DE19725678A1

DE19725678A1 - Druckwechselanlage zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft und Verfahren zum Betrieb einer solchen

Info

Publication number: DE19725678A1
Application number: DE19725678A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Ing Amlinger
Original assignee: SGI PROZESS TECHNIK GmbH
Current assignee: SGI PROZESS TECHNIK GmbH
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1998-06-18
Also published as: KR19980063907A; DE59711416D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckwechselanlage zur Gewin nung von Sauerstoff aus der Luft, welche zumindest zwei Adsorber mit synthetischem Zeolithe hat, an welche zum wechselnden Betrieb ein Luftgebläse für die Adsorptions luft und ein Vakuumpumpstand zur Desorption des jeweili gen Adsorbers angeschlossen sind, wobei der Vakuumpump stand zwei hintereinander geschaltete Vakuumpumpen hat. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Be trieb einer solchen Druckwechselanlage.

Eine Druckwechselanlage der vorstehenden Art, welche je doch der Gewinnung von Stickstoff aus der Luft dient, ist beispielsweise in der DE-A-31 46 189 beschrieben. Bei dem Vakuumpumpstand der bekannten Druckwechselanlage ist zwischen den beiden Vakuumpumpen ein als Wärmetauscher ausgebildeter und deshalb im Gegensatz zu einer allgemein angewandten Kühlung durch Wassereinspritzen trocken ar beitender Zwischenkühler angeordnet, welcher die von der ersten Vakuumpumpe komprimierte Luft so weit abkühlt, daß es bei der zweiten Vakuumpumpe nicht zu einer Über hitzung kommt. Die zweite Vakuumpumpe ist mit einer Vor einlaßkühlung versehen. Die Druckwechselanlage nach die ser Schrift arbeitet mit Adsorptionsdrücken zwischen 1 bar und 2,5 bar und Desorptionsdrücken vom 85 mbar.

Bei Druckwechselanlagen zur Sauerstoffgewinnung kommt es oftmals zu einem Teillastbetrieb, weil vorübergehend nur eine verringerte Sauerstoffmenge benötigt wird. Um hier bei Energie zu sparen, ist es üblich, während der Totzei ten den Vakuumpumpstand im Bypass zu fahren. Hierzu sind eine verhältnismäßig aufwendige Bypassverrohrung, Bypass ventile und entsprechende Steuerungsmittel erforderlich, was beträchtlichen Aufwand bedingt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Druckwech selanlage der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit möglichst geringem baulichen Aufwand bei Teillastbe trieb ein energiesparendes Arbeiten möglich wird. Weiter hin soll ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Druck wechselanlage geschaffen werden.

Das erstgenannte Problem wird erfindungsgemäß dadurch ge löst, daß in jeden Adsorber nur eine für den Überdruck und Unterdruck gemeinsame Leitung von einer Verteiler leitung führt, daß zu beiden Seiten des Anschlusses der Leitungen an die Verteilerleitung in die Verteilerleitung ein Luftventil und ein Vakuumventil geschaltet ist, daß an beiden äußeren Enden der Verteilerleitung der Va kuumpumpstand und in die Mitte der Verteilerleitung zwi schen den Luftventilen über eine Leitung mit dem Luftge bläse Verbindung hat.

Hierdurch besteht mit sehr geringem Rohrleitungs- und Ventilaufwand die Möglichkeit, im Teillastbetrieb das Luftgebläse mit dem Einlaß des Vakuumpumpstandes zu ver binden. Dadurch vermindert sich die Druckdifferenz des Vakuumpumpstandes auf etwa < 200 mbar, so daß ohne den Aufwand eines aufwendigen Bypasses für den Vakuumpump stand bei Teillastbetrieb mit entsprechend vermindertem Energiebedarf gefahren werden kann.

Bei Druckwechselanlagen hat sich die Kühlung der abge saugten, abgereicherten Luft durch Wassereinspritzen durchgesetzt, weil man davon ausging, daß der Vakuum pumpstand mit den beiden Vakuumpumpen dann nahezu iso therm und deshalb energetisch besonders günstig arbeiten kann.

Das Einspritzen von Wasser in die vom Vakuumpumpstand ab gesaugte, O₂-abgereicherte Luft setzt voraus, daß aufbe reitetes Wasser höchster Sauberkeit und Freiheit von Mi neralien benutzt wird, damit es nicht zu einer Funktions störung der Vakuumpumpen kommt. Oftmals steht jedoch für die Einspritzung kein oder kein geeignetes Wasser zur Verfügung, so daß Anlagen mit Wassereinspritzung dann nicht in Frage kommen und man energetisch etwas ungünsti geren Anlagen, wie sie in der eingangs genannten DE-A-31 46 189 beschrieben sind, den Vorzug gibt. Da solche Anla gen jedoch Kühlwasser für die Luftkühlung benötigen, be reitet bei manchen Orten auch ihr Einsatz Schwierigkei ten. Ein Verzicht auf Kühlwasser oder Einspritzwasser war bislang jedoch nicht möglich, weil die üblicherweise als Drehkolbenpumpen ausgebildeten Vakuumpumpen eine maximale Temperatur von etwa 125°C bis 130°C vertragen und bei den bekannten Anlagen die abgesaugte Luft sich ohne Kühlung durch den Kompressionsvorgang im Vakuumpumpstand nach der zweiten Stufe auf etwa 200°C erwärmen würde.

