DE2038765A1 - Process for the separation of carbon dioxide from a mixture of acid-free gases - Google Patents
Process for the separation of carbon dioxide from a mixture of acid-free gasesInfo
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Description
o„.,Na. DIPL.-ΙΝβ. M.»O. O.Pt.-l-MVe. OR. D o "., Well . DIPL.-ΙΝβ. M. "OOPt.-l-MVe. OR. D.
A 38 311 mA 38 311 m
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1. August 1970August 1, 1970
Mine Safety Appliances Company 201 North Braddock Avenue
Pittsburgh, Pennsylvania 15208/USA Mine Safety Appliances Company 201 North Braddock Avenue
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Verfahren zur Trennung von Kohlendioxyd aus einer Mischung säurefreier Gase Process for the separation of carbon dioxide from a mixture of acid-free gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Kohlendioxyd aus einer Mischung säurefreier Gase bzw. aus 'atembarer Luft.The invention relates to a method for separating carbon dioxide from a mixture of acid-free gases or from breathable air.
Kohlendioxyd muß häufig aus Gasmischungen bei der Herstellung " von Kohlendioxyd selbst herausgelöst werden, weiterhin ist es in Feuergasen bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Materialien enthalten und absorbiert, desgleichen aber auch in einer Vielzahl von anderen Verbindungen, wobei der Hauptgrund einer Trennung des Kohlendioxyds darin zu sehen ist, dieses aus einem gewünschten Produktgas herauszulöser.. AufCarbon dioxide must often be obtained from gas mixtures in the production " can be leached out by carbon dioxide itself; it is also present in fire gases when carbon-containing ones are burned Materials contain and absorb the same but also in a variety of other compounds, the main reason being a separation of the carbon dioxide can be seen in the removal of this from a desired product gas .. Auf
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diese Weise wird Kohlendioxyd aus Arbeitsgasen bzw. Synthesegasen bei einem Dampf-Kohlenwasserstoff Reforming-Verfahren •zur Herstellung von Wasserstoff t Ammoniak und Methanol entfernt. Weiterhin ist es notwendig, Kohlendioxyd aus gasförmigen Luft-Kohlenwasserstoff-Verbrennungsprodukten zu entfernen, um sauerstoff- und kohlendioxydfreie inerte Gasatmosphären zu erzeugen, solche inerten Atmosphären sind beispielsweise für die Lagerung von Früchten und anderen Produkten notwendig. Außerdem ist es notwendig, in von Menschen oder sonstigen Lebewesen bewohnten Kammern» wie beispielsweise Unterseebooten und auch Raumkapseln, das ausgeatmete Kohlendioxyd aus der Atmosphäre zu entfernen.In this way, carbon dioxide is removed from working gases or synthesis gases in a steam-hydrocarbon reforming process • for the production of hydrogen t ammonia and methanol. Furthermore, it is necessary to remove carbon dioxide from gaseous air-hydrocarbon combustion products in order to generate inert gas atmospheres free of oxygen and carbon dioxide; such inert atmospheres are necessary, for example, for the storage of fruits and other products. In addition, it is necessary to remove the exhaled carbon dioxide from the atmosphere in chambers inhabited by people or other living beings, such as submarines and space capsules.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Trennung von Kohlendioxyd aus anderen Gasen auf eine außerordentlich rationelle und schnelle Art durchzuführen, wobei die Trennung von großer Wirksamkeit ist und wobei darüberhinaus die Möglichkeit besteht, das die Trennung vornehmende Medium wieder, und zwar zu wiederholten Malen, zu regenerieren.The invention is based on the object of such a separation of carbon dioxide from other gases to an extraordinarily high degree efficient and quick way to carry out, where the separation is of great effectiveness and where moreover the possibility is to regenerate the separating medium again, and to do so repeatedly.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Trennung von Kohlendioxyd aus einer Mischung säurefreier Gase bzw. aus atembarer Luft und besteht darin, daß die Gasmischung durch eine Schicht (Bett) einr-j schwach basischen IonentaiBtauschharzes bei einer Temperatur hindü^cL-geleitet wird, bei welcher das Kohlendioxyd durch das Harz absorbiert wird, daß anschließend Dampf in die mit einer Cinla.3-To solve this problem, the invention is based on a method for separating carbon dioxide from a mixture acid-free gases or breathable air and consists in that the gas mixture through a layer (bed) einr-j weak basic ion exchange resin at a temperature is, in which the carbon dioxide is absorbed by the resin, that then steam in the with a Cinla.3-
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und AuslaSöffnung ausgestattete Schicht eingeleitet wird, derart, daß der Dampf am Einlaß kondensiert und sich eine Front kondensierten Dampfes in Längsrichtung durch die Schicht schiebt, wodurch der Reihe nach gegeneinander verschoben nicht absorbiertes Gas und desorbiertes bzw. freigegebenes Kohlendioxyd aus der Schicht freigesetzt bzw. ausgespült werden.layer equipped with an outlet opening is initiated, such that the steam condenses at the inlet and forms a Front pushes condensed vapor in the longitudinal direction through the layer, whereby the sequence does not shift against each other absorbed gas and desorbed or released carbon dioxide are released or flushed out of the layer.
