durch die ohne Wärmeaufuhr arbeitende Adsorptionsanlage geleitet, wo der Luft etwas von lime® Stickstoffgehalt entzogen und dieser Stickstoff an die Aussenlufi ausserhalb des Zimmers abgeleitet wird* Die an Sauerstoff angereieherte Luft strömt in das Zimmer, welches so gut wie raSglicli abgedichtet ist_s um Leofcströmungen au vermindern. Zur Erzielung ©ines weiteren Torteils kann die Luft beim Durchs trSmexi der ohne Wärmezufuhr arbeitenden Adsorptionsvorrichtung sußh gleishzeitig getrocknet werden, so dass in dem Zimmer eine angenehme Atmosphäre von geringem Feuehtigkeitsgrad innegehalten werden kann. Heizung und Kühlung des Zimmers können auf an sieh bekannte Weise erfolgen.

Ein Simmer von etwa 28,3 nr Inhalt wird aus einer ohne Wärmezufuhr arbeitenden Absorptionsvorrichtung gemäss Mg* 1 mit

•z

einem Strom von O₉ 235 2fnr 30 $igen Sauerstoffs Je Minute versorgt. Bias erfordert die Zufuhr von 0_?6 Wm^ Luft je Minute aus einem Koiapreseor bei 2,1 atü. Der Kompressor» der eine Nennleistung von. 4 PS besitsstf liefert die verdichtete Luft, und die ohne Wärmezufuhr arbeitende Adsorptionsvorrichtung benötigt etwa 113 1 iJA-Molekuiarsieb. Wenn die ohne Wärmezufuhr arbeitende Adsorptionsvorrichtung sich in dem Zimmer befindet, ist ihr Auspuff mit einem Schalldämpfer versehen, um das Geräusch zu vermindern. Je nach dem Wunsch des Patienten kann aber auch die

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ganae Adsorptionsvorrichtung ausserhalb des Zimmers, s.B. in der Äähe eines Fensters, angeordnet sein, wobei ein einsiger Schlauch oder ein einziges Rohr die an Sauerstoff angereicherte Luft durch das Fenster oder durch eine öffnung in der Zirnmerwand zuführt. >

Für dia. Stickstoffadsorption geeignete Adsorptionsmittel sind Molekularsiebe der Gattungen 5A, 13X und 1OX, Ohabazit, Analcit, AlupäJiiumojxyd, Kieselsäuregel, Holzkohle, Graphit, Bentonit und dergleichen» Nach einer anderen Ausführungsforn der Erfindung: haben sich Molekularsiebe der Gattung X, bei denen ein Teil der, ursprünglichen Kationen durch Strontiumionen ausgetauscht ist, als-besonders wirksam erwiesen. Die Menge des durch Austausch in das X~Molekularsieb eingeführten Sr ⁺-Ions beträgt etwa 20 bis 80 #, z.B. 40 $> oder mehr. Durch Strontium substituierte Molekularsiebe eignen sich besonders für einen Yakuumdesorptionszyklus, Für die Adsorption Von Sauerstoff kann man 4A-MolekuXarsiebe und dergleichen verwenden. 4A-MoIekularsiebe arbeiten jedoch nach einem gesehwindigkeitsgesteuerten Verfahren,, und es ist daher ein schneller Periodenwechsel erforderlich.

In erster Linie bestand die Aufgabe darin, die Luft in einem Zimner an Sauerstoff anzureichern. Daher wurde eine verhältnismässig kleine Anlage geplant, die eine Zimmerluft mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 30 bis 50 i» erzeugen sollte. Das anfängliche Ziel für eine brauchbare Ausführungsform war eine Bauart, die imstande sein sollte, den Sauerstoffgehalt der

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luft in einem 28,3 b' fassenden Eimser auf 30 i» anzureichern, und zwar unter der Annahme einea durch leckströinungen verursachten luftwechsels von etwa G_s1/Stunde. Obwohl eine Sauerstoffanreicherung auf 30 $> der geplanten Anlage zu Grunde gelegt wurde₉ seigexü die überraschenden Ex'gebnisse, dass es möglich ist„ das allgemein© Pvlnslp der Erfindung auch für andere Sauerstoffsareiohemngen als eins 30 $ige anzuwenden..

Sa wurde eine Musteranlage mit zwei Adsorptionsmittelgefässeu von ,je 99 sjb länge und 13?5 ein Durchmesser gebaut, wobei jedes Adsorptionsiuittelgefäss 10 kg 5A-Molekularsieb enthielt. Die Anlage war Kit einem roit 110 Y betriebenen 2 PS-Mash-Kompressor ausgestattet, der bei der Spitzenleistung von 2,1 atü 18 Ampere verbrauchte.

Bei Verwendung dieser Anlage zur Anreieherung des Sauerstoffgehaltes in der ZimmerXuft stellten sich einige überraschende Brgebnisss eins Entgegen allen Erwartungen zeigte sich nämlich, dass der beste Weg, den Sauerstoffgehalt der Zimmerluft zu erhöhen, darin bestand, die luft von aussen her zuzuführen und die desorbierte Luft naeh aussen abzuleiten. Dies war überraschend, da man logiseherweise hätte erwarten müssen, dass der beste Weg_s die Anlage zwecks Anreicherung der Zimmerluft an Sauerstoff zn betreiben, der sein würde-, der Adsorptionsanlage die bereits an Sauerstoff angereicherte luft als Beschikkung zuzuführen*und die deeorhierte luft ausserhalb es Zimmers abzuführen.

Ferner wurde gefunden, dass bei ironstanter Zufuhrgeschwin-

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digkeit, aber niedriger Produfctgeschwindigkeit der Sauerstoffgehalt des Produktes um bo höher war, jje niedriger der Produktgeschwindigkeit war, und dass umgekehrt der Sauerstoffgehalt des Produktes um so niedriger war, je höher die Produktgeschwindigkeit war.

Ferner wurde gefunden, dass die Gesamtmenge des in dem Produkt aus der Anlage austretenden Sauerstoffe nicht der entscheidende Paktor ist. So konnte z„B. bei einer Preduktgeschwindigkeit τοη 1,7 Nm^/Std, ein Sauerstoffgehalt von 50 i» erzielt werden, während bei einer Produktgestshwindigkeit von 4,25 Hm /Std. nur ein Sauerstoffgehalt ron 32 $> erreicht werden konnte. Wenn das Gesamtvolumen des Sauerstoffs "bei der Geschwindigkeit. Ton 4»25 Nur/Stdο berechnet wird, so ergibt es eich als 1,36 a , während das Gesamtvolumen des Sauerstoffe, berechnet für die Geschwindigkeit von \_t7 NatV$td. 0,85 m beträgt. Trotzdem wurde gefunden» dass sich ein Raum schneller auf den gewünschten Sauerstoffgehalt bringen lässt, wenn man mit niedriger Produktgeeehwindigkeit und hohem Sauerstoffgehalt arbeitet, obwohleine grössere Sauerstoffmenge 3^e Zeiteinheit zur Verfugung steht.

Ferner stellte sich heraus, dass der Sauerstoffgehalt der luft in einem Raum, wenn er erst einmal die gewünschte Höhe erreicht hat, sich In wirksamerer Weise auf dieser Höhe halten ..ässt, wenn man mit so hoher Produktgeschwtridigkeit arbeitet, dass das Produkt der Adsorptionsanlage etwa den gleichen Sauerstoffgehalt aufweist wie das Zimmer.

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JIf. Ί 4 b 4 b b-b

Die obigen Betrachtungen sind äusserst wichtigp <|a dag Arbeiten Mt-diesen Produktgeschwindigkeii-en eine ,.ephebliohe Ersparnis im Krafwerbrauoh mit sieh bringt. Ba eine-Anlage^ beschriebenem Art und auch andere ähnliche Anlagen ^efmutlich .mindestens mehvexo Stunden 'täglich laufen müssen, ist" "der ■■ ·'· '-»^ Energiebedarf und die Ersparnis recht bedeutend.

UiB die Grrösse einer für Heilzweokezu .verwendenden Sa^u.er-, Staffanlage in Bezug auf die Kennwerte de« Baumes, wie leekströffiimgsgeschwindigkeit und Zimmergrösse, zu bestimmen, wurden Biatheißatisehe Modelle entwickelt..,^ «^^§_r.gebunden, dass sich aus diesen Modellen die beste Methödg^des Betriebs der Anlage sowohl für gelegentliche als auch stetige Arbeitsweise vqr-a-us- a&gen lässt. J)ies ist τοπ Bedeutun^> §%?der für Heilzwecke ,he-. , nötigte Sauerstoff in gewissen Fällen^nur gelegentlich ,ange- -..-. -r wandt wird» wenn der Patient die. an S§Me,rsto.ff angereipherte - ,.. luft nur einige Stunden am Tage benötigt. Eine zu Heilzwecken dienende Sauerstaffanlage soll daher imstande sein, ein Zimmer in niöht au" langer Zeit auf '$ßii gewünschten Sauerstoffgehalt zu, bringeß;jund diesen Sauerstoff gehalt konstant $tt halten*, Daher ■"..:': ist es wichtig, die beste Methode zum Betrieb der Anlage sowohl für die Anreicherung der 2 immer luft an Sauerstoff als auch für äen stetigen Betrieb zur Aufrechterhaltung der Satterstoffkonzentration au kennen. Zunächst wurden mathematische HodelIe für die · italbe£ie1&eÄ> "-Periode aufgeö teilt * Bar wurden Mf f erentfM-gleishuiigan für den unstetigen Zustand entwickelt, um die An-' äerung ₄ in., d.er. ,.Saubretoff konzentration In dem Raum mit der Zeit für.-die/VaLe^fa^83itd?,en lalie vorauszusagen:;^-'¹ V;,,: .·-,.«

-■ 909808/0349 ;^-i ^vÄÖ|?Y:,^₄₁

■-■■■.. . ■■' - ■■■· - BAD OritätNAL

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Fail Ii Betrieb "bei einmaligem direkten Durchsatz (kein Eindringen τοπ Luft in den Baum von aussen her) j

Fall Ils Totaler Kreislauf rait Ersats des Abgases von der Anlage durch, das Einsickern von Luft in den Raum?

Fall Ills Teilweise^ Kreislauf mit Ersatz des Abgases aus der Anlage durch von aussen sugeftihrte luft (ohne Einsickern von Luft in den Baum)ι

Fall IYs Teilweiser Kreislauf mit Ersatz des Abgases aus der Anlage durch von aussen her augeführte Luft unter der Annahme $ dass die Menge der von aussen in den Saum einsickernden Luft ebenso gross ist wie die Menge der dursh Leekströmung aus dem Raum entweichenden* an Sauerstoff angereicherten Luft.

Die Gleichungen für dies© Modelle -wurden unter Verwendung der jeweiligen Musterkonstruktion für einen Eaurn mit 28,3 m Inhält gelöst. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle I, wobei das Ziel eine Sauerstoffkonzentration ύοώ. 30 $ ist.

Tabelle I

Zeit bis zur

Eindringen Tön Erreichung

Fall kttft in den _von 30 # O₂,

Hr, * Betriebsart Raum, XfaH/Std Sta

I Einmaliger Durehsata 0 10

II Totalkreisla\if 5 20

III Seilkreislauf 0 7

IY Teilkreislauf** 1.4 .11

•χ

* Konstruktirmabedingungeni Bimsierlnlialt 28,3 ffl * Zufuhr fön

der Anlage ins Zimmer! 2,83

SM. 35 i> O₂.

** Unter der Annahme, dass das duroh Leekströiaung in den Raum eindringiiK.de Lv.ftvoXumen gleich ß,&m Yü'Xnwcm der duröh LeekströiDung auö d«ra 'Raum austriitendeii. angereicherten Luft ist»

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Ub4bbö

Theoretisch scheint die Betriebsweiß© der, An^g^Äit ÜJeilkreislaüf unter Ersatz des Abgases durch von aussei ^ Luft (Fall III) der schnellste Weg -zu sein, um den gehalt im Zimmer τοη 21 auf 30 $ zu erhöhen_r dass keine Luft in das. Zimmer einsickert«Die Betriebsweise mit einmaligem Durchsatz ist aber wahrscheinlich prakti<3öh©J£*/ da ee schwer ist, bei dem mit Ersatz des Abgases durchΎΟύaussen her zugeführte Luft das Zimmer vollkommen luftdicht au veirsöhliessen, und zwar deshalb, weil das Zimmer dann immsaj^ün^er einem etwas unteratmosphärischen Druck stehen würdet Eitf^aktiecher Kreislaufbetrieb liegt etwa zwischen den Fällen II und III und wird durch Üen Fall IV erläutert, wo eine geringe durch Leckströmung in den Baum eindringende Luftmenge die ;sur Anreicherung der Luft benötigte Zeit deutlich verlängert»Andererseits neigt, der Betrieb mit einmaligem Durchsatz dazu, den Druck in dem Baum ansteigen zu lassen und* mithin das Einsickern τοη! Luft in den Baum von aussen her zu vermindern. Diese Ergebnilsse zeigen, dass es notwendig ist, die Leistung der Anlage in einem tatsächlich vorhandenen Raum zu bestimmen. Die Wahl der Arbeitsweise (Kreislauf oder einmaliger Durchsatz) kann erst getroffen werden, wenn die dynamischen Kennwerte der Luftleckströmung eines typischen Baumes definiert sind,

Die Ableitungen der Differentialgleichungen)fiiri.diejymathematischen Modelle der vier oben genannten Fälle sind ctii^folgenden:

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' Vorhersage der Raumkennwerte bei unstetigem Zustand für zu Heilzwecken "bestimmte Sauerstoffanreicherungsplanungen

Fall Is' Einmaliger Durchsatz Definition der Ausdrücke V = Volumen des Raumes, Kubifcfuss

P - Produktgeschwindigkeit der Musteranlage, Normal-Kubikfuss/Std.

t'* Zeit, Std.
x(t) = Molenbrueh O₂ im Raum zur Zeit t

y = Mittlerer Molenbruch Og in dem von der Anlage kommenden Produkt

Raum

Ψ Abluft

x(t), P

Beschickung der Anlage '—(Luft)

Grundlage für die Differentialgleichungen Vollkommene Durchmisohung.

Produktströmung von der Anlage in den Raum = Strömung aus dem Raum (kein unkontrolliertes Einsickern von Luft von ausβen her).

grundlegende Differentialgleichung für das System dx

P..

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4%

Allgemeine Lösung der .obigen Gleichung

c_te

+y

worin C| eine Konstante bedeutet.

Grenzbedingungen

i(0) = 0,21 zur Zeit O C₁ - 0,21 - y

Besondere gleichung

x(t) a (0,21 - y)e

Lösung für den vorübergehenden Zustand

+ y

Lösung für den stetigen Zustand

Fall Ils Kreislauf unter Ersatz des aus der Anlage abströmenden Abgases durch in den Raum einsickernde Luft

Definition der Ausdrücke V » Volumen des Raumes, Kubikfuss

P s Produktionsgeschwindigkeit der Musteranlage, Hormal-Kubikfuss/Std„

D β Abgasgeschwindigkeit aus der Anlage oder Verluste, Äormal-Kubikf uss/Std.

Ι* = Raumleekströmungsgeechwindigkeit, Normal-Kubikfuss/Std. P =* Zufuhrgeechwindigkeit zur Anlage, Normal-Kubikfuss/Std. t *■ Zeit, Std.