Die Druckwechselanlage vermag ohne Einspritzwasser oder Kühlwasser energetisch günstig und mit Drehkolbenpumpen nicht thermisch gefährdenden Temperaturen zu arbeiten, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in Strö mungsrichtung gesehen die zweite Vakuumpumpe eine vor einlaßgekühlte Drehkolbenpumpe mit Kühllufteintritts öffnungen zum definierten Einströmen von Außenluft atmo sphärischen Drucks ist, wenn der Einlaßstutzen der zwei ten Vakuumpumpe ohne Verwendung einer Gaskühlung durch Wassereinspritzung oder durch einen Wärmetauscher mit dem Auslaß der ersten Vakuumpumpe Verbindung hat und wenn der Vakuumpumpstand mit Steuereinrichtungen zum Erzeugen eines Desorptionsdruckes zwischen 300 mbar und 500 mbar versehen ist.

Dadurch, daß gemäß der Erfindung mit höheren Desorpti onsdrücken als beim Stand der Technik gearbeitet wird, kommt es in der zweiten, gegen die Atmosphäre arbeitenden Vakuumpumpe zu einer verhältnismäßig geringen Verdich tungsarbeit. Die dabei entstehende Wärme verursacht durch das Beimischen von Luft aus der Atmosphäre keinen oder keinen wesentlichen Temperaturanstieg, so daß der Vakuumpumpstand gänzlich ohne Wassereinspritzung oder Wasserkühlung zu arbeiten vermag. Überraschenderweise zeigten Messungen an einer gebauten, erfindungsgemäßen Druckwechselanlage, daß bei ihr bei gleicher Sauer stofflieferleistung wie bei bekannten Druckwechselanlagen der Energiebedarf sogar geringer ist.

Einen besonders geringen Energiebedarf erreicht man, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Kühllufteintrittsöffnungen der zweiten Vakuumpumpe so be messen und positioniert sind, daß das Verhältnis des Ge samtmassenstromes des angesaugten Massenstroms von der ersten Vakuumpumpe und des Kühlluftmassenstroms zum Kühl luftmassenstrom am Anfang des Desorptionszyklus von einem hohen Wert rasch auf 33 abfällt und innerhalb des Desorp tionszyklus bis zum Ende langsam auf 1,5 absinkt.

Wichtig für das erfindungsgemäße Kühlprinzip ist, daß bei der als Vakuumpumpe arbeitenden Drehkolbenpumpe die Drehkolben die Verbindung zum Einlaßstutzen sperren, be vor die fördernde Pumpenkammer Verbindung mit der Atmo sphäre erhält und dadurch die Luft einströmen und Ver dichtungsarbeit leisten kann. Das läßt sich wirtschaft lich dadurch verwirklichen, daß gemäß einer anderen Wei terbildung der Erfindung die Kühllufteintrittsöffnungen im zweiten Quadranten frühestens bei 36° beginnen und vor 90° enden.

Die Grundfrequenz der Pulsationen kann verdoppelt werden, so daß einfache Pulsationsdämpfer eingesetzt werden kön nen, wenn die Kühllufteintrittsöffnungen über eine ge meinsame Leitung mit der Atmosphäre verbunden sind.

Da das Luftgebläse für die Adsorptionsluft und der Vaku umpumpstand beim Arbeiten stark störende Geräusche erzeu gen, werden diese Anlagenteile meist in einem schalliso lierten Boxcontainer angeordnet. Deshalb muß erheblicher Aufwand zur Kühlung durch einen zwangsweise geführten Luftstrom getrieben werden. Dieser Aufwand läßt sich verhältnismäßig gering halten, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung zur Kühlung der Anlageteile ein Gebläse eines für die Adsorptionsluft notwendigen Luftkühlers vorgesehen ist und wenn ein Kühlluftstrom entlang des Vakuumpumpstandes und des Luftgebläses für die Adsorptionsluft zu dem Gebläse führt.

Eine zu niedrige Eingangstemperatur der Luft in den je weiligen Adsorber läßt sich auf einfache Weise dadurch vermeiden, daß das Gebläse einen Ventilatormotor mit ge regelter Drehzahl aufweist. Hierdurch kann man bei nied rigen Außentemperaturen einfach die Kühlluftmenge durch Verringern der Drehzahl des Gebläses vermindern.

Ganz besonders kostengünstig ist die Druckwechselanlage ausgebildet, wenn als erste Vakuumpumpe ein Radialgebläse mit einer regelbaren Drossel in seiner Ansaugleitung vor gesehen ist.