Dieses Dampfgenerationsverfahren entzieht der Harzschicht also zunächst die nicht absorbierten Gase im Unterschied zum Kohlendioxyd, die in den freien Räumen der Schicht zurückge- f halten worden sind und anschließend das desorbierte Kohlendioxyd. Durch ein solches Regenerationsverfahren wird eine höhere Reinheit des Kohlendioxyds und der kohlendioxydfreien Gase erzielt, so daß ein solches Regenerationsverfahren als ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung anzusehen ist.This steam generation process first removes the unabsorbed gases from the resin layer, in contrast to carbon dioxide, which have been retained in the free spaces of the layer and then the desorbed carbon dioxide. Such a regeneration process achieves a higher purity of the carbon dioxide and the carbon dioxide-free gases, so that such a regeneration process is to be regarded as an essential part of the invention.
Dae soeben beschriebene Verfahren ist zur Trennung von Kohlendioxyd aus Gasmischungen, die Luft, inerte Gase wie Helium, Neon und Argon, zweiatomige Penncanentgaae wie Wasserstoff, Sauerstoff ur.a Stickstoff und andere säurefreie Gase enthalten, die nicht von dem schwach basischen Ionenaustauschharz absorbiert werden, geeignet. Gasr.ischungen, die säurehaltige Λ Gase wie CcLwefeloxyd in Feuergasen enthalten, können auf ™ übliche Art vorbehandelt werden, um das Säuregas vor der Einleitung in den Kohlendioxyd-Trennungsprozess abzutrennen.The process just described is for separating carbon dioxide from gas mixtures that contain air, inert gases such as helium, neon and argon, diatomic gas such as hydrogen, oxygen and nitrogen and other acid-free gases that are not absorbed by the weakly basic ion exchange resin, suitable. Gasr.ischungen, the acidic gases such as Λ CcLwefeloxyd contained in flue gases can be pretreated to ™ usual way to the acid gas prior to introduction into the carbon dioxide separation process to separate.
Der Fig. 1 kann teilweise im Schnitt und teilweise in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Durchführung de3 erfindungsgeinäßen Verfahrens entnommen v/erden,Fig. 1 can be partly in section and partly in schematic form Representation of an arrangement for implementing de3 according to the invention Removed from the procedure,
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A 38 311 m a - f 1 1.8.197οA 38 311 m a - f 1 1.8.197ο
Pig. 2 zeigt schematisch die Kondition der Harzschicht nach Pig. 1 während eines Regenerationszyklus'.Pig. 2 shows schematically the condition of the resin layer according to Pig. 1 during a regeneration cycle.