- 18 -909808/0349

Definition der Ausdrücke (Fortsetzung) x(t) « Molenbruch O₂ ItQ Baum zur Zeit t

y(t) β Mittlerer Molenbruch Og in dem von der Anlage kommenden Produkt

(luft)

Raum

Grundlage für die Differentialgleichungen - Vollständige Durohmiechung.

in den Raum = Abgase tr ömung aus

Leistungen der Anlage, berechnet aus den Werten bei 2,1 atü

3T(^ »0,15 + xCt). P/P * 2,6

■■■>,. \ £.« D * t,6 P

Grundlegende Differentialgleichung für das System

- 19 909808/0349

^9/0

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Allgemeine Lösung der obigen Gleichung

x(t) = C₁O - 0,21 + O,'ig

GreazbeflinguiigeB

x(0) ~ 0_?2; aur Zeit 0 C, = (§) 0_s:5

Beeondere Gleichung

x(t) =-(I) 0,15 β t 0,21 +(|)0,15 Lösung für den vor- Lösung für den übergehenden Zustand stetigen Zustand

Lösung für den stetigen Zustand^ für unendliches t : χ (oo) = 0,2-1 4- (VV) 0» 15 « 0,304

Dieses Ergebnis seigt, dass ein Sauerstoffgehalt von 30,4 $> die theoretische Grenze für dieses System auf der Grundlage der berechneten Leistungen der Anlage ist,.

Fall III: Kreislauf mit Ersatz; des aus der Anlage abströmenden Abgases durch von aussen her der Anlage zugeführte Luft

Definition der Ausdrücke

V = Volumen des Raumes, ICubikfuss

P = Produktionegeschwindigkeit der Musteranlage, Normal-Kubikfuss/Std.

D = Abgasgeechwindigkeit aus der Anlage oder Verluste, Normal-Kubikfusß/Std.

- 20 9 0 9 8 0 8/0349 _BAD GBiGINAL

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Definition der Ausdrücke (Fortsetzung)

B - Zuführungsgesohwindigkeit der Aussenluft zur Anlage, Normal-Kubikfuss/Std.

F = Gesamtzuführgeschwindigkeit zur Anlage (P+E), Normal-Kubikfuss/Std.

t = Zeit, Std.
x(t) = Molenbruch O₀ im Raum zur Zeit t

y(t) = Mittlerer Molenbruch 0« in dem von der Anlage kommenden Produkt

f(t) = Molenbruch Op in der GesamtbeSchickung der Anlage,

Baum

	P, y(t)	A η a β e	Pt 3C(t)	^B (Luft)
	"g.1 ■		F, f(t) v
V
x(0)~0,2i

Grundlage für die Differentialgleichungen Vollständige Durchmischung.

Vollständig abgedichteter Raum, so dass die Produktetrömung von der Anlage in den Raum gleich der Gasströmung aus dem Raum ist.

Leistungen der Anlage, berechnet aus den Werten bei 2,1 atü

y(t) « o,T5 »■ fit)
P/P =2,6

- 2i 909808/034 9

BAD

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Grundlegende. Differentialgleichung für das System

= 0,21 (Jf), 0,15(1)

Allgemeine Lösimg der obigen Gleichung

x{t) = C₁S + 0,21 + 0_y15

grengsbedingungen

x(0) - 0,"21 ζην Zelt 0

Besondere Gleichung;

/PE

x(t) - -0,15 (ξ) e +1 0,

fü d Lö f

21

Lösung für den vor- Lösung für den übergehenden Zustand stetigen Zustand

Lösung für den stetigen Zustand für unendliches t x Coo) = 0,21 ψ 0,15 (1,625) =* 0,454

Bieses Ergebnis seigtj dass ein Sauerstoffgehalt von
45_t4 $ die theoretische Grenze für dieses System ist. Ein Vergleich der Fälle II und III zeigt, wie wichtig es ist, die Undichtigkeiten des Raumes bei einem Kreislaufsystem zu vermindern.

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Pall IVs Kreislauf unter Ersatz der Verluste aus der Anlage durch von aussen her zugeführte Luft bei gleichzeitiger Undichtigkeit des Raumes

Definition der Ausdrücke

V β Volumen des Raumes, Kubikfuss

P a Produktionsgeschwindigkeit der Musteranlage, Hormal-Kubikfuss/Std.

M β Eindringen von Luft in den Raum durch Undichtigkeiten, Hormal-Kubikfuss/Std„

D « Gasleckströmung von der Zusammensetzung der Zimmerluft aus dem Raum hinaus, Normal-Kubikfuss/Std.

Ii se Kreislauf vom Raum zurück zur Anlage, Hormal-Xubikfuss/Std ο

E = Zuführung von Aussenluft zur Anlage, Hormal-Kubikfuss/Std.

P β Gesamtzuführgeschwindigkeit zur Anlage, Hormal-Kubikfuss/Std.

x(t) » Molenbruch O₂ im Raum zur Zeit t

y(t) β Mittlerer Molenbruch O₂ in dem von der Anlage kommenden Produkt

f(t) * Holenbruch O₂ in der GesamtbeSchickung der Anlage.

M, 0,2t D, x(t)

x(0)«0_t21

, y{t)

, f(t)

, 0,21

■Abgas

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Grundlage für die Differentialgleichungen Vollständige Mischung^

Leistungen der ijnXage, berechnet für Betrieb bei 2,1 atü bsi P ~ 100 lornal^Kuuikfuss/Std»

Grundlegende Mfflegenfrlalglelohung für das System

dx dt

/b+ΐΛ

PL

Υί

Allgemeine Lösung der obigen

- bt x(t) « C-e

0,2i(f)

worin D «

Grenzbedingungen

x(0) β 0,21 zur Zeit 0

= 0,21 -■

Besondere Gleichuns

0,21

O,21($J

Lösung für den vorüborgelicnden Zustand

Lösung für den stetigen Zustand

- 24 -909808/0349

*^b " U54556.

Zur weiteren Erläuterung dieser Ausführungsform der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Pig. 5 ist eine aehematische Darstellung der in den Beispielen für diese Auaführungsform der Erfindung zur Ermittlung der hier angegebenen Werte -verwendeten Sauerstoffanreicherungsanlage.

Pig. 6 zeigt ein Schema eines bevorzugten 90 Sekunden-Zyklus , der in der für Heilzwecke bestimmten Anlage gemäss Pig. 5 angewandt wird.

Pig, 7 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Produktgesohwindigkeit und der Produktzusammensetzungα

Pig. 8 ist ein Diagramm der Torausgesagten Raumkennwerte bei vorübergehendem Betrieb mit einmaligem Durchsatz.

Fig. 9 zeigt in scheraatischer Darstellung ein Modell für einen Betrieb mit einmaligem Durchsatz in einem Raum mit 24.4 πι Inhalt sowie ein Diagramm der Zeiten, innerhalb deren eiriij Sauerstoffkonzentration von 30 $* ^rraioht wird, in Abhängigkeit von der Produktgeachwindigkeit.

Pig. 10 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen den im Raum herrschenden Bedingungen und der Zeit in Stunden.

Der Betrieb der Anlage wird an Hand der Abbildungen 5 und fc erläutert. Die Adsorptionsmittel behälter iOt und 102 sind an Jh.·-·-,.-! Bnr.ohiskungsendea durch das fünf öffnungen aufweisende V'^nregventil 10? und am Kopf durch das Spülgasventil 104 und die Spüjgasöffnuiag Ί05 oowis durch das Druckausgleichventil iOC miteinander verbunden-. Das Produkt wird aus den Behältern

" 25 909808/0349

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101 und 102 durch die Leitungen 107 bzw. 108 und die Rückschlagventile 109 bssw. no in die Produktleitung 111 abgeführt. Der Kompressor und Ausschalter 112 ist ein Kompressor, wie er oben beschrieben ist,

Beginnend a.uf de:<? linken Seite des in Fig. 6 dargestellten A^beitszyklme, befinden sich die Aäsorptionsmittelbehälter 101 und '!02 im Druckausgleioh, d_oh. das Druckausgleichventil 106 ist offen und stellt eine freie "Verbindung zwischen den Behältern 10i_tund 102 durch die Leitungen 113 und IH her. Der Druck im Behälter 101 wird %^Ton 2,'i atü auf 1,05 atü herabgesetzt, und der Druck im Behälter 102 vird von 0 auf 1,05 atü erhöht. In der nächsten Stufe des Zyklus öffnet sich die Ventilöffnung 115, so dass der Druck in eiern Behälter 101 von 1,05 atü auf Atme-Bphärendruck sinkt uncl das adsorbierte Material duroh Leitung 116, Yentilöffnung iif? und Abzugsieitung 1 i"7 ausströmt. Gleichzeitig wird der Adsorptionsmittelbehälter 102 duroh die vom Kompressor 112 über Leitung 118, Ventilöffnung 119 des Ventils

103 und Leitung ">20 sugefifcrte Luft wieder unter Druek gesetzt. Während also der Druck im .Behälter 101 von 1,05 atü auf Atmosphärendruok sinkt, steigt der Druck im Behälter 102 von 1,05 auf 2,1 atüo Während der Entleerung und der Wiederunterdrucksetzung sind das Druckausgleichventil 106, das Spülgasventil

104 und die Spülgasöffnung iO5 geschlossen. In der nächsten Periode des ßyklus öffnet sich das Spülgasventil 104 und lässt einen Teil des Produktes aus dem Adsorptionsmittelbehälter 102 durch dis Leitungen IH₉ 121 und '> 13 in den Behälter 101 strö-

— 26 — 0 9 80 8/0349 ^{BAD 0}*^ä

men, wo dieses Gas abwärts durch das Adsorptionsmittel strömt, adsorbierte Bestandteile aufnimmt und durch Leitung 116, Ventilöffnung 115 und Absugsleitung 117 austritt. Gleichzeitig strömt ein anderer Teil des Produktes aus dem Behälter 102 durch Leitung 108, Ventil 110 und Leitung 111 in den Raum.

Aa Ende dieser Periode des Zyklus öffnet sich das Druckausgleichventil 106, und die Druckluftströmung durch Leitung wird unterbrochen. Der Druck im Behälter 101 steigt von Atmosphärendruck auf 1,05 atti und derjenige im Behälter 102 sinkt von 2,1 atti auf 1,05 atü«. Nun wird die Druckluftströmung durch Leitung 118, Ventilöffnung 122 des Ventils 105 und Leitung 116 in den Adsorptionsmittelbehälter 101 wiederaufgenommen, wobei das Druckausgleichventil 106 und das Spülgasventil 104 geschlossen sind« Hierdurch steigt der Druck in dem Behälter 101 von 1,05 auf 2,1 atü. Gleichzeitig wird der Behälter 102 durch die Ventilöffnung 123 entleert, so dass adsorbierte Bestandteile durch Leitung 120, Ventilöffnung 123 des Ventils 103 und Abzugsleitung 117 abgeführt werden.

Wenn der Druck im Behälter 101 2,1 atü erreicht, strömt Produkt aus dem Behälter ϊΟ1 durch Leitung 107, Ventil 109 und Leitung 111 in den Raum, Gleichzeitig öffnet sich das Spülgasventil 104· und lässt einen Teil des Produktes durch Leitung 113, Spülgasventil 104, Leitung 121 und Leitung 114 in den Behälter 102 eintreten, und dieses Gas führt den Rest der adsorbierten Bestandteile aus dem Behälter 102 durch Leitung 120, Ventilöffnung ;23 und Abzug&lelfcung n? auβ dem Raum ab. Am Ende dieser

9 0 980 8/²0Va9 BAD

Periode des Zyklus "befindet eioli der Behälter 101 auf eineo Druck von 2₉i atü und äev Behälter 102 auf Atmoepharendruok=-

Biese Ausführungsforia der Erfindung wird dursh die folgenden Beispiele veiter erläutert= Die In äieseü Beispiele» verwendet® Vorrichtung iot_f falls niohts anö©2?©3 angegeben ist_s die oben

In dieeaiB Beispiel vii:<?ä die Anlage in dem oben

90 Sekunden» Zyklus bei trieben» Der Brück variiert τ Ί,6Π bis 2₉04 atü beS einer entspr'eehenden Änderung in der Liifteufuhrgeeohvindlglneit τοη 10,5 feie TjB FsaVstd. Die Beziehung zwischen der Produktgeisohwindigkeit und äer ZusatDragnsetzung des Produktes lsi in Pig. 7 dargestellt«

Aus Mg, 7 ergilrl sioh„ dass die Produktgeaanwindiglseitea durch Herabsetzen des Druckes τοη 2^04 auf ¹»617 atü um etwa 50 i» über den PXanvert tob 2„83 NiavStcL Iiinau3 gesteigert werden können, ohne dass die Sauerstoffkonzentration bedeutend unter den Planwe^t B±iikt (32 gegen 35 & O₂). Wenn jedoch eine Erhöhung der Sauerstoffmange in Produkt erwünscht ist, lässt sich dies am besten durch Erhöhung des Druckes und Arbeiten mit niedrigeren Produktgescbwüidigkeiten erzieleiio

Beispiel ,3

Ura den-Ejnflusa einer .änderung der Länge das Zyklus zu bestinii3en_s wurde ein 60 Sekunden-Zyklus ausprobiert-. Die Anlage wurde bei 1,758 atü m.li: einer Produktgescl windigkelt von

■- 28 -

-9 09808/0349

BAD

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2,83 NfflVstd. "be trieben α Die Verfahrens stufen des Druckauegleichs und des Wiederunterdrückeetzens blieben dabei im Verlaufe von zwei Zyklen unverändert. Nur die Zeitdauer der Zufuhr und des Produktabzugea waren Punktionen der Länge des Zyklus. Die Ergebnisse sind In Tabelle II angegeben»

Tabelle II Länge des Zyklus

60 Sekunden 90 Sekunden

Produktgeschwindigkeit, Nm⁵/Std. 2,83 2,83 * O₂ 38 1/4 38

Dieser Versuch zeigt, dass Änderungen in der Dauer des Zyklus keinen bedeutenden Einfluss haben, und dass die Dauer des Zyklus ;)e nach Zweekmäasigkeit gewählt werden kann. Im allgemeinen werden bei dem Verfahren gemäss der Erfindung Zyklusdauern von 10 bis 300 Sekunden, vorzugsweise von 50 bis 200 Sekunden, insbesondere von 70 bie 120 Sekunden, angewandt.

Seifepiel 4

Die Leistung der Ä.ri3.age in einem Raum mit 24,4 m Inhalt wurde vorausgesagt, indem die Leistungen der Sauerstoffanlage mit Hilfe des Modells für einmaligen Durchsatz bestimmt wurden. Dieses Diagramm ist in'Fig. 8 dargestellt,

DIo Ergebnisse zeigen, dass sich für jeden Druck (Zufuhrgeschwin Ugkeic) ein Minimum ausbildet. Wenn der Druck steigt, nimmt de Mindestzeit, in der in dem Raum mit 24,4 nr Inhalt eine Sauerstoffkonzentration von 30 # erreicht wird, ab. Die günstigsten Bedingungen für vorübergehenden Betrieb sind 2,04

„ 29 909808/0349

30 U54556

atü, sine ^fahrgeschwindigkeit von 7,3 Hnr/Std* und eine Produktgeschwindigkeit VO3 1,27 bis 1,7 Nra⁵/Stdo Dies führt zu Sauers t off kanter* trat.I anen won 60 TdIs 50 $ und zu entsprechenden Zeiten τοπ 5 fels 5 1/2 Stunden zur Erreichung einer Sauerstoffkonzentration you 30 $ unter der Annahme, dass keine luft von aussen her in den Rattin sindringt. Der geometrische Ort der Minimumpunkt© für die Musteranlage wurde auch in das Modell eingegliedert. Ais ain mehr dar Wirklichkeit entsprechender Fall wurde auch das Eindringen τοη Luft in den Raum von aus sen her einbegriffen.