Eine Rückströmung von Sauerstoff aus dem Pufferbehälter durch die Adsorber und dann über den Vakuumpumpstand zur Atmosphäre bei Leerlaufbetrieb, bei welchem das Luftge bläse mit dem Einlaß des Vakuumpumpstandes verbunden ist, kann sehr einfach dadurch verhindert werden, daß in die Produktentnahmeleitung eine Sperreinrichtung angeord net ist.

Die Sperreinrichtung ist besonders einfach ausgebildet und benötigt keine Steuerung entsprechend der Adsor beraustrittsventile, wenn sie eine von dem Adsorber in Richtung des Speicherbehälters öffnende Rückschlagklappe ist.

Bei Teillastbetrieb kann man gänzlich ohne die erste, als Radialgebläse ausgebildete Vakuumpumpe und dadurch ener getisch besonders günstig arbeiten, wenn gemäß einer an deren Weiterbildung der Erfindung die erste, als Radial gebläse ausgebildete Vakuumpumpe eine ihre Ansaugleitung unmittelbar mit der zweiten, als Drehkolbenpumpe ausge bildete Vakuumpumpe verbindende Bypassleitung hat, in welche eine zur zweiten Vakuumpumpe hin öffnende Rück schlagklappe geschaltet ist.

Zur weiteren Verbesserung der Energiebilanz trägt es bei, wenn zum Evakuieren der ersten, als Radialgebläse ausge bildeten Vakuumpumpe eine Hilfspumpe vorgesehen ist. Hierdurch kann das Radialgebläse im Teillastbereich lau fen, ohne Arbeit leisten zu müssen.

Der Vakuumpumpstand vermag unabhängig von dem Luftgebläse Luft von der Atmosphäre anzusaugen, wenn in die das Luft gebläse mit den Adsorbern verbindende Leitung eine Lufteinlaßleitung mit einer zur Atmosphäre hin schlie ßenden Rückschlagklappe geschaltet ist. Eine solche Aus gestaltung ist jedoch nur in Ausnahmefällen notwendig.

Das zweitgenannte Problem, nämlich die Schaffung eines Verfahrens zum Betrieb einer Druckwechselanlage mit den vorgenannten Merkmalen, wird erfindungsgemäß dadurch ge löst, daß man bei durch geringe O₂-Abnahme gekenn zeichnetem Teillastbetrieb den Adsorptionsdruck über den Adsorptionsdruck bei Vollastbetrieb ansteigen läßt und bei Erreichen eines festgelegten oberen Adsorptionsdru ckes das Luftgebläse für die Adsorptionsluft vor den zweistufigen Vakuumpumpstand schaltet. Durch diese Ver fahrensweise ergibt sich mit geringem baulichen Aufwand die Möglichkeit, im Teillastbetrieb besonders wirtschaft lich zu fahren.

Die Teillast-Betriebsweise kann mit besonders geringem Aufwand beendet werden, wenn der Druck am Speicherbehäl ter oder Pufferbehälter überwacht und bei Unterschreiten eines festgelegten Wertes die Luftventile und Vakuumven tile wieder auf zyklischen Adsorptions- und Desorptions betrieb geschaltet werden. Der gemessene Druckabfall gibt darüber Aufschluß, daß wieder vermehrt Sauerstoff ent nommen wird.

Günstig für den Einsatz der Druckwechselanlage in Gebie ten ohne ausreichend Wasser hoher Reinheit ist es, wenn in Strömungsrichtung gesehen als zweite Vakuumpumpe ein voreinlaßgekühlte Drehkolbenpumpe verwendet wird, in de ren Kühllufteintrittsöffnungen man definiert Außenluft atmosphärischen Drucks einströmen läßt, daß das die er ste Vakuumpumpe verlassende Gas ohne Zwischenschaltung einer Gaskühlung durch Wassereinspritzung oder einen Wär metauscher dem Einlaß der zweiten Vakuumpumpe zugeführt wird und daß mit dem Vakuumpumpstand ein Desorptions druck zwischen 300 mbar und 500 mbar gefahren wird.

Bei einer solchen Verfahrensweise läßt sich ohne Kühl wasser oder Einspritzwasser mit einem gegenüber den be kannten Anlagen deutlich verminderten Energiebedarf Sau erstoff herstellen.

Energetisch besonders günstig ist es, wenn bei der zwei ten Vakuumpumpe das Verhältnis des Gesamtmassenstromes des angesaugten Massenstroms von der ersten Vakuumpumpe und des Kühlluftmassenstroms zum Kühlluftmassenstrom am Anfang des Desorptionszyklus von einem hohen Wert rasch auf 33 abfällt und innerhalb des Desorptionszyklus bis zum Ende langsam auf 1,5 absinkt.