Im folgenden werden zunächst die Absorptionsmittel beschrieben. Ganz allgemein sind schwach basische Ionenaustauschharze zur Verwendung als Absorptionsmittel entsprechend der Erfindung brauchbar. Solche Harze haben primäre, sekundäre und/ oder tertiäre funktioneile Aminaktivgruppen, die an eine polymere Matrix angefügt sind. Die polymere Matrix kann üblicherweise ein Polystyrol, ein Polystyrol-Divinylbenzol-Mischpolymerisat, ein Phenol-Pormaldehyd, eine Polyakrylsäure, ein Polymethakrylsäure-Divinylbenzol-MischpolymerJBat oder ein Polymerisat vom Epoxydtyp. Eine große Anzahl dieser Harze sind im Hai del erhältlich und können für die vorliegende Erfindung verwendet werden, jedoch mit unterschiedlichen Graden ihrer Brauchbarkeit.The absorbents are first described below. Generally speaking, weakly basic ion exchange resins are for use as absorbents in accordance with the invention useful. Such resins have primary, secondary and / or tertiary functional amine active groups attached to a polymer matrix are attached. The polymer matrix can usually be a polystyrene, a polystyrene-divinylbenzene copolymer, a phenol-formaldehyde, a polyacrylic acid, a polymethacrylic acid-divinylbenzene mixed polymer JBat or an epoxy type polymer. A large number of these resins are available in the Hai del and can be used for the present Invention may be used, but to varying degrees of utility.
Bevorzugte schwach basische Ionenaustauschharze, die eine besondere hohe Affiniüt und Kapazität für Kohlcndioxyd aufweisen, können wiederholt regeneriert werden, ohne eine wesentliche Einbuße ihrer Absorptionseigenschaften, darin eingeschlossen solche Harze, in welchen die aktive Gruppe eine Polyaminfunktionalität aufweist und mindestens ein sekundäres Stickstoffamin enthält. Solche Materialien werden hergestellt durch Reaktion eines Aditionepolymere bzw. eines Konditionspolymers mit polyfunktionellen Aminen, die einPreferred weakly basic ion exchange resins, which have a particularly high affinity and capacity for carbon dioxide, can be regenerated repeatedly without a substantial loss of their absorption properties therein including those resins in which the active group has a polyamine functionality and at least one contains secondary nitrogen amine. Such materials will be produced by reaction of an addition polymer or a Condition polymer with polyfunctional amines, which a
109809/1797109809/1797
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sekundäres Stickstoffamin haben, wie beispielsweise Diäthyientriamin, Triäthyltetramin und Tetraäthylenpentamin. Solche bevorzugte Harze umfassen Polyakrylsäure-Polyaminharze, die entsprechend den Anweisungen des US-Patents 2 582 194 hergestellt sind und Epoxyd-Polyaminharze, die auf übliche Art durch Reaktion eines Epoxydharzes und eines Polyamin in einer Lösung wie beispielsweise Xylol hergestellt werden.have secondary nitrogen amines, such as dietary hygienic triamine, Triethyl tetramine and tetraethylene pentamine. Such preferred resins include polyacrylic acid-polyamine resins, the are made according to the instructions of U.S. Patent 2,582,194 and epoxy-polyamine resins prepared in a conventional manner by reacting an epoxy resin and a polyamine in a solution such as xylene.
Polystyr.ol-Divinylbenzol-Mischpolymerisate vom Gelharztyp weisen polyaminfunktionelle Gruppen auf und sind speziell als Absorptionsmittel geeignet. Harze dieser Art können durch Reaktion eines Chlormethyl (Chloromethylated)-Styroldivinylbenzol-Mischpolymerisat mit einem Amin wie beispielsweise Diäthyltriamin, Triäthyltetramin, Tetraäthylpentamin und anderer polyfunktioneller Amine hergestellt werden. Ein äquimolarer Betrag bzw. ein Überschuß von Amin für jede Chlormethylgruppe ruft eine Kondensation einer Chlormethylgruppe mit einer Amingruppe, wie durch die nachfolgend dargestellte Reaktion unter Verwendung von Diäthylentriamin dargestellt, hervor:Polystyrene-divinylbenzene copolymers of the gel resin type have polyamine functional groups and are especially suitable as absorbents. Resins of this type can get through Reaction of a chloromethyl (chloromethylated) -styrene divinylbenzene copolymer with an amine such as diethylenetriamine, triethyltetramine, tetraethylpentamine and other polyfunctional amines are produced. An equimolar amount or excess of amine for each Chloromethyl group causes a condensation of a chloromethyl group with an amine group as shown by that shown below Reaction using diethylenetriamine shown, shows:
+ HCl + HCl
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Liegt das Verhältnis des Amin bei 1/2 des gleichmolaren bzw. äquimolaren Verhältnisses, dann wird durch die Kondensation eine zusätzliche Quervernetzung und hauptsächlich eine sekun däre Aminfunktionalität entsprechend der nachfolgenden Gleichung begünstigt:If the ratio of the amine is 1/2 of the equal molar or equimolar ratio, then the condensation creates an additional cross-linking and mainly one second The amine functionality is favored according to the following equation:
[CH2-CH2-Jx [CH 2 -CH 2 -J x
II. Il ♦ 2HClII ♦ 2HCl
CH2-NH-CH2-CH2-InI-CH2-CiI2-NH-CH2 CH 2 -NH-CH 2 -CH 2 -InI-CH 2 -CiI 2 -NH-CH 2
Die Kohlendioxydkapazität dieses Harztypes ist relativ zu der Ionenaustauschkapazität und übliche Verfahren zur Verbesserung der Ionenaustauschkapazität verbessern ebenfalls die dynamische Kohlendioxydkapazität. Um eine geeignete Porosität zu erzielen, verwendet man vorzugsweise Mischpolymerisate, die weniger als etwa 10 i» Divinylbenzol, zweckmäßig 3 bis 5 # enthalten. Amberlite IR- 45, ein Chlormethyl-The carbon dioxide capacity of this type of resin is relative to the ion exchange capacity and conventional methods of improving ion exchange capacity also improve dynamic carbon dioxide capacity. In order to achieve a suitable porosity, copolymers are preferably used which contain less than about 10 » divinylbenzene, expediently 3 to 5 #. Amberlite IR- 45, a chloromethyl
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polystyrol-Divinylbenzol-Mischpolymerisat (choromethylated polystyrene-divinylbenzene copolymer), dem Diäthylentriamin zugeführt ist, stellt ein typisches, käuflich zu erwerbendes Harz der bevorzugten Art dar.polystyrene-divinylbenzene copolymer (choromethylated polystyrene-divinylbenzene copolymer), to which diethylenetriamine is added, is a typical one that can be purchased Resin of the preferred type.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Bezug auf die Fig. 1 erläutert, in welcher teilweise schematisch ein Apparat zur Entfernung ausgeatmetem CO2 aus der Luft in einem geschlossenen Raum zur Aufrechterhaltung einer atembaren Atmosphäre dargestellt ist. Eine Schicht 2, eines schwach basischen Ionenauetauschharzes ist zwischen zwei Schirmen " bzw. Gittern 4 in einem Raum 6 gehalten; der Raum 6 ist von einem Gehäuse 8 gebildet, welches entfernbare, mit Flanschen 12 gesicherte Abdeckteile 10 enthält. Eine Schicht eines flexiblen, offene Zellen aufweisenden Schaums ermöglicht eine Veränderung des Schichtvolumens, welches durch unterschiedliche Aufschwellungen dee Harzes infolge unterschiedlichen Wassergehaltes hervorgerufen ist. Der Raum ist mit einer Lufteinlaßöffnung 14, einer Auslaßöitnung 15, einer Dampfcinlaßöffnung 16 zusammen mit zugeordneten Ventilen 20, 22, 24 und 26 versehen. Wärmeschalter (Thermoschalter) 30 und Gasvolumenzähler 32 sind mit geeignetem Schaltwerk verbunden, um die Steuerventile zu öffnen und zu schließen, wie weiter unten M noch ausführlicher dargestellt wird. Ein Kondensator 29 entfernt Wasserdampf aus der abgelassenen Luft, wenn eine Entfeuchtung erwünscht ist, wie das bei der Aufrechterhaltung einer atembaren Atmosphäre der Fall ist.The method according to the invention is explained below with reference to FIG. 1, in which an apparatus for removing exhaled CO 2 from the air in a closed space for maintaining a breathable atmosphere is shown partially schematically. A layer 2 of a weakly basic ion exchange resin is held between two screens "or grids 4 in a space 6; the space 6 is formed by a housing 8 which contains removable cover parts 10 secured with flanges 12. A layer of a flexible, open Foam having cells enables a change in the layer volume, which is caused by different swellings of the resin as a result of different water content. The space is provided with an air inlet opening 14, an outlet opening 15, a steam inlet opening 16 together with associated valves 20, 22, 24 and 26. Heat switch (Thermal switch) 30 and gas volume meter 32 are connected to suitable switching mechanism to open and close the control valves, as will be shown in more detail below M. A condenser 29 removes water vapor from the vented air when dehumidification is desired, as in FIG maintaining a breathable Atmosphere is the case.