Di© Ergebnisse zeigen, dass die Geschwindigkeit der luftleckströisung kritisch aein kann, besonders wenn die Anlage mit hohen Produfctgesehwindigkeiten betrieben wird. Diese Wirkungen werden wesentlich verhindert, wenn der Betrieb der Anlage auf niedrige Produktgeschwindigkeitsn bei hoher Sauerstoffkonzentration beschränkt wird« Ein weiterer Vorteil niedriger Produktgeschwindigkeiten ist die hohe Sauerstoffkonzentration im Raum unter stetigen Betriebsbedingungen. Z₀B. ist in stetigem Zustande ©ine Sauerstoffkonzentration wan 50 bis 60 # unter der Annahme, dass keine Ltiftieekströmungen stattfinden,, bei niedrigen Produktgesohwlndigkelten (1,13 bis 1,7 Iai⁵/Std.) möglich. Dies steht im Gegensatz zu Sauerstoffkonzentrationen von 30 bis 35 i> bei höheren Produktgesehwindigkeiten iron 3,1 bis 3,4 Nnr/ Std. Die Geschwindigkeit der Luftleekströmung hat natürlich einen bedeutenden Einfluss auf die Höhe der Sauerstoffkonzentration im Raum. Die tatsächlich in einem Raum mit 24»4 nr Inhalt erhaltenen Ergebnisse sind in Fig„ 9 dargestellt»

9 0 9 8 0 8/ ift I 9 BAD OS31NAL

\ H Ό Hi) JU

Beispiel 5

Bei den ersten Versuchen wurde die Anlage auf einmaligen direkten Durchsatz (ohne Kreislauf) eingestallt und der Baum massig abisoliert. D_eh., die hauptsächlichen Wand- und Bodenrisse sowie die Druckluft-Heizkanäle wurden dicht verschlossen. Dann wurden bei laufender und bei stillstehender Anlage Helium-Zerfallsmessungen durchgeführt. Bei dieser bekannten Methode zur Messung der Leckströmungsgeschwindigkeit wurde ein Strom von Helium in den Raum eingeleitet und die Änderung der Heliumkoneentration mit der Zeit im Massenspektrometer bestimmt. Die naoh dieser Methode bestimmte Leckgeschwindigkeit bezieht sich nur auf die aus dem Baum ausströmende Luft. Das Bindringen von Luft in den Raum von aussen her muss aus der Stoffbilanz berechnet werden. Die Leckgeschwindigkeit nach aussen betrug bei laufender und bei stillstehender Anlage 4,25 Nm /Std. Weitere Testversuche wurden angestellt, nachdem der Raum einschlieBslioh des Fensters, der ¹JlHr, der Waudauslässe und Schalter usw. hochgradig abisoliert woi'don war, und es ergab sich eine Verminderung der Leckgeschwindigkeit auf 3,4 Nm /Std.

Die Ergebnisse der Testversuche für die Arbeitsfähigkeit der Anlage standen in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den nach dem Modell vorausgesagten Werten, Es dauerte z.B. 9 Stunden, den Sauerstoffgehalt im Raum von 21 auf 30 $> zu erhöhen, während die für eine Ieokgcsehwindigkeit von 4,25 Nnr/Std. vorausgesagte Zeit 8 1/2 Stimc'en betrug. Durch Verminderung der Leckgeschwindigkeit nach ai.ssen aiii 3,4 Nur/Std. wurde die zur

- 3t 909808/03A9

Erreichung eines Sauerstoffgehaltes von 30 $> erforderliche Zeit auf 2 1/2 Stunden herabgesetzt. Die höchste Sauerstoffkonzentrations, die innegehalten werden konnte, betrug je nach der Iseokgesohwindigkei'fe 32 bis 35 $» Die Ergebnisse dieser Testversuche sind in fabeile III sueaiiiaengesteilt,

Tabelle III

Einmaliger Durchsatz¹* gemessen vorausgesagt

I) « 4,25 itoVstd.»»

Zeit bis	zu 30 $>	O2,	Std o.	9
Maximum,	$> O2			32
1 = 3,4 Im	Vstd·**
Zeit bis	zu 30 ft>	O2,	Std.	6 1/2
Maximum,	$ 0«			35

8	1/2
33
6 36	3/4

* 2,04 atü, Produktgeschwindigkeit »1,7 Nm⁵/Std„ bei 50 $> Sauerstoff.

** Gesamtleokgeschwindigkeit nach aussen.

Die Aufrechterhaltung einer Sauerstoffkonzentration von 35 $> dürfte in diesem besonderen Raum eine praktische obere örenze für die Musteranlage darstellen. Höhere Sauerstoffkonzentrationen können mit der gleichen Anlage in einem kleineren Zimmer oder in einem Zimmer der gleichen Grosse von 24?4 m^ mit einer grösseren Anlage erhalten werden. Diese Ergebnisse haben bewiesen, dass das Modell ein äusserst wertvolles Mittel zur Voraussage der zur Anreicherung der Luft an Sauerstoff benötigten Zeit

- 32 909808/03A9

BAD

33 U54556

ist, sobald die Leistungswerte für die Anlage und der Dichtigkeit agr ad des RauBiea festgesetzt sind.

Beispiel 6

In einem Teatvereuch wurde die Anlage mit teilweisera Kreislauf betrieben. Zu diesem Zweck wurde eine Kreislaufleitung aus dem Haust zurück zur Ansaugseita des Zufuhrkompressors gelegt. Ausserdeo wurde eine von ausaen her kommende Luftergänaungsleitung vorgesehen, so dass die Summe aus der Kreislaufgeschwindigkeit und der Luftergänzungsgeschwindigkeit dem Erfordernis für die Zufuhr zur Anlage genügte. Bei diesem Kreislauftest war der Baum stark abisoliert. Die Kreislaufgeschwindigkeit aus dem Raum zurück zur Anlage betrug 2,55 Nm / Std* Die Anlage war auf einen Druck von 2,04 atü (Zufuhrgeschwindigkeit 7»8 Nm /Stdβ) und eine Produktgeschwindigkeit von 1,7 NB⁵/S*äo eingestellt.

Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigten, dass es 13 Stunden dauerte, bis die Sauerstoffkonzentration von 30 $> erreicht war, also nahezu doppelt so lange wie bei der Arbeitsweise mit einmaligen Durchsatz, wenn der Raum in gleichem Ausmasse abisoliert war. Die in Tabelle IT gezeigten Ergebnisse beweisen wiederum, dass die aus dem Modell errechneten Werte in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Messergebnissen stehen*

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tabelle IV

Einmaliger

Durchsatz* Kreislauf ftttmmg* voraus- voraus

gesagt

Zeit bis zur Erreichung

von 30 ^ Og, Std* 6 6 3/4 13 12,9

Maximum, i» O₂ 35 36 31 31

Luftie ckge sehwindigkeIt von auasgn hsr in den Raum,

* Rauminhalt 24»4 nr $ Raum "bei allen Versuchen gleich stark abisolierte

Der Grund dafür, dass bei der teilweisen Kreislaufführung in diesem Versuch eine längere Zeit "bis zur Erreichung einer Sauerstoff konzentration von 30 i» erforderlich war_f ist der, dass die Einsickerungsgesohwimiigkeit von Luft mit einem Sauerstoffgehalt von 21 $ in den Esuei bei der Kreislaufführung bedeutend hoher war» Dies beruhte darauf, dass der Abzug von an Sauerstoff angereicherter Luft aus dein Kaum durch die Kreislaufleitung zur Ausbildung einee etwas niedrigeren Druckes in dem Raunt führte ale bei der Arbeitsweise mit einmaligen! Durchsatz. Daher steigerte si oh die lindringgesöhwindigkeit von Luft in den Raum durch kleine _t nicht i&olierta Risse usw« so stark» dass sie den Varteil der Zuführung einer höheren Sa.uers to ff konzentrat ion zur Adsorptionsanlage wieder ausglich. Wenn die Bindringgeechwindigkeit von Luft in den Raum in beiden Fällen dieselbe gewesen wäre» wäre der Betrieb mit Kreislaufführung natürlich vorteilhafter ge-

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wesen. Dieser würde aber eine Verminderung der Sindringgeeohwindigkeit von Luft von aussen her um 50 # erfordert haben, was eine viel stärkere Abisolierung oder Abdichtung voraussetzt, als sie bisher erreicht werden konnte.

Beispiel 7

Bs wurde ein Räumtest ausgeführt, um die besten Bedingungen zur Innehaltung einer Sauerstoffkonzentration von 30 £ in dem Raum zu bestimmen. Dies erfolgte durch Betrieb der Anlage bei niedrigem Druck (hohe Zuführgeschwindigkeit) mit einer Produktgesohwindigkeit von 3»97 Nnr/Std. bei einem Sauerstoffgehalt von 33 #. Diese Bedingungen wurden nach einem Test für vorübergehenden Betrieb ausgewählt, bsi welchem die Sauerstoffkonzentration im Raum 35 #» die Temperatur 24^C 0 und die relative feuchtigkeit 46 $» betrug«

Die in Fig. 10 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Sauerstoffkonzentration von 30 ?6 über die Dauer dieser Periode des Versuches - mehr als 24 Stunden - innegehalten werden konnte. Dabei variierte die Raumtemperatur zwischen 24 und 21,5° Gewährend die relative Feuchtigkeit von anfänglich 46 £ auf 39 1> sank und während des grössten Teiles der Versuohsdauer auf dieses Wert blieb. Diese Arbeitsbedingungen (hohe Zufuhr-

- ■·.·■'. ■ Zl*L ':.■.-.:■■■

geschwindigkeit und niedrige Sauerstoffkonzentration) hatten den weiteren Vorteil, dass die Betriebskosten mit dem zur Verfügung stehenden Nash-Kompressor herabgesetzt wurden, da der Betrieb des Kompressors bei niedrigerem Druck den Stromverbrauch von 18 Ampere bei 2,04 atü auf 15 Arapere bei 1,617 atti verminderte.

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Ls wurden weitere K©3ieta&+&&ltungsT©?suehe durchgeführt, ura die Einwirkung kleiner Störungen im R&wm sowie des Aufenthaltes von Personen im Baum auf <?.ie EauffibedingraigsiM zu. bestimmen, Bisse Versuche irarden rait einsaugen Durchsetz bei hoher Zuführgeschwindigkeit vjia niedriger Sauerstoffkonzentration durchgeführt« Die Störungen im Baum wurden bei diesen Versuchen durch mehrmaliges Öffnen der für innerhalb eines Zeitraumes von 5 Minuten Y^rursaeht. Das Ergebnis war ein Absinken der Ssuars toff konzentration ta Raum um nur O₉ 5 $? innerhalb 1/2 Stunde stieg jedosh die Sauerstoffkonzenti'ation wieder auf den ursprünglichen Wert» In einem lalle betraten 3 Personen äen Sesstrauu, hielten sich etwa 5 Ms 10 Minuten darin auf w&Q. verliesito wieder. Das ürgabnis war ein Absinken der -Sauerstoff-

konzentration um O₉S $! eine Iemperatur@rhe>hung ui 1° C und ein Anstieg in der relatix^en !Feuchtigkeit um 5 $ (γοη 59 auf 44 $>)* Nach nur einer Stmide hatten sich die ursprünglichen Masswerte in dem Raum wieder eingestellt. Kurzzeitige Vorgänge im Raum, wie das öffnen und Schliessen von lüren und das Ein- und Austreten von Personen, haben also nur einen geringen Einfluss auf die Sauerstoffkonzentration, die lemperatur und die relative Feuchtigkeitο

Ferner wurde die Einwirkimg des Aufenthaltes einer Person in dem Raum auf die atmosphärischen Bedingungen bestimmt. Eine Person, die sich 3 Stunden in dem Raum aufhielt, fand die Atmosphäre darin frisch und erfrischend, ohne dass sich ein Geruch ausbildete. Die relative Feuchtigkeit stieg innerhalb dieser

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Zeit von 40 auf 62 £, und ein Ansteigen der Kohlendioxydkonzentration war nicht zu bete er ken. Im allgemeinen lässt sich die Koblendioxycüconzentration und die relative Feuchtigkeit für den stetigen Zustand mit hinreichender Genauigkeit berechnen.

Die Erfindung bezieht sich auch allgemein auf Verfahren und Vorrichtungen »um Zerlegen von Gasgemischen in ihre Komponenten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff, und zwar ganz besonders auf die Zerlegung von Luft in einen an Stickstoff und einen an Sauerstoff angereicherten Strom, wobei diese Ströme dann den verschiedenen» oben erwähnten Verwendungszwecken zugeführt werden können. In diesen Zusammenhang eignet sich die Erfindung besonders für die Herstellung von trockenen, an Sauerstoff angereicherten Luftströmen zur Steuerung der Luftzusammensetzung in geschlossenen Räumen unter Aliwendung einer Adsorptionsmethode, die von einem Vakuumzyklus Gebrauch macht.

Wie bereits erwähnt, ist ein Anwendungszweck der Erfindung die Steuerung der Luf!zusammensetzung in geschlossenen Räumen» und zwar nicht nur in von Menechen bewohnten Räumen, sondern auch in Räumen, in denen Tiere gehalten oder Pflanzen oder mikroskopische Lebewesen gezüchtet werden. Die Erfindung kann auch auf die Steuerung der Luftzusammensetzung in Lagerräumen für führungsmittel, Blumen und andere leisht verderbende Stoffe angewand - werden.

Di« Adsorption ohne Wärmezufuhr wird mit verhältnlsasässig kurzen Adsorptions- und Seeorptionsperiod-an durchgeführt, so

_ 37 _ BAD

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s »lie M.SQTpi ioaawärae erhalten bleibt u&d sie ft wirkt» di® die Desorption unterstützt*. 2/kIi;» "besteht aus einer- Adsorptioaeps^io&e wad einer tioK3i5«-?ioüe imfi dauert 5 Ms 300 Sekunden^ vorzugsweise 40 150 Sekunden, iiisfce senders stsa 60 uie 120 Wenn men sit s^fsi oder sieferer-ö-n. Äöso^g

iteti, wird vcsrziigeweise swisehen di* i& die Deeorptionspsriod© £es Eyklris sin® doa Srußkai^sgieiehe siagssohaltet· ¥eim das ?@rfsteen rait- eässeai eisaigf/ii Adsorptiöi*3gefäse durehgsführt wird? kenn der Sruckausgleicli fortfallen» Bin tjpigchas 'Arbeitsecheaia sit swei Msorptieaeg@fäsaen iat in Tabelle Σ erläutart· Die Bruekausglelclisperioden köiinen von i Sekunde bis zu beliebig Isiigea Saiten -ünteE- liöj/üofeeiohtigimg der Geeamtdauer äes Zyklus reichen· IiB ellgeaeiaen. "beträgt die Bauer der Pruckausgleichsperioce 1 fcis 20, vorsugaweise 3 Me 12, insbesondere 3 bis 8 Se-

die Adsorptionadrucke für die Verlegung vcn Luft in Sauerstoff unä Stickstoff beliebig hoch eeiii können, erzielt »an keinen vsaentlichsn Torteil durch Anwendung von AdBorptionsfeuIcken weit übar dem AtEosphärendrusk. Eia geeigneter Adeorptionsäruok liegt ±m Bereich von 1 bis 8,4, vorzugsweise von 1 bis 3,5, iasltesoadare von 1 bia 1_t4 ata. Für die Desorption kann sogar eis Xtottok von 0 mm Hg angewandt warden, wenn er sich Xeiqiit erreichen liest. Geeignete BeeoEptismsdnicke liegen im Bereich von 0,1 bis 750, vorzugsweise von 50 bis 400, insbesondere von IUO bis 200 mm Hg abs.