Durch Versuche konnte ermittelt werden, daß der Energie bedarf besonders günstig ist, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung des Verfahrens ein Adsorptionsdruck zwi schen 0,7 bar und 1,8 bar, vorzugsweise zwischen 0,9 bar am Anfang und 1,5 bar am Ende der Adsorption und ein Desorptionsdruck zwischen 350 mbar und 400 mbar gewählt wird und wenn der Startdruck für die Adsorption und Desorption nach der Spülphase und der Druckaufbauphase minimal 700 mbar und maximal 950 mbar beträgt.

Um nach dem Umschalten auf Druckaufbau in dem jeweiligen Adsorber den Druckaufbau auf Adsorptionsdruck in der ge wünschten Zeit erreichen zu können, wird gemäß einer Wei terbildung des Verfahrens mittels einer Drossel in der Produktentnahmeleitung nach dem Pufferbehälter der Druck gedrosselt.

Günstig für den Betrieb der Druckwechselanlage ist es auch, wenn der Drossel ein Pufferbehälter nachgeschaltet und sein Volumen so bemessen wird, daß der Druck im Puf ferbehälter zwischen 1,2 bar und 1,5 bar innerhalb eines Adsorptionszyklusses schwankt.

Das Luftgebläse für die Adsorptionsluft und der Vakuum pumpstand werden durch einen zwangsweise geführten Luft strom gekühlt, ohne daß bei niedrigen Außentemperaturen die Gefahr einer zu geringen Lufteingangstemperatur in dem Adsorber besteht, wenn zur Kühlung der Anlageteile ein Gebläse eines für die Adsorptionsluft notwendigen Luftkühlers benutzt wird, wenn ein Kühlluftstrom entlang des Vakuumpumpstandes und des Pumpstandes für die Adsorp tionsluft zu dem Gebläse geführt wird und wenn das Ge bläse mittels eines frequenzgeregelten Ventilatormotors so geregelt wird, daß die Lufteintrittstemperatur in den Adsorber nicht unter einen unteren Wert absinkt. In der Praxis hat sich gezeigt, daß sich die O₂-Konzentration erheblich verringert, wenn die Adsorptionstemperaturen unter 20°C sinken. Durch die erfindungsgemäße Verfahrens weise kann man durch Verringern der Menge des Kühlluft stromes sich sinkenden Außentemperaturen anpassen.

Ist die Außentemperatur so niedrig, daß die Verringerung der Drehzahl des Gebläses für den Kühlluftstrom nicht ausreicht, um Adsorptionstemperaturen über 20°C zu erhal ten, kann man gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bei niedrigen Außentemperaturen die heiße Abluft des Vakuum pumpstandes zur Anhebung der Temperatur der Luft des Luftgebläses benutzen. Dabei wird vor dem Luftgebläse eine Drosselklappe so geschaltet, daß ein Teilstrom kalte Luft aus dem den Vakuumpumpstand enthaltenden Con tainer und ein weiterer, durch die Vakuumabluft über ei nen Wärmetauscher vorgewärmter Teilstrom unmittelbar am Abluftaustritt angesaugt wird. Dadurch wird das Tempera turniveau nach dem Luftgebläse entsprechend angehoben, so daß über die Drehzahlregelung des Gebläsemotors für den Kühlluftstrom die 20°C Adsorptionstemperatur gehalten werden kann. Diese Vorwärmung ist möglich, weil die zweite Vakuumpumpe gemäß der Erfindung ohne Wasserein spritzung und damit bei höheren Temperaturen arbeitet als nach dem Stand der Technik.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird nachfol gend auf die Zeichnung Bezug genommen. Diese zeigt in

Fig. 1 einen Schaltplan einer Druckwechselanlage nach der Erfindung,

Fig. 2 eine als Drehkolbenpumpe ausgebildete Vakuum pumpe für einen Vakuumpumpstand der erfin dungsgemäßen Druckwechselanlage.

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße PVSA-Anlage (Pressure-Vakuum-Swing-Adsorptions-Anlage), welche mit synthetischem Zeolithe in zwei parallel geschalteten Ad sorbern 1, 2 arbeitet. Diesen wird mittels eines als Drehkolbenpumpe ausgebildeten Luftgebläses 3 eines Pump standes 17 wechselweise Luft zugeführt. Außerdem dient das Luftgebläse 3 dazu, den erforderlichen Adsorptions druck zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Hierzu verbin det eine Leitung 4 das Luftgebläse 3 mit einer Verteiler leitung 5, in welche außen zwei Vakuumventile 6, 7 und innen zwei Luftventile 8, 9 geschaltet sind. Die Leitung 4 mündet zwischen den Luftventilen 8, 9 in die Verteiler leitung 5, während jeweils zwischen einem Vakuumventil 6, 7 und einem Luftventil 8, 9 eine Leitung 10, 11 zu dem Adsorber 1 bzw. 2 führt.