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Im folgenden wird auf den Absorptionszyklus genauer eingegangen. Sind die Ventile 24 und 26 geschlossen und die Ventile 20 und 22 geöffnet, dann wird kohlendioxydh»ltige Raumluft durch die Harzschicht gepreßt, und zwar mittels eines Gebläses 34, wobei das Kohlendioxyd von dem Harz absorbiert wird. Der Absorptionszyklus kann eine vorbestimmte Dauer aufweisen, und zwar in Abhängigkeit von den Eigenschaften des speziell verwendeten Apparates, er kann jedoch auch als Folge eines Signals, welches COp In den Auslaßgasen feststellt, beendet werden, wobei konventionelle Gasanalysatoren und Überwachungssysteme verwendet werden können.The absorption cycle is discussed in more detail below. If the valves 24 and 26 are closed and the valves 20 and 22 are open, then carbon dioxide is present Room air is forced through the resin layer by means of a fan 34, the carbon dioxide being absorbed by the resin will. The absorption cycle can be a predetermined one Have duration, depending on the characteristics of the particular apparatus being used, but it may as well as a result of a signal which detects COp in the outlet gases, using conventional gas analyzers and monitoring systems.
Die Harze, die in der Lage sind, Kohlendioxyd zu absorbieren, enthalten absorbiertes Wasser, und weisen zweckmäßigerweise· über 5 Ί· Wassergehalt auf; vorzugsweise ist das Harz jedoch nicht naß infolge nichtabsorbierten Wassers, welches die Kohlendioxydabsorption hindern würde. Zwar differiert die Kapazität verschiedener Harze in etwa, im allgemeinen jedoch stellt ein Wassergehalt von unter etwa 30 % im wesentlichen vollkommen absorbiertes Wasser dar. Die Feuchtigkeit des Gases, welches durch die Harzschicht· strömt, kann, falls notwendig, eingestellt werden, um einen passenden Gleichgewichtszustand hinsichtlich des Wassergehaltes in dem Harz zu erreichen. Beispielsweise ist bei 24° und einem Gas mit einer relativen Feuchtigkeit von 50 $> ein Gleichgewichtszustand bei 5 bis 10 Gew.# Wasser in dem Harz erreicht, während ein Gas mit 90 i» relativer Feuchte in einen Gleichgewichtszustand bei 25 bis 30 # Wassergehalt in dem Harz gelangt. Im allgemeinen wird ein Gas von einer relativen Feuchte von 75 bis 90 # bevorzugt.The resins which are capable of absorbing carbon dioxide contain absorbed water, and expediently have · over 5 Ί · water content; however, preferably the resin is not wet due to unabsorbed water which would hinder carbon dioxide absorption. Although the capacity of various resins differs somewhat, in general a water content of less than about 30 % represents essentially completely absorbed water. The humidity of the gas which flows through the resin layer can, if necessary, be adjusted to an appropriate one To achieve equilibrium with regard to the water content in the resin. For example, at 24 °, and reaches a gas having a relative humidity of 50 $> an equilibrium state at 5 to 10 wt. # Of water in the resin, while a gas with 90 i "relative humidity in an equilibrium state at 25 to 30 # water content in reaches the resin. In general, a gas with a relative humidity of 75 to 90 # is preferred.