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Eine besondere Ausführungsform der Erfindung "bezieht eich auf die Anwendung der Vakuuradeeorptionsmethode "bei einem Adsorptionsverfahren, bei welchem bestimmte Bestandteile an einem Adsorptionsmittel adsorbiert werden und das Adsorptionsmittel periodisch durch Desorption regeneriert wird, so dass es für die weitere Adsorption but Verfügung steht« Bs sind viele Möglichkeiten zur Desorption des Adsorptionsmittel bekannt? bei dem erfindungsgeoäseen Verfahren wird jedoch die Yakuumdesorption besonders bevorzugt. Unter V&kuumdesorption iat die Desorption bei einem Druck unterhalb Atmosphärendruök zu verstehen.

Diese besondere Ausfüfcrungsform der Er^tucUaig wird zwar nachstehend an Hand einer Vakuuodesorption urr.er Verwendung eines durch Strontium substituierten 13X-MoIoI;**!are tebes beschrieben j das hier erläuterte Erfinäungsprinssip ist jedoch auf jedes Adsorptionsmittel anwendbar, wenn die Komponente, die duroh Desorption entfernt werden soll, eine Artsorptionsisotherme besitzt, die in einer Gegend unterhalb Atnospfcärendruok scharf ansteigt. Die Komponente, an der das Ausgangsgas angereichert werden soll, soll eine Afsorptionsieotheriue aufweisen, deren Steigung kleiner als diejenige der Adsorptionsisotherme der desorbierten Komponente ist, und die im wesentlichen linear oder nach oben hin konkav verläuft.

Zu den erfindungegemäss verwendbaren Molekularsieben gehören allgemein Molekularsiebe der Gattungen X und A₁ deren Natriumionen zu etwa 30 bis 100 #, vorzugsweise zu 50 bis 100 1*_t insbesondere zu 75 bis 98 5t, duroh zweiwertige Kationen von Metallen

- 39 -

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der Gruppe II des Periodischen Systems oder durch einwertige Silberionen ersetzt sind. Es kann als Eegel gelten, dass das Adsorptionsverroögen um so besser ist, je höher das Ausmass des Ionenaustausch.es ist. Torzugsweise werden als Metallionen der Gruppe II des Periodischen Systems Mg⁺*, Ca⁺⁺, Sr⁺⁺ und Ba⁺⁺ verwendet.

Für Molekularsiebe der Gattung X werden Ca⁺*, Sr⁺* und Ag⁺ bevorzugt, während Sr⁴"⁵" und Ca** besonders bevorzugt werden und Sr⁺"** am stärksten bevorzugt wird» für Molekularsiebe der Gattung A werden Ca⁺*, Mg⁺*, Sr⁺* und Ag⁺-Kationen bevorzugt.

Die bevorzugte Arbeitsatemperatur für die Abtrennung von Sauerstoff und Stickstoff aus luft beträgt etwa 1,5 bis 38° C, da bei Temperaturen unterhalb 1,5° 0 Schwierigkeiten durch Ausfrieren des Wasserdampfes aus der Luft auftreten. Vorzugsweise wird dieses Verfahren bei Temperaturen von 7 bis 27° C und insbesondere bei !Temperaturen von 14 bis 25° 0 durchgeführt. Man kann jedoch allgemein bei Temperaturen von etwa -23 bis +43° 0 arbeiten.

Einer der Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung von an Sauerstoff angereicherter Luft liegt darin, dass bei Zuführung von wasserdampfhaitiger Luft der grösste Teil des Wasserdampfs ebenfalls der Luft entzogen wird, so dass man eine ziemlich trockene, an Sauerstoff angereicherte Luft erhält.

Die Regenerierung des Adsorptionsmit-iels erfolgt durch Druckentspannung und anschliessende Spülung mit dem Produktgas. Bevorzugte Verhältnisse von Spülgasvolumen zu Besohickungevolu-

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men liegen Io Bereich von 0,2 bis 2,0, während Volumenverhältnisae von 0,5 bis 1,5 besonders bevorzugt und solche von 0,7 bis 1,0 an stärksten bevorzugt werden. Diese Volumenverhältnisee beziehen sich auf die in der Adsorptionszone herrschenden Bedingungen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, durch die die Erreichung eines gesteuerten Sauerstoffgehaltes der Luft in geschlossenen Bäumen bedeutend erleichtert wird. Diese Ausführungsform eignet sich besonders zur Anwendung für die Heilbehandlung mit an Sauerstoff angereicherter Luft. Die nach dem Trennverfahren genäse der Erfindung gewonnenen Gase können jedoch auch den verschiedensten sonstigen technischen Anwendungszweoken zugeführt werden.

Das oben beschriebene Verfahren arbeitet mit einem Adsorptionszyklus im Druokbereioh von 2,1 atü bis Atmosphärendruck unter Verwendung eines 5A-Molekularsiebes als Adsorptionsmittel« Dieser Verfahrenszyklus wird nachstehend als der "übliche¹¹ Zyklus bezeichnet (was jedoch nicht bedeuten soll, dass er bereits bekannt ist)α

Der "Übliche" Verfahrenszyklus liefert als Produkt Luft mit Sau^rstoffgehalten von 30 bis 40 $> und eine Netto-Saueretofferzeuguug von etwa 150m3. Sauerstoff je 100 g Adsorptionsmittel bei 21° 0. Diese Ergebnisse sind bei dieser Art von Zyklus typisch für die in Handel erhältlichen Molekularsiebe, wie diejenigen der Gattungen 13X, 5A und 1OX, wenn die Adsorption bei

909 808/θ 3*4 9 **°

Luftzufuhr unter einem Druck von 2,1 atü und die Desorption bei Atmoaphärendruck durchgeführt wird.

Ee wurden nun weitere Untersuchungen angestellt, um verschiedene Adsorptionsmittel auf ihr Adsorptionsvermögen für Stickstoff auszuwerten. Ale Ausgangspunkt für diese Untersuchungen wurden verschiedene Molekularsiehe mit dem X-Gitter oder mit dem A-Gitter, die als Kationen vorwiegend Natriumionen enthielten, ausgewertet, indem die Natriumionen gegen andere Kationen ausgetauscht wurden. Nach dem Austausch gegen diese anderen Kationen wurde das Adsorptionsvermögen für Stickstoff und Sauerstoff bestimmt. Die Ergebnisse finden sisfe in Tabelle V.

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Tabelle V Übersicht über die Adsorptionsieothermen. von Stickstoff und Sauerstoff

an MolekularBieben bei 21° C

	WX"-Gitter	bei	0,35	bei	0,35	atü
	N2	η	1,05	η	1,05	It
CO		η	2,1	η	2,1	η
O				bei	0,35
CO	°2	bei	0,35	M	1,05	atü
OO		η	1,05	η	2,1	η
O		ti	2.1
CO
.0	"A"-Gitter
CO	N2	atü
40		U
	°2	η
		atü
	η
	η

Eigenschaften der Kationen

Holekulargew. lonenradius Polarisierbarkeit

Gruppe des Periodischen Systems

	Na	1	K	idsorp·	;ionei	reraiöf	;en, g Gae/100 g Ϊ	Ba	—-TT*	Cd	foleki	ilareieb—	Zn	Pb	Ag
	1,20 1,70 2,40		0,68 0,96 1,45	Cs	Mg	Ca	Sr	1,34 1,79 2,44		0,92 1,23 1,63	Ni	Co	0,50 0,79 1,18	0,29 0,45 0,73	1,68 1,97 2,40
Li	0,47 0,73 1,17	0,40 0,59 0,96	0,50 0,75 1,13	0,83 1,16 1,66	2,02 2,36 2,80	2,22 2,78 3,33	0,64 1,01 1,50		0,39 0,58 0,90	0,75 1,10 1,59	0,69 0,95 1,40	0,34 0,59 0,91	0,27 0,40 0,61	0,47 0,79 1,20
0,88 1,36 1,98	1,15 1,60 2,21	O O O	0,42 0,61 0,97	0,40 0,61 0,97	0,76 1,08 1,56	0,73 1,15 1,72	0 0 0		-	0,38 0,60 0,96	0,35 0,57 0,86	0,60 0,88 1,24	-	2,30 2,64 2,95
0,43 0,67 1,07	0,47 0,70 1,10	O O O		1,95 2,41 3,04	1,93 2,57 3,24	1,72 2,24 2,85	0 0 0	-	-	-	0,48 0,70 1,09	-	0,62 0,94 1,33
0,86 1,28 1,83	23,0 0,98	39,1 1,33		0,62 0,94 1,47	0,74 1,12 1,65	0,63 0,92 1,42	137,4 1,43	112,4 1,03	-	-	65,4 0,83	207,2	107,9 1,13
0,46 0,68 1,08	0,5	2,2	132,9 1,65	24,3 0,78	40,1 1,06	87,6 1,27	4,3	2,4	58,7 0,78	58,9 0,82	0,3		3,0
6,94 0,78	.___ _1		6,3	0,3	1,4	2,3	HB	0,3	0,3	IIB	IVA	IB
0,2					VIII	VIII

cn

cn cn co

ψψ U54556

Die Ergebnisse zeigen, dass von allen untersuchten Kationen, sowohl einwertigen als auch zweiwertigen, das Strontiumion in dem Molekularsieb der Gattung X das höchste Ädsorptionevermögen für Stickstoff liefert und man daher annehmen kann, dass es die erforderlichen Eigenschaften für die stärkste Wechselwirkung mit dem Gasmolekül des Stickstoffs "besitzt.

Aus Tabelle V ist ferner ersichtlich, dass das Barium-A-Molekularsieb überhaupt kein Adsorptionsvermögen für Stickstoff oder Sauerstoff besitzt. Das Barium-X-Molekularsieb besitzt für Stickstoff ein ähnliches Adsorptionsvermögen wie das 13X-MoIekularsieb (Natriumform), hat jedoch für Sauerstoff ein höheres Adsorptionsvermögen als das 13X-Molekularsieb, was auf schlechte Ergebnisse bei der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff hindeutet, i3X-Molekularsiebe sind bekanntlich den Strontium-Molekularsieben unterlegen,, Das Oalcium-X-Molekularsieb iöt nahezu so gut wie das Strontium-X-Molekularsieb.

Dieses Strontium-X-Molekularsieb, welches aus dem im Handel erhältlichen i3X-Molekularsieb durch Ionenaustausch mit einer Strontiumchloridlösung hergestellt wurde, wurde in einem Adsorptionsayklus von etwa O bis 2,1 atü mit verschiedenen Molekularsieb-Adsorptionsmitteln verglichen* Entgegen der Erwartung verhielt sich unter den hier angewandten Adsorptionsbedingungen (Adsorptionszyklus von 0,21 bis 2,ι atü bei 21° O) das durch Strontiuioionen substituierte 13X~Moiekularsieb ganz ähnlich wie das unveränderte ^X-Molekularsieb. Dies ergibt sich aus Tabelle VI.

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H54556

	Tabelle VI	21 bis 2,1 atü
	AdBorptionszyklus von 0, bei 21° 0	O2-Gehalt des Produktes, %
Molekularsieb	Netto-Og-Produkt- menge*	32 31 30 31
5A 13X 1OX X-Sr	122 104 85 98

* nl bei HTP/100 g Molekularsieb

Tatsächlich ist das 13X-Strontium-Molekularsieb (X-Sr) einigen anderen der als Adsorptionsmittel untersuchten Molekularsiebe etwas unterlegen. Es liefert nahezu die niedrigste letto-Sauerstoffnsenge im Produkt und verhält sich hinsichtlich der Sauerstoffkonzentration des Produktes nicht besser als die Hatriumform des 13X-MolekuIarsiebes und etwas schlechter als die Calciumform des 5A-Molekularsiebes.

Im wesentlichen beruh« diese Ausführungsform der Erfindung auf der Auffindung eines neuen Verfahrens, bei welchem das Strontium-X-Molekularsieb und die anderen bevorzugten Molekularsiebe gemäss der Erfindung in äusserst wirksamer Weise ausgenutzt werden. Es wurde nämlich gefunden, äass durch Anwendung eines Vakuurazyklus das hohr Adsorptionsvecmögen des Strontium-X-Molekularßiebes (X-Sr) ausgenutzt werden kann. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, das& die Anwendung de,3 Strontium-X-Moleku- lareiebee in der üblichen Weise nur mittüllmässige Ergebnisse

~ *⁵ ~ BAD

909808/03A9

liefert. Sie bei dem Verfahren gemäss der Erfindung erzielten aussergewöhnlichen Ergebnisse waren ganz überraschend und liessen sich vor der tatsächlichen Durchführung der Erfindung nicht voraussagen. Die Erfindung beruht auf der Feststellung» dass das Adsorptions^ermögen allein» wie es durch die Adsorptionsiso thermen wiedergegeben wird, kein Mass für die Fähigkeit des Adsorptionsmittel ist, eine Zerlegung in die Komponenten zu bewerkstelligen. Es ist vielmehr die relative Form und Steigung der Adsorptionsisothermen der Komponenten! die den Bereich bestimmt, innerhalb dessen die Adsorptions- und Desorptions« drucke für die günstigste Trennwirkung gewählt werden müssen. Bei dem "üblichen", ohne Wärmezufuhr durchgeführten Adsorptionszyklus zur Gewinnung von Sauerstoff wird die Adsorptionsstufe bei hohem Druck, z.B. 2,1 bis 3»5 atü, und die Desorptionsstufe bei Afemosphärendruok durchgeführt. Die Desorptionsstufe besteht aus einer Druckentspannung, z.B. auf Atmosphärendruck, mit ansahlieasender Gasspülung bei Atmosphäsendruck. Bei dem "üblichen" Zyklus ist ein Kompressor erforderlich, um die Adsorptionsmittelbehälter wieder auf den für die Adsorptionsstufe erforderlichen Druck zu bringen. Der Vakuumzyklus gemäss der Erfindung benötigt keinen Kompressor, da die Adsorptionsmittelbehälter iait Luft bei Atmosphärendruck wieder auf den Adsorptionsdruck gebracht werden. Es ist nur ein einfaches Gebläse zur Zufuir dsi,· Ausgangsluft erforderlich, um das gewünschte, an Sauerstoff angereicherte Produkt zu erhalten. Die Desorptionsstufe erfordert jedoch eins Vakuumpumpe oder

- 46 909808/0349

U5A556

Saugpumpe für die Verfahrensstufen der Druckentspannung und Spülung.

Die Zweokmässigkeit des Vakuumzyklus hängt von der Wahl der geeigneten Arbeitsbedingungen ab, die für einen praktischen Arbeitezyklus erforderlich sind. Da die Vakuumpumpe der begrenzende Paktor ist, wurde ein massiges Vakuum von 200 mm Hg oder 0,274 ata als geeigneter Desorptionsdruck gewählt, wie er sich mit billigen technischen Vakuumpumpen erreichen lässt. Als Ausgangspunkt für diese Untersuchungen wurden die folgenden Bedingungen gewählt;

Temperatur	32	0C
Adsorptionsdruck	0	atü
Desorptionsdruek	200	mm Hg
Verhältnis Spülgas
volumen s Be8chickungsvolumen	0	,7

Pig. 11 ist eine schematische Darstellung dieser besonderen Aueführungsform einer Sauerstoffanlage gemäss der Erfindung.

Pig. 12 ist eine schematische Darstellung einer zur Auswertung verschiedener Adsorptionsmittel vind Verfahrensbedingungen verwendeten Versuohsvorrichtung, mit der die Netto-02-Kapazitäten gemessen wurden.

Pig. 13 ist eine graphische Darstellung der mit der in Pig. 12 abgebildeten ^ersuohsvorrichtung mit verschiedenen Molekularsieben gewonnenen Druckimpulsergebnisse.

Pig. 14 zeigt die Adsorptionsisothermen für Stickstoff und Sauerstoff an verschiedenen Molekularsieben.

Pig. 15 ist das i.rbeitsschema eines typischen Adsorptions-

- 47 90980 8/0340

zyklus und "braucht n.lcfat weiter erläutert zu werden.