Zur wechselseitigen Evakuierung der Adsorber 1, 2 und da mit zum Ansaugen der stickstoffangereicherten Fraktion aus den Adsorbern 1, 2 dient ein Vakuumpumpstand 12, der hintereinander zwei Vakuumpumpen 13, 14 aufweist. Bei der Vakuumpumpe 14, die die zweite Pumpstufe bildet und auf der Seite der Atmosphäre angeordnet ist, handelt es sich um eine voreinlaßgekühle Drehkolbenpumpe, welche später genauer anhand der Fig. 2 beschrieben wird. In diese zweite Vakuumpumpe 14 strömt Luft aus der Atmosphäre als Kühlluft über eine Leitung 15 hinein.

Der Vakuumpumpstand 12 ist mittels einer Ansaugleitung 16 mit den beiden äußeren Enden der Verteilerleitung 5 ver bunden. Die Vakuumventile 6, 7 und Luftventile 8, 9 er möglichen es, im Teillastbetrieb die Ansaugseite der er sten Vakuumpumpe 13 des Vakuumpumpstandes 12 mit Druck luft vom Luftgebläse 3 zu beaufschlagen.

Die Sauerstoffentnahme erfolgt hinter einem Speicherbe hälter 18, dem ein Gebläse 19 oder Kompressor vorgeschal tet ist, so daß der Sauerstoff mit Überdruck anfällt. Dem Gebläse 19 oder Kompressor vorgeschaltet ist ein Puf ferbehälter 20, in den der Sauerstoff, welcher eine Rein heit von bis zu 95% hat, über eine Sperreinrichtung 21 gelangt. Bei der Sperreinrichtung 21 handelt es sich um eine von den Adsorbern 1, 2 zum Speicherbehälter 18 hin öffnende Rückschlagklappe.

Die Auslässe der beiden Adsorber 1, 2 sind durch eine Verbindungsleitung 22 miteinander verbunden, in welche ein Sperrventil 23 und eine Drossel 24 geschaltet ist. Mit Hilfe dieser Verbindungsleitung 22, dem Sperrventil 23 und der Drossel 24 werden die beiden Adsorber 1 und 2 zum Spülen und zum ersten Druckaufbau nach jeder Desorp tionsphase bzw. Adsorptionsphase für den Spülvorgang mit einander verbunden und der auf einen Enddruck von 350 mbar regenerierte Adsorber 1 oder 2 von dem noch in Ad sorption befindlichen Adsorber 2 oder 1 bei zugeschalte tem Luftgebläse 3 und Vakuumpumpstand 12 gespült und da bei ein erster Druckaufbau des regenerierten Adsorbers auf ca. 500 mbar erzielt. Nach diesem Spülvorgang werden Produktentnahmeventile 25, 26 in Leitungen 27, 28, welche zu einer Produktentnahmeleitung 29 mit dem Rück schlagventil 21 führen, aufgeschaltet. Durch gleichzeiti ges Öffnen des dem jeweiligen Adsorber 1 oder 2 zugeord neten Luftventils 8 oder 9 wird dieser dann mit dem Luft gebläse 3 als auch mit dem Pumpstand 12 verbunden, so daß in dem regenerierten Adsorber 1 oder 2 ein erneuter Druckaufbau bzw. ein Druckausgleich in beiden Adsorbern 1 und 2 oben und unten erfolgen kann. Der untere Druck ausgleich funktioniert genau so wie der Teillastbetrieb, nur daß diese Funktion zeitlich sehr kurz ist und sich zyklisch immer wiederholt. Wenn zum Beispiel der Adsorber 1 regeneriert und der Adsorber 2 adsorbiert, dann sind die unteren Ventile folgendermaßen geschaltet: Ventil 6 offen, Ventil 8 zu, Ventil 9 offen und Ventil 7 zu. Beim unteren Druckausgleich wird innerhalb der Druckaus gleichszeit innerhalb einer gewissen Zeit zusätzlich das Ventil 8 geöffnet. Danach wird das Ventil 7 geöffnet und Ventil 8 geschlossen und nach Ablauf der Druckausgleichs zeit Ventil 9 geschlossen. Dadurch wird gewährleistet, daß während des unteren Druckausgleichs genau wie bei Teillastbetrieb immer eine Verbindung des Vakuumpump standes 12 zum Luftgebläse 3 besteht. Von Vorteil ist da bei, daß innerhalb der Druckausgleichszeit die Ventile in die richtige Position für die nachfolgende Adsorption und Desorption gebracht werden, so daß die Zeiten, in nerhalb der keine Produktion erfolgt, besonders gering sind.

Durch die beschriebene Art des Druckausgleichs erfolgt der untere Druckausgleich gleichzeitig mit dem oberen Druckausgleich. Dadurch wird aus dem jeweiligen Adsorber Stickstoff nach unten hin abgesaugt. Durch den Druckaus gleich strömt in den regenerierten Adsorber nicht der Stickstoff aus dem ersten Adsorber, sondern überwiegend Luft.