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Kohlendioxyd wird von der Harzschicht bzw. den Harzbett leicht bei normalen Umgebungs- bzw. Raumtemperaturen absorbiert, aber auch höhere oder niedrigere Temperaturen können verwendet werden, falls dies erwünscht ist. Die Wirksamkeit der Absorption ist etwas bei geringeren Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes des Wassers vergrößert, während der Wirkungsgrad der Absorption im wesentlichen bei Temperaturen um bzw. über 33° C verringert ist. Im allgemeinen wird man es wohl vorziehen, den Absorptionszyklus bei geeigneten fCarbon dioxide is released from the resin layer or resin bed easily absorbed at normal ambient or room temperatures, but higher or lower temperatures can also be used if so desired. The effectiveness the absorption is somewhat increased at lower temperatures above the freezing point of the water, during the Absorption efficiency essentially at temperatures is reduced by or above 33 ° C. Generally one will may prefer to continue the absorption cycle when appropriate f
Temperaturen zwischen 5 und 33° C zu betreiben. Eine Temperatureinstellung kann durch Verkleidung der die Harzechicht enthaltenen Kammer zum Zwecke der Kühlung bzw· Erhitzung erreicht werden, bzw. einfacher durch Einstellen der Temperatur des einströmenden Gases.Operate at temperatures between 5 and 33 ° C. A temperature setting can be done by disguising the resin layer contained chamber can be achieved for the purpose of cooling or heating, or more simply by adjusting the temperature of the incoming gas.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxyd verwendet, um eine atembare Atmosphäre aufrechtzuerhalten, dann enthält das einströmende Gas etwa 0,4 bis 0,5# Kohlendioxyd. Bei Beginn des Absorptionszyklus1 wird das die Harzschicht verlassende Gas sehr wenig Kohlendioxyd, beispielsweise 0,1 $> oder weniger COp enthalten; dieser Wert hängt von der Schi cht tiefe, von den räumlichen Flußgesehwin- \ digkeiten der Gase, von dem speziell verwendeten Harz und von anderen, auch bei üblichen Absorptionsverfahren vorhandenen Parametern ab. Bei weiterer Portsetzung des Absorptionszyklus1 wird das herausströmende Gas einen sich langsam und allmählich vergrößernden Anteil von Kohlendioxyd enthalten, wobei, wennIf the method of the present invention is used to remove carbon dioxide in order to maintain a breathable atmosphere, the inflowing gas will contain about 0.4-0.5% carbon dioxide. At the beginning of the absorption cycle 1 , the gas leaving the resin layer will contain very little carbon dioxide, for example 0.1 $> or less COp; this value depends on the ski cht deep, on the spatial Flußgesehwin- \ velocities of the gases on the particular resin and other, existing even at normal absorption process parameters. When the absorption cycle 1 continues , the gas flowing out will contain a slowly and gradually increasing proportion of carbon dioxide, and if
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die Kohlendioxydkonzentration des ausströmenden Gases einen vorbestimmten Wert erreicht, der Absorptionszyklue beendet ' wird. Un eine atembare Atmosphäre aufrechtzuerhalten, wird der Absorptionszyklus vorzugsweise dann beendet, wenn das ausströmende Gae etwa 0,2 bis 0,25 % Kohlendioxyd enthält; bei diesen Eingangs- und Ausgangewerten der Kohlendioxydkonzentrationen absorbiert das Harz zwischen 1,75 und 2,25 Gew.56 Kohlendioxyd· Bei höheren Kohlendioxydkonzentrationen wird ein größerer Anteil von Kohlendioxyd absorbiert, beispielsweise absorbiert das Harz bei einer Eingangskonzentration von 2 i» und einer Ausgangskonzentration von 1,5 # Kohlendioxyd etwa 4 Gew.Ji Kohlendioxyd.the carbon dioxide concentration of the outflowing gas reaches a predetermined value, the absorption cycle is ended. In order to maintain a breathable atmosphere, the absorption cycle is preferably terminated when the effluent gas contains about 0.2 to 0.25% carbon dioxide; at these input and output readings of carbon dioxide concentrations, the resin absorbed 1.75 to 2.25 carbon dioxide Gew.56 · At higher concentrations of carbon dioxide is absorbed, a greater proportion of carbon dioxide, for example, the resin absorbs i at an input concentration of 2 »and a starting concentration of 1.5 # carbon dioxide about 4% by weight of carbon dioxide.