Die Arbeitsweise der in Fig, Ii dargestellten Vorrichtung ist die folgendes D:le Adsorptionsbehälter 201 und 202 sind an ihren Beschickungsenden direh das fünf Öffnungen aufweisende Vierwegventil 203 und an Ihrem Kopf duroh das Spülgasventil und die Spülgaeöffmmg 20:3 sowie dureh das Druckausgleichventil 206 miteinander verbunden. Das primäre Produkt, d,h. an Sauerstoff angereicherte .üuft, wird aus den.Behältern 201 und 202 durch die Leitungen 207 und 208, die Rückschlagventile und 210 und die Proäuktleitung 211 abgezogen. Das Gebläse 212 liefert den zur Zufuhr von Luft unter At no sphär endruck zu den Adsorptionsmittelbehältern durch das Ventil 203 erforderlichen Druck.

^: Beginnend mit der in Fig. 15 dargestellten Druckausgleichsstufe des Zyklus_} befinden sich die Adsorptionsraittelbehälter 201 und 202 auf Druckausgleich, d.h. daa Bxruekausgleiehventil 206 ist offen und stellt eine freie Verbindung zwischen den Behältern 201 und 202 darch die Leitungen 215 und 214 her. Hun wird der Brüsk im Gefäes 201 von Atmosphärendruck auf etwa 500 mm Hg ireriaindert m& der Druck in de» (Jefäss 202 von 200 nm Hg auf etwa 500 mm Hg erhöht. In der nächsten Periode des Zyklus öffnet sich die Tentilö'ffnung 215,.wodurch der Druck in dem Gefäsε 201 τοπ 500 mm auf 200 mm Hg herabgesetzt wird und die Vakuumpumpe 212A adsorbiertes Materfei durch Leitung 216, VentilÖffnusig 21 ;ϊ und Leitmg 217 absaugt. Gleichzeitig wird das Gefäss 202 durch 3"i©itu?ig 218, VentiJ b'ffnung 219 das Ventils

·· 48 909808/034$

U54556

203 und Leitung 220 mit atmosphärischer luft aufgefüllt. Wäh rend also der Druck in dem Gefäss 201 von 500 mm auf 200 mm Hg entspannt wird, wird der Druck in dem Gs fass 202 von 500 mn? Hg auf Atmosphärendruek erhöht. Während der Vakuum- und Wiederunterdruokeetzungeperioden des Zyklus sind das Druckausgleichventil 206 und das Spülgaeventil 204 geschlossen. In der nächsten Periode des Zyklus wird atmosphärische Luft von dem Gebläse 212 durch leitizng 218, Ventilöffnung 219 und leitung in das Adsorptionsini ttelgtfäss 202 gedrückt. Während dieses Teiles des Zyklus wird das Spülgasventil 204 geöffnet, so dass ein Teil des primären Produktes aus dem Gefäss 202 durch die leitungen 214 und 221, Spülgasöffnung 205, Spülgasventil 204 und leitung 215 in das Geiäss 201 strömt, wo es "beim Abwärts-Btrömen adsorbierte Bestandteile mitfuhr 5, worauf das Gasgemisch durch leitung 216, Dentilöffnung 2*5 und Abzugsleitung 217 duroh die Vakuumpumpe abgesaugt wird. Gleichzeitig strömt primäres Produkt aus lens Gefass 202 duroh leitung 208, Ventil 210 und leitung 211 aas.

Am Ende dieser Psriodo des Zyklus schließet sich das Spülgasventil 204, das Drickauagleichventll i:06 öffnet sich, und die Strömung der atmoiphärlachen luft dureh leitung 218 wird unterbrochen, indem die Ventilöffnungen ?19 und 215 geschlossen werden. Nun steigt de..* Druok im Gefäss 2Ci von 200 mm Hg auf ' -iOO mm Hg, während de:? Brujk im Gefäas 2C2 von Atmoophärendruek auf ';00 um Hg absinkt. Die Strömung von atmosphärischer luft leitung 218, Ventilöffnung 222 des Ventils 203 und Iei-

- 49 -9 0 9 8 0 8 / 0 3 A 9

U54556

tung 216 in den Behälter 201 wird wiederaufgenommen, wobei das Druckausgleichventil 206 und das Spülgasventil 204 geschlossen sind. Hierdurch steigt der Druck im Gefäss 201 von 500 mm Hg auf Atmosphärendruok. Gleichzeitig erzeugt die Pumpe 212A in dem Gefäss 202 ein Vakuum, so dass adsorbierte Bestandteile durch Leitung 220, Ventilöffnung 223 des Ventils 203 und Abzugsleitung 217 austreten.

Wenn der Druck in dem Gefäss 201 A tiso Sphärendruck erreicht, strömt Produkt aus dem Gefäss 201 durch Leitung 207 und Ventil 209 und wird über Leimung 211 gewonnen. Gleichzeitig öffnet sieh das Spülgasventil 204, so dass ein Teil des Produktes duroh Leitung 213, Spülgasventil 204 und die Leitungen 221 und 214 in des Gefäss 202 eingesaugt wird, von wo es den Rest der adsorbierten Bestandteile öuroh Leitung 220, Ventilöffnung 223 und Abzugsleitung 217 abführt. Am Ende dieser Periode des Zyklus befindet sich das Gefäss 201 auf Atmosphärendruck und das Gefäss 202 auf einem Druck von 200 mm Hg.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern, für alle diese Beispiele wurde ein .Ansatz von Strontium-X-Kolekulsrsieb nach dem üblichen, absatzweise durchgeführten Ionenaust&usshverfahren unter Verwendung sines handelsüblichen i3X~Halekularsiebes (Hatriumform des X-Gifeters) und von Strontiumchloridlösungen hergestellt. Hierbei worden die Natriumionen des 13X-Molekularsiebes zu 85 bis 9!5 $6 gegen Strontiumionen ausgetauschte

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Beispiel 8

In einigen dieser Beispiele wurde die in Pig. 12 dargestellte Druckimpuls-Msorptionsmittel-Auswertungsanlage verwendet» um die Methode des V&kuumzyklus zu "beurteilen. In dieser Vorrichtung wird eine zunächst ins Gleichgewicht gebrachte Adeorptioiasmittelschioht 25 mit strömender Luft von einem niedrigen auf einen höheren Druck gebracht.

Bai Verfahren verläuft folgendermaßen: Bas zu untersuöh>äde Adsorptionsmittel wird durch 2-stündiges Erhitzen auf 315° C unter gleichzeitiger Spülung mit trockenem Helium aktiviert. Das Beaktionsgefäse wird auf 21° 0 gekühlt und mit trokkener tuft ausgespült» Der Druck wird mit Hilfe eines Auspuff-Widerstandsreglers 28, der die Abzugsgeschwindigkeit des Durchlaufe konstant hält, bei 0,35 atü konstant gehalten. Die Sauerstoffatomen tration in dem Durchlauf wird mit Hilfe des Analysiergerätes 31 überwacht. Nun wird der Einlassdruck plötzlich sowohl mittels des Zufuhrreglers als auch mittels des Auapuff-Widerütahdsreglers auf 2,1 atü erhöht. Dies erfolgt mit Hilfe der Elektromagnetventile 26 und 27 und der parallel damit arbeitenden Auspuff-Widerstandsregler 28 und 29 bei Drucken von 0,35 und 2,1 atü. Nachdem die LuftZusammensetzung wieder erreioht ist, wird der Druck plötzlich auf 0,35 atti vermindert. Dieser Druckzyklus wird in gleichbleibenden Zeitabständen wiederholt. -■■-.·

Die auf diese Weise erhaltene Sauerotoffimpulskurve ist ein gutes qualitaiji-ve? Mass für die Fähigkeit des Adsorptions-

- 51 909808/0349

U54556

mittels, Sauerstoff und Stickstoff voneinander zu trennen. Die Fläche unter der Impulskurve über dem Wert des Sauerstoffgehaltes der Zufuhrluft (21 <f» Sauerstoff) ist ein quantitatives Mass für die Sticksto.ff-Arbeitskapazität oder die Netto-Sauerstoff-Produktionskapaaität und wird als XS-Sauerstoff oder Netto-Og-Produkt (ml "bei NTP/100 g Adsorptionsmittel) ausgedrückt. Typische Erge"bnS,sse dieses Beispiels, die sowohl den Druckzyklus als auch den Vakuumsyklus erläutern, finden sich in Tabelle VII (vglc auch Figo 13).

Tabelle VII	Üblicher** Zyklus
X-Sr* Vakuumzyklus	120 31
240 87

XS O₂ bei 21° ö

Maximaler Sauerstoff, gehalt, V0I.-9& O₂

* 3 um Hg bis 0,14- a;ü, ** 0 bis 2,1 atüj ^-Molekularsieb.

Die grosse Pläche unter der Impulskurve (XS O₂), das wesentlich höhere Maximum für der. Sauerstoffgehalt und die scharfe Adsorptionsfront, die sämtlich aus Fig. 13 ersichtlich sind, beweisen den beträchtlichen technischen Fortschritt, der durch den Vakuumzyklus gemäsa der Erfindung mit dem Strontium-X-Molekularsieb erzielt wird.

- 52 -

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Beispiel 9

(Dieser Versuch wird in der Vorrichtung gemäee Fig. 11 durchgeführt)

Ein Adsorptions-Desorptionsverfahren mit einem 90 Sekunden-Vakuumzyklus unter Verwendung eines Strontium-X-Molekularsiebee sowie ein "Üblicher" Adsorptions-Desorptionszyklus unter Verwendung eines 5A-Molekularsiebes werden durchgeführt, um die Wirkung des Strontium-MolekularSiebes bei Anwendung des Vakuum-Zyklus mit der Wirkung des 5A-Molekulars:lebes bei Anwendung des •»üblichen¹¹ Zyklus zu vergleichen. Die Re.lnheit des Produktes wird für beide Zyklen auf 72 $> Sauerstoff eingestellt. In diesen Falle wird der Vakuumzyklus mit dem X-Sr-Molekularsieb bei einem Adsorptionsdruck von 0,35 atü durchgeführt, um das Auffangen und die Analyse des an Sauerstoff angereicherten Produktes zu erleichtern. Sie Ergebnisse finden sich In Tabelle VIII.

Tabelle VIII

X-Sr-Holekular SA-Molekularsieb, Vakuuiü- sieb*, ^wüblizyklus eher" Zyklus

Druckbereich 200 mm Hg/0,35 atü 0 atü/2,1 atü

Dauer des Zyklus, Sek. - - 90-

Produktreinheit, # O₂ 72

Produktgeschwindlgkei t,

l/Std./kg(NTP) 66 ca. 50

Gewinnung, i» Sauerstoff 56 41

* Aus den Ergebnissen dpr Üblichen O₂-Anlage geschätzt.

Aus Tabelle VIII ist arsichtlich, dass durch den Vakuumzyklus alt den Strontium-X-Molekularsieb die Sauerstoff-Produktge-

U54556

aehwindigkeiten und die Gewinnung um mindestens 30 # gegenüber dem "üblichen" 2yklus erhöht werden.

Bei der Untersuchung mit der Versucheanlage unter Verwendung des X-Sr-MoiekularSiebes wurde trockene Luft zugeführt und ZQit längeren AdsorptionsmitteXschichten (1,5 01) gearbeitet, und dies trug in gewissem Auslasse zu den günstigeren Ergebnissen bei. Der "übliche" Zyklus wurde mit Zufuhr von feuchter luft und Molekularsiebsehichten ron 99 cm Länge, durchgeführt. Aber selbst wenn man diese Wirkungen in ßechnung stellt, bietet der mit dem X-Sr-MoIekularsieb durchgeführte Vakuumzyklue immer noch den Vorteil eines um etwa 30 # besseren Ergebnisses. Diese Schlussfolgerung gründet sich teilweise auf die sehr scharfen Adsorptionsfronten, die sich beim Vakuumsyklus ergeben und die Wirkungen der Länge dar Adsorptionsmittelschicht und des Wassergehaltes der zugeführten Luft auf ein Minimum herabsetzen.

Beispiel 10

Die Wirkung der Länge des Zyklus wurde weiter in einer mit einem X-Sr-Molekul.arslsb beschickten Auewertungsanlage gemäss Fig. ti untersucht, indem die Produktgeschwindigkeiten und die Gewinnung für einen 90 Sekunden-Zyklus und einen 500 Sekunden-Zyklus miteinander verglichen wurden. Die Produktreinheit wurde auf etwa 72 i» O₀ gehalten, und es wurden die Produktgeschwindigkeiten und die Zufuhrgeschwindigkeiten gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die bei dem 90 Sekunden-Zyklus erzielte Produktgeschwindigkeit von 66 l/Std./kg (NSfP) bei dem längeren 500 Sekunden-Zyklus auf 13 l/Std./kg (NTP) zurückging.

- 54 -909808/034 9

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Die Produktgeachwindigkeiten standen in wesentlichen in den gleichen Verhältnis zueinander wie die Längen der Zyklen. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle IX*

Tabelle IX	Dauer dee Zyklus	<)0 Sekunden	£00 Sekunden
Produktreinheit, £ O2	72	73
Produktgeechwindigkeit,
l/Std./kg (HTP)	66	13
Gewinnung, £ 0»	56	72

Die Dauer des Zyklus hat einen ausgesprochenen Einfluss auf die O₂-Gewinnung. Die 0₂-Sewinnung steigt von 56 i° O₂ für den 90 Sekunden-Zyklus auf 72 i° O₂ für den 500 Sekunden-Zyklus. Es wird angenommen, dass der starke Anstieg der Sauerstoffgewinnung bei dem längeren Zyklus aif zwei Ursachen beruht. Erstens verbessert die längere Dauer des Zyklus die Ausnutzung des Adsorptionsmittel, indem sie Massenübertragungs-Zoneneffekte, die gewöhnlich durch die ait schnellem Periodenwechsel verbundenen hohen Geschwindigkeiten beeinträchtigt werden, herabsetzt; zweitens ermöglicht die längere Periodendauer einen glatteren Betrieb der Anlage.

Beispiel 11

Es wurde ein Vergleich mit Anlagen von ähnlicher Bauart wie derjenigen genäse Pig. 11 zwischen einen Vakuumzyklus nit einem X-Sr-Molekularsleb und dem "üblichen" Zyklus in einer Anlage angestellt, die i!,83 Nm' Luft je Stunde nit einem Sauerstoffgehalt von 60 i» erzeugte. Dies ist eine Strönungsgeeohwin-

·■ 55 - 909808/0349

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digkeit und eine Sauerstoffkonzentration, die für "Keilzweoke in Betracht kommt» un; ein gsnses Zimmer auf einen Sauerstoffgehalt von 4-0 $ su bringen und eine ausreichende Ventilation für ©inaii in dem Raust still sitzenden erwachsenen Patienten zu gewährleisten. Für den Valruumzyklue mit dem X-Sr-Mclekularsieb wurden drei lalle In Betrasht gezogen* nämlich von Atmosphärandruck "bis 200 hub Hg, von i.tmosphärendruok bis 100 mn Hg und von 0,55 atü bis 200 mm Hg* Di© Ergebnisse zeigten, dass der Vakuumzyklms mit de® X-Sr-Mclakularsieb einen Vorteil γοη mindestens 10 ψ gegenüber dem mit dem SA-Moleloalarsiefe durehgefühx·- ten "ütolichesi" gyklue von 0 feie 2,1 atü bot. Dieser Vorteil bezieht sich sowohl auf die Erfordernisse für die Zufuhrgeschwindigkeit als auch auf die Eenge des Adsorptionsmittel. Me Ergebnisse finden sich in Tabelle X«

BAD O,^ .- 56 -

909808/0349

Tabelle X

co ο co

mungagrundlaae

Produktgeschwindigkeit Produktreinheit JLdaorptionsmitteleohiohtlänge Betriebsschema

Zufahrperiode Druckausgleich Entleerung und Spülung Druckausgleich Wiederunterdruckeetzung

Insgesamt

Fall Adsorptions-

Hr. druck, atü

II 0,35

III

IV* 2,1

Deaorptionsdruck, mn Hg

200 200 100 760

2,83 60 i» 99 cm

25 Sekunden 5

40 " 5 15 ^w

90 Sekunden

Grosse der Adsorptionemi ttelschicht p cm

37,65 32,66 32,66 42,18 Gebläseleistung,

18,8 17,5 17,5 19,55 15,3
16,3
15,85
16,7**

Leistung der
Vakuumpumpe,

10,75

11,9

11,9

Spüldauer,
Sek.