Nach Ablauf des Druckaufbaus von 500 mbar auf 900 mbar wird so das entsprechende Vakuumventil 7 bzw. 6 des rege nerierten Adsorbers 1 oder 2 geschlossen und für den zu regenerierenden Adsorber 1 oder 2 gleichzeitig das ent sprechende Produktentnahmeventil 25 bzw. 26 geschlossen, so daß die Adsorptionsphase im regenerierten Adsorber 1 oder 2 bzw. die Desorptionsphase im zuvor in Adsorption befindlichen Adsorber 1 oder 2 erfolgt.

Beim Pumpstand 17 mit dem Luftgebläse 3 wurde lediglich ein mit Luft als Kühlmittel arbeitender Luftkühler 32 po sitioniert, dem ein Gebläse 30 zugeordnet ist, durch wel ches ein Kühlluftstrom 31 zunächst an einer Seite des Va kuumpumpstandes 12, dann an seiner anderen Seite zurück und anschließend entlang des Pumpstandes 17 für die Ad sorptionsluft durch den Luftkühler 32 gesaugt wird. Nicht positioniert wurden die üblichen Bauteile, wie Filter, Schalldämpfer, ein Sicherheitsventil und Ventile. Der Luftkühler 32 dient dazu, die von dem als Drehkolbenge bläse ausgebildeten Luftgebläse 3 auf maximal 1,5 bar verdichtete Luft zurückzukühlen. Die Einstellung dieses Druckes erfolgt durch die Produktentnahmemenge und die Drossel 40 hinter dem Pufferbehälter 20, so daß in dem jeweils auf Adsorption geschalteten Adsorber 1 oder 2 der gewünschte maximale Druck nach jeder Adsorptionsphase er reicht wird. Die Regelung der Adsorptionstemperatur erfolgt durch Drehzahlregelung des Gebläses 30 mittels eines frequenzgesteuerten Ventilatormotors 46.

Auch beim Vakuumpumpstand 12 wurden übliche Bauteile nicht positioniert. Wichtig für die Erfindung ist, daß die von der ersten Vakuumpumpe 13 kommende, komprimierte, heiße und sauerstoffabgereicherte Luft von 50°C bis maxi mal 110°C pro Zyklus direkt der zweiten Vakuumpumpe 14 zugeführt und von der zweiten Vakuumpumpe 14 mit dieser Temperatur angesaugt wird.

In Fig. 1 ist desweiteren eine Bypassleitung 41 darge stellt, über welche die zweite Vakuumpumpe 14 unter Umge hung der ersten Vakuumpumpe 13 unmittelbar mit den Adsor bern 1 und 2 verbindbar ist. In diese Bypassleitung 41 ist eine Rückschlagklappe 42 geschaltet, welche zur zwei ten Vakuumpumpe 14 hin öffnet. Zum Evakuieren der ersten Vakuumpumpe 13 kann eine Hilfspumpe 43 vorgesehen sein.

Um den Vakuumpumpstand 12 einlaßseitig auch bei Still stand des Luftgebläses mit der Atmosphäre zu verbinden, mündet in die Leitung 4 eine Lufteinlaßleitung 44 mit einer zur Atmosphäre hin schließenden Rückschlagklappe 45.

Die Gestaltung der Vakuumpumpe 14 ist genauer anhand der Fig. 2 zu erkennen. Diese hat einen Einlaßstutzen 37, einen Auslaßstutzen 36 und zwei Drehkolben 35. Speziell ausgebildete Kühllufteintrittsöffnungen 33, 34 sorgen da für, daß das angesaugte, heiße Gas mit kalter Luft in der Vakuumpumpe 14 vermischt wird, wobei ein jeweiliger Förderraum 39 mit dem heißen Gas vor Öffnung seines je weiligen Drehkolbens 35 zu seinem Auslaßstutzen 36 mit kalter Luft vermischt und auf Atmosphärendruck geflutet und somit die Verdichtung auf Atmosphärendruck mit ein strömender, kalter Luft vorgenommen wird, bevor der Drehkolben 35 die Verbindung zum Auslaßstutzen 36 frei gibt. Hierdurch strömt das Gas mit einer Temperatur pro Zyklus von ca. 70°C bis maximal 120°C aus der zweiten Vakuumpumpe 14. Die Kühllufteintrittsöffnungen 33, 34 liegen im zweiten Quadranten, beginnen frühestens bei 36° und enden spätestens bei 90°.

Wie die Fig. 1 erkennen läßt, verzweigt sich die Lei tung 15 zu einem Hosenrohr 38, um beide Kühlluftein trittsöffnungen 33, 34 mit der Atmosphäre zu verbinden. Dadurch kommt es in der Leitung 15 zu Pulsationen doppel ter Grundfrequenz, so daß einfache Pulsationsdämpfer ge nügen.

Die beschriebene Druckwechselanlage arbeitet vorzugsweise mit einer Gesamtzykluszeit von 2 × 33 bis 2 × 45 sec. Da bei entfallen auf die Spül- und Druckausgleichsphase 7 bis maximal 15 sec. Diese Spül- und Druckausgleichsphase wird vorgenommen, wenn die wechselweise erfolgende Um schaltung von Absorption auf Desorption in dem einen Ad sorber 1 oder 2 bzw. von Desorption auf Adsorption in dem anderen Adsorber 1 oder 2 erfolgt.