15

10

25

* "üblicher Zyklus nit 5A-Molekularsieb. ·· Kompressor wird für den "üblichen" Zyklus benötigt.

cn *^ cn cn cn

Es ist zu bemerken, dass die ausätBliebe Variationefähigkelt des Vakuumsyklixs mit des Str$ntiua~X-Molekularsieb auch den Betrieb zur Erzeugung irea Sauerstoffgehalten von über 60 $* gestattet. Z.Bc würde dia Erzeugung von Luft sit einem Sauerstoffgehalt von 12 $> bei Anwendung eine© Strontium-X-Kolekular-Siebes und einss Druokzyklue von Atroosphäreiidruck bis 200 mm Hg die erforderlich© Zufuhrgeschwindigkeit weiter auf 12,75 Bm /Stde und die erforderliche Menge des Adsorptionsmittel auf 31»75 kg herabsetzen. Dies zeigt den besonderen Vorteil der Verwendung des Strontium-X-Molekulareiebes in Verbindung mit dem Vakuumzyklus ssur Herstellung von sauerstoff reichen Atmosphären. Auseerdem gestattet der Vakuumzyklus den Ersatz dee Kompressors durch eine einfachere, billigere und kleinere Vakuumpumpe.

Dl© in einer Versuchsanlage ähnlich derjenigen gemäss 11 durchgeführter. Untersuchungen mit dem Vakuumzyklus unter Verwendung des X-Sr-Molekularsielses wurden auf die Erzeugung von sehr reinem Sauerstoff ausgedehnt. Ee wurde eine Produktreinheit von 93 $> O₂ bei einer Produktgeschwindigkeit von 32,7 l/Std,/kg Adsorptionsmittel (HTP) und eine hohe Gewinnung von 53 i* O₂ erzielt. Der beobachtete Spitzenwert betrug 93 §t O₂ mit einem Stickstoffgehalt von weniger als 0,1 #. Sas restliche Gas bestand aus 7 i> Argon.

Biese Ergebnisse zeigen, dass man mit dieser Art von Zyklu· ein praktisch stickstofffreies Produkt erhalten kann. Sauerstoff

- 5B 909808/0348 _:

H54556

▼on diesen hohen Reinheitsgrad kann als Ausgangsgut für die weitere Reinigung durch Entzug des Argons verwendet werden·

Neuere Adsorptionsmittel-Auswertungsuntersuchungen haben geneigt, dass bei Vervendung eines 4A~Molskularsiebes bedeutende Unterschiede in der Diffusionsgeschwindigkeit zwisohen Argon und Sauerstoff bestehen. Dies ermöglicht die Entwicklung von Methoden Eur Trennung von Argon und Sauerstoff mittels eines 4A-Molekularsiebes oder mit Hilfe von Diffusionesohranken aus eikroporösem Glas oder dem neuerdings von der Firma duFont entwickelten "Teflon FEP"-Fluorkohlenstofffilm.

Beispiel 13

- In diesem Beispiel wurde 55- bis 58 $iger Sauerstoff erzeugt und gleichzeitig bei der Druckentspannung ein 90 $> Stickstoff enthaltendes Gas mit einer Geschwindigkeit von 42,3 l/Std./kg Adsorptionsmittel (NTP) gewonnen. Diese Werte wurden bei einem 500 Sekunden-Zyklus gemessen. Bei Anwendung eines 90 Sekunden-Zyklus kann die Stickstoffgewinnungsgesohwin- digkeit sogar 235 l/Std./kg (NTP) betragen. Stickstoff von noch höherer Reinheit kann durch Arbeiten bei niedrigeren Drucken oder durch Verwerfen des ersten Teiles des bei der Druckentspannung gewonnenen Gases erhalten werden. Auch andere Methoden, wie die KreislauffUhruig des Stickstoffproduktes von niedrigem Reinheitsgrad während ler Druckausgleichsstufe, können zur Erhöhung des Reinheitsgrades des Stickstoffe angewandt werden.

Der Vakuumdesorptionszyklus bietet also gegenüber dem "üblichen¹¹ Zyklus, der mit einem 5A-Molekularsieb bei hohem

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.Druck arbeitet, bsdeutende Vorteile. Bus-öh den V&kuumsyklus alt üem Strontium-X-Molekularsisb kann did Sauerstofferzeugung gegenüber dein "üblichen¹· Zyklus ma 30 # erhöht; werden, ferner Si ein Reinheitsgrad des Sauerstoffs von 93 $ erzielt weri₃ Sohliesslieh ist es möglich, smsätzlich Stickstoff von 9iner lieinheit τοη mehr als 90 $ bei dem Vakuumzyklus unter Verwendung des X-Sr-Molekularsiebes mu gewinnen.

Aus den oben beschriebenen, mit Hilfe des Strontiun-X-Molekularsiebes ersislbaren Vorteilen können Rückschlüsse auf der Srundlage tob Beobachtungen Ia Bezug auf die Steigungen der Stickstoff- und Sauerstoff-Adsorptionsisothermen gezogen werden;. Obwohl das Adaorptionsvermögen des Strontium-X-Molekular@iebes im Vergleich ^u dem Hatriuai-13X-MolekularBieb oder dsas 5A-Molekularsieb, vrelches die Calciuicforio des Natrium-4A<Molekularsiebes ist, für Stickstoff und Sauerstoff"aussergewönnlich hoch ist, beginnt die Adsorptionsisotheraie für Stickstoff an dem Strontiun-X-Molekularsieb oberhalb Atssosphärendruck sich abzuflachen, während die Adsorptionsisotherise für Sauerstoff im wesentlichen linear verläuft und weiter steigt. Das Sösamtergebnis bei Anwendung eines Druckzyklus ist eine niedrige Netto-Sauerstoffproduktion und ein Sauerstoff von geringer Reinheit. Die Porxn der Aöaorptionslsotherme für Stickstoff an des? Strontium-X-Molekularsieb führte zu dem ohne Wärmezufuhr in eine© niedrigeren Druckfeereich durchgeführten Adsorptionszyklus j wo die Steigung der Kurve im Vergleich zu der Steigung der Sauers toi fkune am grössten 1st. Dies ist ein

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grundlegendee Merlnal der Erfindung. Wenn das 13X-Natrium-Molekulareieb In Verbindung mit dem Vakuumzyklus verwendet wird, erhält nan schlechtere Ergebnisse als mit dem Strontium-X-Molekulareieb.

Es wurde ferner gefunden, dass die Geschwindigkeitseffekte des Molekularsieb-Adsorptionsmittel geändert werden können, wenn nan die Natriumionen des synthetischen Molekularsiebeβ der Gattung A, nämlich des bekannten technischen 4Λ-MolekularSiebes, in kritischer Weise gegen andere Ionen austauscht· Ein hauptsächlicher Anwendungszweck des neuen Molekularsiebeβ gemäss dieser bevorzugten Aueführungsform der Erfindung ist die Trennung von Stickstoff und Sauerstoff in einem Adsorptionszyklus, bei welche* Stickstoff als primärer Durchlauf gewonnen werden kann.

In der Technik besteht ein Bedarf an inerten Gasen, z.B. zur Schaffung von Schutzgasatmosphären, der einen Anreiz zur Entwicklung und Verbesserung der Methoden zum Reinigen von Stickstoff bietet. Ee wurde bereits gezeigt, dass die Adsorptionsmethode ohne Wärmezufuhr ein wirksames Verfahren zur Herstellung von 98 tigern Stickstoff aus Luft ist. Bei Verwendung des oben beschriebenen Vakuumzyklus in Verbindung mit dem Si-X-Molekularsieb leidet dieses Verfahren jedoch an dem Nachteil einer niedrigen Stickstoffgewinnung, da in der adsorbierten Phase etwas Sauerstoff zusammen mit dem Stickstoff angereichert und der Stickstof:? bei der Desorption aus dem Adsorptionsmittel gewonnen wird. Ein höherer Gewinnungsgrad an Stiokstoff vrUrde möglich sein, uexm der Stickstoff nur schwach ad-

9 098087 6^9 bad

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sorbisrt weMen klSnnts, eo dass der Sauerstoff sich in tier gorbitrieß Hsaßg arireiohert inaa der Stieicstoff als priraärei* Durohl&tif gewonnen wi:-?d·

Die Anwendung Sm^ ©leichgevjichts-Adsorptionsuiakehr für üg ικιά Og ^⁸^· Verwendung eizieg 4A-MGlekul&£'8iebee form) in eines sehr sohnellen AdsorptionsZyklus ohne fiüir (5 Ms 15 Sekuadijn) ist bereits bskamit« Γ-er eofe.selle Pe-. riodenweolisel ist jedoefe für teohnisclie Anvrendimgs2sw©ak9 «n» praktiBöhf da die erfosiderliehe vorhältnieoäseig grosee Anlage unter ihrer arteigenen Trägheit leidet*

Ein Molekularsieb gemäes der Erfindung, welches ein© Abänderung des 4A-Mol@kularsi6bea ist, zeigt eine gute Fähigkeit für die Reinigung von Stickstoffströmen unter Ausnutisimg des Prinzips der Qleiehgewichta-AöBorptionsuBikehr.

Bekanntlieh spielt das Kation des MolekularSiebes eine wichtige Rolle für die Siebwirkung bei Trennvorgängen. AusgerdeiE ändert das Kation äen Charakter der inneren Oberfläche das Molskularsielaes, wodurch die Selektivität der Adsorption für eine EoBspone&te gegenüber der anderen beeinflusst wird. Es wurde auch gezeigt, dass in einigen wreinsselten Falles ein besonderes Kation die öosohwindigkeit der- .Adsorption für bestimmte Gase besinflussen kenn. Bs wird angenommen, dass dieser Effekt auf die teilweise* ?©r3perrung der Gitterfenster des MoIekulareieiies durch die lage und 5rösse_ des Katicns zurückzuführen istc Ein Beispiel hisrfür ist die Adsorption von Stickstoff an dem 4A-Molekularsi<!b. Adscrpticnevsrsuche haben gezeigt, dass die Adsorption von Stickstoff langsam verläuft, während

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BAD

Graee, wie Sauerstoff und Argon, ßohuell adsorbiert werden. Die Wirkung iet aber nur unbedeutend, so dass es verhältnismäßig unpraktisch erscheint, die Adsorption dea Stickstoffο durch »inen schnellen Periodenwechsel bei den ohn« Wärmezufuhr durchgeführten Adsorptionszyklus zu behindern.

Tür das System Stickstoff-Sauerstoff wurde die Adsorptionsgeschwindigkeit nur im Zusammenhang mit de$ Hstriumion des Molekularsiebes der Gattung "A" (des 4A-Moleteularsiebes) betrachtet. In Falle von einwertigen Kationen führt der Austausch gegen kleinere Ionen, wie Lithium, nur zur öffnung des Gitterfensters des Molekularsiebes, so dass der Gesohwindigkeitodffelrt vollständig beseitigt wird. Der Austausch gegen grosser» Kationen, wie Kalium, wie im Falle des 3A-MoIekularSiebes, blockiert die Adsorption von Stickstoff, Sauerstoff und Argon vollständig, so dass mit diesen Molekularsieben keine Trennung möglich ist. Ks wäre «in zwischen dem 3A-3$olekularsieb und den 4A-Molekularsieb gelegenes "3 i/2Aⁿ~Molekularaieb erforderlich, um einerseits die Adsorption des Stiokstoffs vollständig zu verhindern oder stark zu verzögern und andererseits eine rasche Adsorption von Sauerstoff und bzw. oder Argon zu ermöglichen.

Aus der Molekularsiebanalyse ist bekannt, dass das Gitter des 4A-Molekularsiebeß 12 llatriumionen enthält, von denen 4 sich In der Nachbarschaft der Gitterfenster des Holekularsiebes befinden. Da jedes Nolekularslebgitter 6 Fenster oder Eintrittsöffnungen hat und jedes dieser Fenster auoh zu einem angrenzenden Kolekulareiebgitter gehört, erkennt man, dass jedem Moleku-

" ⁶³ " BAD

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6Ψ

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Xarsieb-Gitterfenstar ungefähr 2 Hatriuraionen eingeordnet sind* Diese besonderen «lenster^Kationeii sind gewöhnlich die ersten, die dem Ionenaustausch unterliegen und die kritischen Abmessungen d©r Bintrittsöff'nung des Molekularsietogitters beeinflussen. Ss wird angenommen, dass durch teilweise*! Austausch^ d.h. indea? mir eines oder die beiden kritischen natriumiodid gegen ein grösseres Kaliuraion ausgetauscht werden, das HoleietiX&rsieb-Gritterfenster so geändert werden kann» dass eine rasche Adsorption von Sauerstoff erfolgt, die Adsorption des Stickstoffe jedoch stark verzögert wird.

Es wurde gefunden, dass etwa 9 Me 11, vorsugswöise etwa 10 i» der Natriumionen gegen Kaliumionen ausgetauscht werden sollen, um ein ^U3 1/2A"-Molekularsleb zn erzeugen.

Diese Umsetzung kann durchgeführt wertes, indem man das Molekularsieb mit einer wässrigen Lösung in Berührung bringt, die eine gewisse Menge Kaiiusiioiien enthält, wobei die kritischen Bereichs in der Menge dieser Ionen so ausgewählt werden^ dass etwa 9 bis 11 MoX-$ der Hatriumionen durch Kaliumionen ersetzt werden.

Das so modifizierte Molekularsieb gemass der Erfindung kann au«3h zur Trennung von KoMenmonoxyd und Stickstoff verwendet werden. Diese Eigenschaft des Molekularsiebes ist für die Herstellung inerter Atmosphären, s_eB. sur Lagerung von Nahrungsmitteln und üemiiae, v/iehtig.

Es ist aber nicht nur bei dem 4A-MoIakularsieb Höglieh, die Fensteröffnung den Molekularsiebgitters durch Austausch von Natriumionen gegen Kaliuaionen au beeinflussen, sondern das

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gleiche Verfahren lässt sich auch auf andere Molekularsiebe anwenden. Ee wurde z.B. vorstehend gezeigt, dass Strontiumionen in Molekularsieben mit dem "X"- oder dea ^BAⁿ-Gitter das Adsorptionavermögen und die Selektivität für Stickstoff gegenüber Sauerstoff im Vergleich zu den Hatriumformen dieser Molekularsiebe beträchtlich steigern. Daher sollte eine Kombination der Strontiun-Molekularsiebeigensch&ften mit dem teilweise durchgeführten Ionenaustausch der Gitteri'ensterionen zu einem Molekularsieb mit den günstigsten Charakter der inneren Oberfläohe und der günstigsten Grosse der Gitterfenster zur Erzielung einer maximalen Trennung von Gasbestandteilen führen.