Abschließend sei angemerkt, daß es sich bei allen Druck angaben um absolute Drücke handelt.

Bezugszeichenliste

1

Adsorber

2

Adsorber

3

Luftgebläse

4

Leitung

5

Verteilerleitung

6

Vakuumventil

7

Vakuumventil

8

Luftventil

9

Luftventil

10

Leitung

11

Leitung

12

Vakuumpumpstand

13

Vakuumpumpe

14

Vakuumpumpe

15

Leitung

16

Ansaugleitung

17

Pumpstand

18

Speicherbehälter

19

Gebläse

20

Pufferbehälter

21

Sperreinrichtung

22

Verbindungsleitung

23

Sperrventil

24

Drossel

25

Produktentnahmeventil

26

Produktentnahmeventil

27

Leitung

28

Leitung

29

Produktentnahmeleitung

30

Gebläse

31

Kühlluftstrom

32

Luftkühler

33

Kühllufteintrittsöffnung

34

Kühllufteintrittsöffnung

35

Drehkolben

36

Auslaßstutzen

37

Einlaßstutzen

38

Hosenrohr

39

Förderraum

40

Drossel

41

Bypassleitung

42

Rückschlagklappe

43

Hilfspumpe

44

Lufteinlaßleitung

45

Rückschlagklappe

46

Ventilatormotor

Claims

1. Druckwechselanlage zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft, welche zumindest zwei Adsorber mit syntheti schem Zeolithe hat, an welchen zum wechselnden Betrieb ein Luftgebläse für die Adsorptionsluft und ein Vakuum pumpstand zur Desorption des jeweiligen Adsorbers ange schlossen sind, wobei der Vakuumpumpstand zwei hinterein ander geschaltete Vakuumpumpen hat, dadurch gekennzeich net, daß in jeden Adsorber (1, 2) nur eine für den Über druck und Unterdruck gemeinsame Leitung (10, 11) von ei ner Verteilerleitung (5) führt, daß zu beiden Seiten des Anschlusses der Leitungen (10, 11) an die Verteilerlei tung (5) in die Verteilerleitung (5) ein Luftventil (8, 9) und ein Vakuumventil (6, 7) geschaltet ist, daß an beiden äußeren Enden der Verteilerleitung (5) der Vaku umpumpstand (12) und die Mitte der Verteilerleitung (5) zwischen den Luftventilen (8, 9) über eine Leitung (4) mit dem Luftgebläse (3) Verbindung hat.

2. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Strö mungsrichtung gesehen die zweite Vakuumpumpe (14) eine voreinlaßgekühlte Drehkolbenpumpe mit Kühlluftein trittsöffnungen (33, 34) zum definierten Einströmen von Außenluft atmosphärischen Drucks ist, daß der Einlaßstutzen (37) der zweiten Vakuumpumpe (14) ohne Verwendung einer Gaskühlung durch Wassereinspritzung oder durch ei nen Wärmetauscher mit dem auslaß der ersten Vakuumpumpe (13) Verbindung hat und daß der Vakuumpumpstand (12) mit Steuereinrichtungen zum Erzeugen eines Desorptionsdruckes zwischen 300 mbar und 500 mbar versehen ist.

3. Druckwechselanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kühllufteintrittsöffnungen (33, 34) der zweiten Vakuumpumpe (14) so bemessen und positioniert sind, daß das Verhältnis des Gesamtmassenstromes des an gesaugten Massenstroms von der ersten Vakuumpumpe (13) und des Kühlluftmassenstroms zum Kühlluftmassenstrom am Anfang des Desorptionszyklus von einem hohen Wert rasch auf 33 abfällt und innerhalb des Desorptionszyklus bis zum Ende langsam auf 1,5 absinkt.

4. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl lufteintrittsöffnungen (33, 34) im zweiten Quadranten frühestens bei 36° beginnen und vor 90° enden.

5. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl lufteintrittsöffnungen (33, 34) über eine gemeinsame Lei tung (15) mit der Atmosphäre verbunden sind.

6. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Küh lung der Anlageteile ein Gebläse (30) eines für die Ad sorptionsluft notwendigen Luftkühlers (32) vorgesehen ist und daß ein Kühlluftstrom (31) entlang des Vakuumpump standes (12) und des Pumpstandes (17) für die Adsorpti onsluft zu dem Gebläse (30) führt.

7. Druckwechselanlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gebläse (30) einen Ventilatormotor (46) mit geregelter Drehzahl aufweist.

8. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Vakuumpumpe (13) ein Radialgebläse mit einer regelbaren Drossel in seiner Ansaugleitung (16) vorgesehen ist.

9. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Produktentnahmeleitung (29) zur Verhinderung einer Sauer stoffströmung von dem Pufferbehälter (20) zu dem Adsorber (1, 2) eine Sperreinrichtung angeordnet ist.