In diesem Sinne kann ein Molekularsieb durch praktisch vollständigen Ionenaustausch gegen ein besonderes Kation oder mehrere besondere Kationen hergestellt werden, um das maximale Adsorptionsvermögen für die jeweils gewünschte Komponente zu erzielen. Dies beeinflusst die innere Oberfläche, und anschliessend wird das Gitterfenster des Molekularsiebes nach dem erfindungsgemässen Verfahren auf die gewünschte Grosse eingestellt, um die Molekularsiebwirkung für die Trennung der Komponenten zu erleichtern. Die» kann durch teilweisen Ionenaustausch erfolgen, da ee gerade die dem Fenster am nächsten gelegenen Kationen sind, die die Fensteröffnungen beeinflussen und am leichtesten dem Ionenaustausch unterlisgen.

Nachstehend ist ein Verfahren zur Herstellung eines Molekül arsiebes zur weiteren Verbesserung der Trennung von Stickstoff und Sauerstoff mit Hilfe des "3 i/2A^w-Geechwindigkeitseffektes beschrieben.

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{I) Man stellt ein StrontiuE-A.-Malelralarsitf'b durah ites tausch von 80 bis 100 Mol-$ der N&triumioneft 4A»Holekulsr3ie¹fees gegen Strontluniloiien ir* Ii&ewig her»

(2) Unter Verwendung cöh verdünnten ür^trittmohl gen werden mw- die in den S-ittaliensteiin ö StroßtiiasJ.oßöHi (50 bis 40 Kol~$· ä©r gssäi?v« tiumionsn) gagen Matriumionea atisgetaüe^t. Dieses

giiöstituieffte Molekiix&rsieb kann als solshee e oder sunächst der nachfolgenden Vsrfslirenestufe (3) unterworfen werden«

(3) 23er oben beeohriebene teilweis© lonenattstauiseb wird nun mit verdünnter Ksliumchloridlöeting wieaeriiolt» so äass nur eine© äei? beiden Hatriv.mienen in dem Gitter« fenster diirelx ein Kaliuision ©rsetat wird.

HacJit äle&em Verfahren erhält man in der TFerfahrenestufe {?) ein. Stratttium-A-lColekiilareiel) mit ⁿ3 1/2Aⁿ-öesoliwindi^ceit3«· kennwerteHu A^?.ss©rά,era ist bei dem Brodulct der Stufe (3) infolge der günstigeren Eigenschaften des Strontiumions im Vergleich au äem JiEferiuffiion das Adso;?ptions\«"öriafjgen für Sauerstoff um etwa *?G ^· erhöht. Das Ergebnis ist ©in mehrfacher Kationenauetaus&h.

Iä3 aus den obigen Aueführungen su extrapolierende (JrundprinMip kann auf Systeme angewandt werden₉ bei denen die Adeorptionseigenschaften und die Molekular sie bö.tfnung en auf die jeweils gewünschte Gastrennung eingestellt werden können»

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Diese Ausführungafora der Erfindung ist weiter im Beispiel ucd den Abbildungen erläutert, in denen einige der Ergebnisse dieses Beispiels graphisch dargestellt sind»

Beispiel 14

Dieses Beispiel hat den Zweck, die Wirkung des Ausmasees &«e Austausches von Eatriuaoionen gegen Kaliuicionen auf die Ad- sorptionskennwerte für Stickstoff, Sauerstoff urA Argon fest-8u*teilen. Das hierbei angewandte Verfahren iat das folgende?

1. 100 g 4A~Molekularsieb (1,6 nua-Strangpresßliiiga) der Firma Linde Oo. wurden mit entmineralisierteos Wesaer angefeuchtet, indem das Molekularsieb langsam in 250 ml entndneralisiertes Wasser geschüttet wurde.

2. Hierauf wurde das Wasser abgegosoen.

3. Eine Ionenauetaußohlßsung wurde durch Vermischen τοη 6g KCl rait 600 ml entnlner&ltslertein Vtees^r hergestellt.

4. 200 ml dieser KCl-3jösung wurden au ß<&m durchfeuchteten 4A-Molekulareieb zugesetzt^

5. Das Gemisch wurde auf 66° C erhitzt und 2 Stunden unter Hindurchleiten von Stickstoff auf dieser 'Temperatur gehalten. Der Stickstoff diente sowohl zur Schaffung einer Schutzatmo-Sphäre als auch, uci das Gemisch in Bewegung zu halten ο

6. Die Lösung wurde abgegossen und das Molekularsieb bei 66° C dreimal mit 200 ml entmilneralisiertem tfaaaer gewaschen.

7· Das Wasohwasser wurde abgegossen, und äie Verfahrensstufen (4) bis (6) wurden wiederholt, bis die Chlorkaliumlösung aufgebraucht war.

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8» Das Molekularsieb wurde gründlich mindestens fünfmal mit je 200 ml entmineralieiertem Wasser gewaschen.

9» Das überschüssige Wasser wurde durch Erhitzen auf 93° C und Spülen mit Stickstoff abgetrieben.

10. Das so erhaltene Molekularsieb wurde duroh Evakuieren auf einen Druck von waniger als 1 mm Hg unter langsamem Erhitzen auf 93° 0 getrocknet« Sobald das Vakuum wieder etwa 1 mm Hg erreichte, wurde die Seiiperatur langsam auf 370° C gesteigert. Das Erhitzen darf nicht zu schnell durchgeführt werden_f da die Molekularsiebkristalle sonst durch das schnelle Entweichen des Wasserdampfes zerstört werden. Das Molekularsieb wurde mindestens 4 Stunden unter einem Druck von weniger als 1 mm Hg auf einer Temperatur τοη 370° 0 gehalten.

' Das oben beschrieben© Verfahren ist nur hinsichtlich der Menge und der Art der angewandten Ionen, d»h. des KCl, auf die Herstellung eines ^W3 I/2A"-Molekularsiebes abgestellt. Duroh einfaches Variieren dor KCl-Behandlung erzielt man eine entsprechende Änderung in der Menge der gegen Kaliuraionen ausgetauschten Natriumionen. Das Verfahren ist auoh auf andere Molekularsiebe und Kationen anwendbar»

Die Ergebnisse verschiedener teilweise durchgeführter lonenaustausohvorgänge hinsichtlich der Adsorptionseigensohaften für Stickstoff und Sauerstoff ist in Tabelle XI zusammengefasste

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Tabelle XI Ergebnisse des Teilionenaustauscheβ

▼er- g KCl/100 g euch 4A-Moleku~ Rr. larsieb

300

100

10

6 5

Na

3.9 4,9 6,3

11.4 12,5

12,7 12,9

Gew.

17.5

15,8

13,5

Insgesamt*, Gew. -j»

21,4 20,7 19,8 16,2 15,5

15,3 15,1

8	3	(frisches	13,4	1,	4	14,8
5	1	4A-Molekularsieb)	13,9	0,	6	14,5
6	0,1	14,1	0,	2	14,3
11	0	14,2	0		14,2

K**

10,7 9,1

5,6)

2,5)

0,8)

)

Adsorptionseigensohaften für H₀ und O₉

Ähnlioh den 3A-Molekularsieb. Keine Adsorption von H₀ oder O₂.

Bereich der minimalen Adsorptionsgesohwindigkeit für N₂. Adsorptionsgeschwindig keit für O₂ unbeeinflusst·

Ähnlioh wie das 4A-MoIekularsieb.

* Bezogen auf die Gusamtgewichtsmenge des Molekularsiebes. *♦ Bezogen auf die Gesamtmenge der Kationen im Molekularsieb.

Die durch Ϊeilionenaustausch erhaltenen Molekularsiebe zeigen, dass ein kri^ischor Bereich an Kaliumkonzentrationen erforderlich ist, um ein ^1f3 1/2A^M-Molekularsieb zu gewinnen. Wie Tabelle XI zeigt, führt der Ersatz von mehr als 12 ?t der Natriumionen durch Kaliumionen zu einem Molekularsieb mit dem Adsorptionsverhalten des 3A-Molekularsiebea (100 Jt K). Diese Molekularsiebe, wie das 3Λ-Molekularsieb, adsorbieren Stiok-

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tv

stoff» Sauerstoff oder Argon nicht. Molekularsiebe, bei denen weniger als 6 # der Hatriuraienen gegen Kautionen ausgetauscht sindj besitzen die Eigenschaften vea 4A-Malektt3Larsi@- ben (100 $> Ha), wi® sieh aus den Isetherraen der Fig. 16 ergibt.

Molekularsiebe mit 9 bie 11 $ üeliura geigen jedoch die gewünschten Adsorptlonseigenseteft©n des "3 1/2A^W-Mölekularsiebes. In diesem engen Konzentrationsbereleh wird Stickstoff stärker adsorbiert als Sauerstoff» wie es die Isothermen der Pig. 17 zeigen. Bei den Gleiehgewiehtsbestimmunge» wurde jedoch beobachtet, dass die Geschwindigkeit der Stickstoffadsorption an dem "3 1/2A"«Molekularsieb erheblich niedriger war als diejenige an dem 4A->Holekularsieb_s) während Sauerstoff sowohl an dem ^M3 1/2A^lf~Mol@kalarsieb als auch an d@m 4A-Kolekizlarsieb sehneil adsorbiert wurde.

Die Adsorptionsgtfschwin&igkeitseige&sohaften des "3 1/2A"-Molekularsiebee wurden unter Anwendimg der oben beschriebenen DruckiEßpulsmethedö untersucht. Diese Methode ahmt die 2uführungsstufe ©ines ohne Wäriaezufuhr durohgeführten Adsorptionszyklus nach und liefert ein gutes qualitatives Bild für die Fähigkeit des Adsorptionsmittels, Stickstoff und Säuerstoff voneinander zu trennen. Es wurden Druekimpulsversuohe mit dem "3 1/2A"-Molekularsieb durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit denjenigen für 4A- und 3A-Molekularsieb® verglichen. Die Versuche wurden unter Zufuhr von trockener Luft bei einem Besorp*· tionsdruck von 0,21 attt, einem Adsorptionsdruolc von 2,1 atü und einer Temperatur von 21°/C durchgeführt«,

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Die für dleee Vereuohe verwendete Vorrichtung ist in Fig. 18 dargestellt. Diese Vorrichtung bringt eine zunächst ins Gleichgewicht gebrachte Adsorptionsini ttelsohicht 25 mit strömender Luft von einem niedrigen auf einen höheren Druck.

Das Verfahren wird folgenderinassen durchgeführt: Das zu untersuchende Adsorptionsmittel wird durch 2-stündiges Erhitzen auf 315° 0 unter' Spülung mit trockenem Helium aktiviert. Das Reaktlonsgefäss wird auf 21° C gekühlt und mit getrockneter Luft gespült. Der Druck wird mit Hilfe eines Auspuff-Widerstandsreglers 28, der die Ausströmungsgeschwindigkeit des Durchlaufe konstant hält, auf 0,21 atü konstant gehalten. Die Sauerstoffkonzentration dee Durchlaufs wird ständig durch das Analysiergerät 31 überwacht. Der Einlassdruck wird plötzlich durch Betätigung des Einlassventils und des Auspuff-Widerstandsreglers auf 2,1 atü erhöht. Dies erfolgt mit Hilfe der Elektromagnetventile 26 und 27 und der parallel damit arbeitenden Auspuff-Viderstandsreglez 28 vmd 29 bei Drucken von 0,21 und 2,1 atü. Nachdem die Zusammensetzung der Luft wieder erreicht ist, wird der Druck plötzlich auf 0,21 atü herabgesetzt. Dieser Druckzyklus wird in gleichbleibenden Zeitabständen wiederholt.

Die so erhaltene Sauerstoffimpulskurve gibt ein gutes qualitatives Bild von dex· Fähigkeit des Adsorptionsmittels, Sauerstoff und Stickstoff voneinander zu trennen. Die Fläche unter der Impulskurve oberhalb des Wertes für den Sauerstoffgehalt der Bugeführten Luft (21 $> Sauerstoff) ist ein quantitatives Hass der Stickstoff-Arbeitskapazität oder der Netto-

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ι Sauerstoff-Produktionskapasität und wird als XS-Sauerstoff oder Netto-Og-Produkt (ml bei ΝΤΡ/1Ό0 g Adsorptionsmittel) ausgedrückt.

Wi© sich aus Fig, 19 ergibt, aeigt das 4A-Molekularsieb infolge der geringen Stickstoffanreicherung, die unmittelbar nach der Rüekkehr von einem Druck ¥on 0,21 ©tu au einem Bruek von 2,1 atü auftritt, nur einen geringen Cleschwindigkeiteeffekt. Die Stickstoffanreicherung wurde eehr schnell von der Sauerstoffanreicherung überlagert, was die Selektivität dea Adsorptionsmittel? bezogen auf Grleichgewiehtseigenschaften, zeigt. Das "3 1/2A^M-Molekularsieb anderereseits zeigte einen viel ausgesprocheneren Geschwindigkeitseffekt als das 4A-MoIekularsieb. Es vmrden nur unbedeutende Effekte der Gleichgewichtseigenschaften beobachtet. Dia Zusamineneetzung nahezu des ganzen Durchlaufs lag unter derjenigen der zugeführten Luft. Wie zu erwarten war, kannte mit dera 3A-Mo3.ekularsieb keine Zerlegung der zugeführten Luft erzielt werder,. Die Impulswerte zeigen, dass das "3 1/2A"-M3lekuXarsieb eine gute Fähigkeit zur Erzeugung ©ines sticks U>ffrsiehen Gases av.s Luft während der Adsorptions«· oder Beschickuigsperiode des ohne Wärmezufuhr durchgeführter» Adaorpt.onsayklus h€«t« Die überlegenen Geschwindigkeiteeigenechaften am Verhältnis* ssu den 4A-Molekularsieb sollten die Erzielung liöherar Produktgeschwindigkeiten und Auebeuten bei massig schnellem Periodrnwechsel erleichtern.

Neuere Untersuchungen der Adsorption ohne Wärmezufuhr haben gezeigt, dass die Erzeugung von sehr reinem Stickstoff aus

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inerte» Generatorabgas durch die Adsorption von Kohlenmonoxyd begrenzt wird. Sie Untersuchungen haben gezeigt, dass aich Kohlenmonoxyd aus einem Ausgengsgas, welche» 2000 Heile Kohlenmonoxyd je Million enthält, bis zu einer Konzentration von weniger als 50 Teilen je Million entfernen lässt. Jedoch waren sowohl die Produktgesahwindigkeiten als auch die Gewinnungsgrade an Stickstoff gering. Der Grund für diese schlechten Ergebnisse wurde in der Störung der Adsorption des Kohlenmonoxyds durch den Stickstoff and in dem verhältnismässig hohen Adsorptionevermögen des Adsarptionsmittels für Stickstoff gesuoht. Sie obigen Sohluisi'oDgerungen beruhten auf Ergebnissen von Versuchen mit Molakularsieben, wie dem 13X-Molekularsieb, sowie mit Aktivkohle. Im allgemeinen ist die Erzielung einer wirksamen Trennung voi Stickstoff und Kohlenmonoxid mit den meisten Adsorptionami fetein schwierig, da die Adsorbierbarkeit dieser beiden Gase sehr ähnlich ist. Es testeht jedoch ein bedeutender Unterschied zwischen den kritischen .Abmessungen des S^ickstoffmoleküls und des Kohlenmonoxyönoleküla, was darauf hindeutet, dass eine '?rer.r. mg nach der Glosse und bzw. oder nach der Adsorptionsgis^hwlndigkeit möglich sein müsste. Sie Grbsee des 00 Molekül) b&t:>ägt 2,8 Sl₁ diejenige des N₂-MolekÜls %0 S, Die ;riisse des Og-M^leküls beträgt 2,8 Ä, was dafür spricht, dans die Adsorptionsgeschwindigköiten won Kohlenmonoxyd -ind Sauerstoff an ein:>m "3 1/2A^M-Molekularaieb ähnlich sein jolltea» während die Adsorption von Stickstoff behindert

ν erden sollte.