10. Druckwechselanlage nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sperreinrichtung eine von dem Adsorber (1, 2) in Richtung des Speicherbehälters (18) hin öff nende Rückschlagklappe ist.

11. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, als Radialgebläse ausgebildete Vakuumpumpe (13) eine ihre Ansaugleitung (16) unmittelbar mit der zweiten, als Dreh kolbenpumpe ausgebildet Vakuumpumpe (14) verbindende Bypassleitung (41) hat, in welche eine zur zweiten Vaku umpumpe (14) hin öffnende Rückschlagklappe geschaltet ist.

12. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Evaku ieren der ersten als Radialgebläse ausgebildeten Vakuum pumpe (13) eine Hilfspumpe (43) vorgesehen ist.

13. Druckwechselanlage nach zumindest einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die das Luftgebläse (3) mit den Adsorbern (1, 2) verbindende Lei tung (4) eine Lufteinlaßleitung (44) mit einer zur Atmo sphäre hin schließenden Rückschlagklappe (45) geschaltet ist.

14. Verfahren zum Betrieb einer Druckwechselanlage zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft, welche zumindest einen Adsorber hat, welcher wechselnd zur Adsorption von Stickstoff mit Überdruck und zur Desorption mit Unter druck beaufschlagt wird, wobei zur Unterdruckbeaufschla gung ein Vakuumpumpstand mit zwei hintereinander ge schalteten Vakuumpumpen verwendet wird, dadurch gekenn zeichnet, daß man bei durch geringe O₂-Abnahme gekenn zeichnetem Teillastbetrieb den Adsorptionsdruck über den Adsorptionsdruck bei Vollastbetrieb ansteigen läßt und bei Erreichen eines festgelegten oberen Adsorptionsdru ckes das Luftgebläse für die Adsorptionsluft vor den zweistufigen Vakuumpumpstand schaltet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck am Speicherbehälter oder Pufferbehälter überwacht und bei Unterschreiten eines festgelegten Wer tes die Luftventile und Vakuumventile wieder auf zykli schen Adsorptions- und Desorptionsbetrieb geschaltet wer den.

16. Verfahren nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch ge kennzeichnet, daß in Strömungsrichtung gesehen als zweite Vakuumpumpe eine voreinlaßgekühlte Drehkolben pumpe verwendet wird, in deren Kühllufteintrittsöffnungen man definiert Außenluft atmosphärischen Drucks einströmen läßt, daß das die erste Vakuumpumpe verlassende Gas ohne Zwischenschaltung einer Gaskühlung durch Wasserein spritzung oder einen Wärmetauscher dem Einlaß der zwei ten Vakuumpumpe zugeführt wird und daß mit dem Vakuum pumpstand ein Desorptionsdruck zwischen 300 mbar und 500 mbar gefahren wird.

17. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der zweiten Vakuum pumpe das Verhältnis des Gesamtmassenstromes des ange saugten Massenstroms von der ersten Vakuumpumpe und des Kühlluftmassenstroms zum Kühlluftmassenstrom am Anfang des Desorptionszyklus von einem hohen Wert rasch auf 33 abfällt und innerhalb des Desorptionszyklus bis zum Ende langsam auf 1,5 absinkt.

18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adsorptionsdruck zwischen 0,7 bar und 1,8 bar, vorzugsweise zwischen 0,9 bar am Anfang und 1,5 bar am Ende der Adsorption, und ein Desorptionsdruck zwischen 350 mbar und 400 mbar gewählt wird und daß der Startdruck für die Adsorption und Desorption nach der Spülphase und der Druckaufbauphase minimal 700 mbar und maximal 950 mbar beträgt.

19. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche 14-18, dadurch gekennzeichnet, daß mittels ei ner Drossel in der Produktentnahmeleitung nach dem Puf ferbehälter der Druckaufbau auf Adsorptionsenddruck in einer gewünschten Zeit nach dem Umschalten eines Adsor bers auf Druckaufbau ermöglicht wird.

20. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche 14-19, dadurch gekennzeichnet, daß der Drossel ein Pufferbehälter nachgeschaltet und sein Volumen so be messen wird, daß der Adsorptionsdruck im Pufferbehälter zwischen 1,2 bar und 1,5 bar innerhalb eines Adsorpti onszyklusses schwankt.

21. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung der An lageteile ein Gebläse eines für die Adsorptionsluft not wendigen Luftkühlers benutzt wird, daß ein Kühlluftstrom entlang des Vakuumpumpstandes und des Pumpstandes für die Adsorptionsluft zu dem Gebläse geführt wird und daß das Gebläse mittels eines frequenzgeregelten Ventilatormotors so geregelt wird, daß die Lufteintrittstemperatur in den Adsorber nicht unter einen unteren Wert absinkt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Außentemperaturen die heiße Abluft des Vakuumpumpstandes zur Anhebung der Temperatur der Luft des Luftgebläses benutzt wird.