BAD

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Di© in Fig. 17 wiedergegebenen Adsorptionsieothermen zeigen» dass das ⁿ3 1/2A"-Molekularsieb Kohlenmonoxyd stärker adsorbiert als Stickstoff. Aueserdem wurde bei den Messungen der Isothermen bsob&ehtet, dass die Gesohwindigkeit der äunäfcaruag an dag Gleichgewicht für 00 älmlieh war wie für O₂1 dass b@ide Geschwindigkeiten aber erheblich höher waren als diejenige für Ig. Daraus kann geschlossen werden, dass eich das ^l!3 i/2A^!i-ifolekularsi0b sur wirksamen Zerlegung von Gemischen aua Kohlenaonosyd und Stickstoff eignet, die bisher mit den üblichen Adsorptionsmittel!! nicht durchgeführt werden konnte. Wenn dieses Molekularsieb in Verbindung mit dem ohne Wärmezufuhr arbeitenden Adsorptionsverfahren bei einigermsssen kurzer Pericfiendauer (30 Sekunden bis 2 Minuten) angewandt wird, so bewirkt ee die erforderliche Adsorption des Kohlenmonoxyds mid die Hinderung der Adsorption des Stickstoffs, wodurch sowohl die Produktgesoh-windigkeit als auch die Gewinnung bei der Erzeugung eines Stickstoffs toh höher-Be3nheit erhöht werden.

Die Eigenechaften 6ea ⁿ3 1/2A^IS-Molekularsiebes können auch zur Entfernung von Ar^on sweoks Erzeugung γόη sehr reinem Stickstoff für die Anraoniaftsyntliese ausgenutzt werden. Sie Schwierigkeit der Verunreinigung durch Argon ergibt sich aus der Verwendung von Luft zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen unter Bchliesslicher Erzeugung τοη Stickstoff und Wasserstoff. Die Trennung von Stickstoff und Argon sollte analog der oben erörterten trennung von Stickstoff und Sauerstoff verlaufen. Dies ergibt sich daraus_s dass Sauerstoff und Argon sich sowohl hin-

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T-S^-

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eiohtlich der Adsorptlonsgesohwindigkeit als auch hinsiohtlioh des Gleiohgewiohts gegenüber dem "3 1/2A''-Molecularsieb ähnlich verhalten.

Ια Sinne der Erfindung kann also ein neues, in seinen Eigenschaften zwischen dem 3A-Molekulars:ieb und dem 4A-Molekularsieb liegendes Molekularsieb durch Te:.!ionenaustausch hergestellt werden. Dieses als ^W3 1/2A"-Molekiilaraieb bezeichnete Molekularsieb zeigt eine gute Fähigkeit sur Verbesserung der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff. Das Prinzip, auf dem diese Trennung beruht, ist die Behinderung der Stickstoffadsorption und auf diese Weise die Entfernung der unerwünschten Komponente aus dem Stickstoffstrom duroh Adsorption. Dies setzt voraus, dass das Molekül der unerwünschten Komponente, wie O₂ι CO und bzw. oder Argon, kleiner ist als clas Stickstoff molekül. Die erfindungsgemässe Methode kann auch *ur Herstellung anderer Molekularsiebe "nach Mass" verwendet wordene

Der Gedanke der Einstellung der Grosse der Gitterfenster des Molekularsiebes durch teilweisen Kationenaustausch eröffnet ein ganz neues Forschungsgebiete Molekularsieb-Adsorptionsmittel können gewissermasssn "nach Mass" angefertigt werden, um den gewünschten Tronnvo.cgang durch geeignete Wahl der Kationen zu erleichternο Man kann sich des mehrfachen Katlonenaustausches bedienen, nicht nur um die Eintrittsöffnungen dee Molekularsiebes zu beeinflussen, sondern auch um die innere Oberfläche für eine maximale Adsorption zu modifizieren.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Patentansprüche

   1o Vorrichtung zur Steuerung der Zusammensetzung der Luft» gekennzeichnet durch die Kombination eines zum Aufenthalt von Lebewesen geeigneten geschlossenen Räume& mit einer damit verbundenen Adsorptionsanlage, die imstande ist, Luft so zu verarbeiten, dass dem -gencshlossenen Raum ein Gasstrom zugeführt wird, der mehr Sauerstoff und weniger Stickstoff enthält als normale Luft'.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Raum für den Aufenthalt von Menschen oder Tieren geeignet ist.,

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ladureh gekennzeichnet, dass die Anlage imstande ist, einen lasstrom aus dem geschlossenen Raum abzuführen, der mehr Stickstoff und weniger Sauerstoff enthält ale normale Luft.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, dass sich die Adsorptionsanlage innerhalb oder ausserhalb des geschlossenen Raunes befindet.

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   ¹H

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   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionsanlage eine ohne Wärmezufuhr arbeitende Adsorptionsvorrichtung ist.

   6. Verfahren zur Herstellung einer an Sauerstoff angereicherten Atmosphäre in für den Aufenthalt von Lebewesen geeigneten Bäumen, dadurch gekennzeichnet, dass man Luft mit einem Adsorptionsmittel in Berühr mg bringt, welches Stickstoff adsorbiert, und dass man den eine ι höheren Sauerstoffgehalt als normale Luft aufweisenden Durohlaufstrom aus dem Adsorptionsmittel in den geschlossenen Rauiu leitet.

   7ο Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Luftstrom unter einem verhältnismässig hohen Druck in eine erste, ein für Stickstoff selektiveε Adsorptionsmittel enthaltende Zone leitot, aus der ersten Msorptionszone einen an Sauerstoff angereichertm primären Durahlauf abzieht, einen Teil dieses an. Sauerstoff .ingereicherten primäran Durchlaufe abzweigt und in den gtisoal >ssenen Raum leitet, ien Rest des primären Durchlaufs unter olnem verhältni3mässig niedrigen Druck duroh eine zweile Adiiorptlonazone leitet, die ein Adsorptionsmittel enthält, velöhes bereits Stickstoff aus der Luft adsorbiert hafc und duioh Verminderung des DruckiäS einer teilweisen Dosorpfcion unterworfen worden ist, dass man aus der zweiten Adsorptionszone einen sekundären Durchlauf abzieht, diesen aus.'jsvhalb des get3chlosseniin Raumes ableibet und den Vorgang in periodischer Aufeinanderfolge wiederholt,,

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   8. Verfaliren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass man Luft unter Pruck in eine Adsorptions zone leitet, die ein für Stickstoff selektives Adsorptionsmittel enthält, einen an Sauerstoff angereicherten primären Durchlauf in einem Lagerbehälter auffängt, aus dem Lagerbehälter an Sauerstoff angereicherten primären Durchlauf in den geschlossenen Raum leitet, die Adsorption periodisch unterbricht und durch Verminderung des in der Adsorptionssone herrschenden Bruckea einen Teil des primären Durshlaufs zwecks Spülung des Adsorptionsmittels im G-egenstrom au der während der Adsorption angewandten Strömungsrichtußg durch die Adsorptionszone strömen lässt und die Aufeinanderfolge von Vorgängen periodisch wiederholt.

   9ο Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der verhältnismässig hohe Druck etwa 1 bis 3,5 und der verhältnisffiässig niedrig3 temck etwa 0 bis 0,7 atü beträgt»

   10. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dia Hoohwertigkelt des Produktes durch Verminderung des Verhältnisses τοη SpüLgcsvolumen su Besetiickungsvolumen erreicht wird.

   11 ο Verfahren nach Aisprush 7 bis 9» dacurch gekennzeichnet, dass die Luft mittels eines Luftkompressors mit einem Wasserverbrauch von 75 bis i 50 1/Std., einem 2 PS-Motor und einem Stromverbrauch von et^vm 18 Ampere bei etwa 2,1 atü und 110 V auf den verhältnlsmäs rig I3hen Druck gebracht wird»

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   12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe ProduktgeschwindJ gkeit durch Senkung o.es verhältnismässig hohen Druckes von etwa 2,1 auf et^a 1,6 atü erzielt wird»

   13. Verfahren nach Anspruch 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es in Zyklen von 10 bis 300 Sekunden durchgeführt wird, wobei die Dauer der einzelnen Perioden don in Pig. 6 für den 90 Sekunden-Zyklus dargeotellten Werten proportional ist.

   14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man atmosphärische Luft bei einer Temperatur von -23 bis +43⁰C und mindestens atmosphärischem Druck in eine Zone leitet, die mit einem Molekularsieb eier Gattung X oder der Gattung A, bei welchem etwa 30 bis 100 f· der Natriumionen gegen Calcium-, Magnesium-, Strontium- oc.ee Silberionen ausgetauscht sind, oder Gemischen solche:? Molekularsiebe gelullt ist, dass man als primären Durchlauf ei:ien εα Sauerstoff angereicherten Luftstrom mit einem Sauerstoffgotr:] t von etwa 25 bis 93 °fa abzieht, bis die Menge dss Sauerstoffs in der an Sauerstoff angereicherten Luft unter einen best: mmte ι Wert sinkt, worauf man das Molekularsieb durch Einwirk(inlae?en eines unter atmosphärischen Drukkes von 750 bis 0,1 mn Hg abs. und Ausspulen bei dem genannten unteratmosphärischen l>rujk mit einem Gas, welches praktisch die gleiche Zusattmensf tiswa,·* besitzt wie dar primäre Durchlauf, desorbiert uni d:ie Aus ο:<:ι*?ί der folge der V>rgängö periodisch wiederholt.

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   15· Verfahren nach .Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, da·· man ein Molekularsieb der Gattung A verwendet, bei welchem dl· ursprünglichen Kationen gegen Magnesium-, Calcium- oder Silberionen ausgetauscht einet.

   16. Verfahren nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, dass man ein Molekularsieb der Gattung X verwendet, bei welchem die Natriumionen gegen Calcium-, Strontium- oder einwertige Silberionen ausgetauscht sind*

   17. Verfahren nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, daee der Adsorptionszyklus bei Drucken von 0,21 bis 1,4 kg/cm ab·. und einer Temperatur von etwa 14 bis 25° C durchgeführt wird·

   18. Verfahren nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, daee man mit zwei Adsorptionssonen arbeitet, τοη denen die eine auf Adsorption und die anäere auf Desorption geschaltet ist, wobei am Ende einer ;)eden Adsorptions- bzw. Detiorptionsperiode die beiden Zonen zwecks Druckausgleichs miteinander verbunden werden und ein Teil der an Sauerstoff angereicherten Luft als Spülgas für eine Zone verwendet wird, naihdem diese auf den niedrigsten Druck des Zyklus evakuiert werden ist.

   19· Verfahren nach Anspruch 18, daduroh gekennzeichnet, daee es mit einer ZykXusdaier von 90 Sekunden unter Erzeugung einer Luft mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 60 $* mit einer AuestossgeachwiKCiigkeit -rov cfcwa 2,83 Nnr/Std; durchgeführt wird» wobei die Adeorptionsperiole etwa 25 Sekvnden, die Druokaue-. gleichezeit etwa 5 Schürtet! α, die kombinierte Druckentspannung·-

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   mud Spüldauer etwa 40 Sekunden und die Z«it für das Wiederunterdrucksetzen etwa 15 Sekunden betrag ;.

   20. Verfahren zuas Zerlegen eines Gemisches aus zwei Bestandteilen A und B, daduroh gekennzeichnet, class man das Gemisch ■it einem Adsorptionsmittel bei einem Druck in Berührung bringt, bei dem entweder A oder B stärker von dem Adsorptionsmittel adsorbiert wirö_P worauf man das Adsorptionsmittel bei einem Druck der Desorption unterwirft, bei dem die Steigung der Adsorptlonslsotherrce des stärker adsorbierten Bestandbeiles im Verhältnis zu der Steigung der Adsorptionsisotherma des weniger stark adsorbierten Bestandteiles am gröseten ist.

   21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Bestandteil A Sauorsto.ff und als Bestandteil B Stickstoff rerwendet wird.

   22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Adsorptionsmittel verwandet wird, welches dan Stickstoff stärker adsorbiert alπ den Sauerstoff.

   23· Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Adsorptionsmittel verwendet wird, welches dan Sauerstoff stärker adsorbiert ale¹ den Stickstoff.

   24. Verfahren naoh Ai.spieiiuh 14, dadurch gekennzeichnet, dass man trockene :i.uft bei eins' Temperatur voi -23 bis +43° 0 und mindestens atmosphärischem Druck la eine 2one einleitet, die mit einem Molekularsieb dor Gattung X oder der Gattung A, bei

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   welchem etwa 30 fels 100 $* der Natriumionen gegen Caloium-, Magnesium-, Strontium- oder Silberionen ausgetauscht sind, oder Gemischen solcher Molekularsiebe gefüllt ist, dass man als primären Durchlauf einen an Sauerstoff angereicherten Luftstrom mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 25 bis 93 S^ abzieht, bis die Menge? des Sauarstoffs in der an Sauerstoff angereicherten luft unter einen bestimmten Wert von etwa 25 bis 29 i» sinkt, worauf man das Molekularsieb durch Einwirkenlassen eines unteratmosphärischen Druckes von 750 bis 0,1 mm Hg abs. desorbiarto

   25. Verfahren zur Stauerung des Adsorptionsvermögens von kristallinen Zeolithen, lie in ihren Gitterfenstern Kationen enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens ein Kation in dem Gitterfenster jjegeri ein anderes Kation austauscht und dabei die im Inneren les G-itters befindlichen Kationen ungestört lässt.

   26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Molekularsieb der Gattung 4A durchgeführt wird, welches als Kationen nur Natriumionen enthält und zwei Natriumionen in seinem Gitterfenster aufweist, indem eines dieser Gitterfenster-Kationen gtigesi iin Kaliumion ausgetauscht wird.

   27. Verfahren zur Herstellung von zur !Trennung von Stickstoff und Sauerstoff geeignetes /vdsorptionsmittaln, dadurch gekennzeichnet, dass man in einem synthetischen Molekularsieb der Gattung 4A durch loner austausch mit einer Kaliuiaionen enthal-

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   tenden Lösung etwa 9 bis 11 Mol-# der Na'sriumionen gegen Kaliuiaiönen austauscht.

   28. Verfahren nach Aaepruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass man etwa 10 i> der Natriv.rnionen gegen Kallumion&n austauscht»

   29. Verfahren zur Herstellung von Natrium-Strontium-Molekularsieben, daduroh gekennzeichnet» daao man

   (A) ein durch Strontium substituiertes Molekularsieb der Gattung λ durch Austausch von mindesten» 30 Mol-56 der Natriumionen des 4A~MolekularsiebeB gegen S'.rontiumionen herstellt und

   (B) nur die in den Gitterfenstern befindlichen Strontiumionen gegen Hatriumionea austauscht.

   30. Verfahren nach Anspruch 29» dadurch gekennzeichnet, daejs man eines der im Gitterfenster befindlichen Natriunionen gegen ein Kaliumioxi austauscht.

   31· Verfahren zum Abbrennen von Sauerstoff, Argon, Kohlenmonoxid oder Gemischen derselben aus Gasgemischen mit Stickstoff, dadurch gekennzeichnet, dass man die Gasgemische mit einem Adsorptionsmittel in Be::ühruig bringt, die genannten Bestandteile adsorbiert und die aduorbjarten Bestandteile von dem Adsorptionsmittel deeorbierä.

   32 Verfahren zum Reinigen von Sauerstoff» Argon, Kohlenmonoxid oder Gemische demselben als Verunreinigungen enthaltendem Stickstoff, dadurch gekennzeichnet, dass man den unreinen Stick-

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   stoff mit einem Ad<3o:-.'ptic:ie2Dittel in Beiührung bringt, die Yerunreiniguagen aös(jrl3ie:?t und praktisch reinsn Stickstoff gewinnt.

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