Im folgenden wird der Regenerationszyklus im einzelnen näher erläutert. Entsprechend einen Merkmal der Erfindung wird das absorbierte Kohlendioxyd aus der Harzschicht bzw. aus den Harzbett durch Einleiten von Dampf entfernt; hat also der Absorptionszyklus bei geringen Temperaturen, vorzugsweise bei Temperaturen unter 33° C stattgefunden, so kondensiert nunmehr Dampf und der kondensierte Dampf wird von dem Harz absorbiert und überträgt die latente Verdampfungshitze auf daa Harz. Sowie der Dampf auf das Absorptionsmittel gelangt und kondensiert, schiebt sich eine Front kondensierten Dampfes in Längsrichtung durch die Schicht und löst absorbiertes Kohlendioxyd und in den freien Räumen der Schicht enthaltene Luft. Aufgrund des Anwachsens des Partialdruckes des Kohlendioxyde vor der Kondensationsfront wird CO2 wieder reabsorbiert, so daß die ursprünglichThe regeneration cycle is explained in more detail below. According to a feature of the invention, the absorbed carbon dioxide is removed from the resin layer or from the resin bed by introducing steam; if the absorption cycle has taken place at low temperatures, preferably at temperatures below 33 ° C., steam now condenses and the condensed steam is absorbed by the resin and transfers the latent heat of evaporation to the resin. As soon as the steam reaches the absorbent and condenses, a front of condensed steam pushes its length through the layer and dissolves absorbed carbon dioxide and air contained in the free spaces of the layer. Due to the increase in the partial pressure of the carbon dioxide in front of the condensation front, CO 2 is reabsorbed again, so that the originally
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in der Schicht enthaltende Luft schneller ale das COg ausgeepült wird.air contained in the layer faster than the COg is purged.
Dieses Regenerationsverfahren führt zu einer wirkungsvollen Trennung dee deeorbierten bzw. freigesetzten Kohlendioxyds und der mitausgespülten Luft, wie das im folgenden im Hinblick auf die Fig. 2 noch genauer erläutert wird. Fig. 2 zeigt schematisch den Zustand einer Harzschicht 36 während der Regeneration in dem Moment, wo die Kondensationsfront die Pos. 38 erreicht.hat. Wenn an dem einen Ende der Schicht Dampf eingeführt wird, wird er auf der kühleren Harzschicht kondensieren und diese erhitzen. Er wird gleichzeitig die Luft verdrängen, während der Dampfdruck an der Kondensationsfront abfällt. Der nachfolgende Dampfdruck drückt mehr Dampf über die heiße, nasse Oberfläche in Kontakt mit dem noch kühleren Schichtmaterial. Die sich somit durch die Schicht hindurchschiebende ßasmischung besteht aus Dampf, resorbiertem Kohlendioxyd und Luft. Der EaEpf kondensiert in der Kondensationszone 1. Die heiße Kohlendioxyd-Luftmischung, die von der Kondensationszone herstammt, wird von der Schicht in der Zone 2 gekühlt. Die Kohlendioxydkonzentration ist in dieser Gegend beträchtlich hoch, so daß der hohe Partialdruck eine sehr schnelle Reabsorption des Kohlendioxyds durch das Harz bis zu Beträgen, die sich der theoretischen Aufnahmekapazität des Harzes annähern, bewirkt, d.h. bis zu etwa 20 Gew.^ Kohlendioxyd bei einem Kohlendioxyddruck von 1 Atmosphäre. Die verdrängte Luft wird nicht absorbiert und gelangt in Zone 3 und wird als erstes aus der AuslaßschichtöffnungThis regeneration process leads to an effective separation of the deeorbed or released carbon dioxide and the air flushed out as well, as will be explained in more detail below with reference to FIG. Fig. 2 shows schematically the state of a resin layer 36 during regeneration at the moment when the condensation front has reached pos. 38. If at one end of the shift When steam is introduced, it will condense on the cooler resin layer and heat it up. He becomes the same at the same time Displacement of air while the vapor pressure drops on the condensation front. The subsequent steam pressure pushes more steam over the hot, wet surface in contact with the still cooler layer material. The plasma mixture that pushes through the layer consists of steam, resorbed carbon dioxide and air. The EaEpf condenses in the condensation zone 1. The hot carbon dioxide-air mixture that originating from the condensation zone is cooled by the layer in zone 2. The carbon dioxide concentration is in this area is considerably high, so that the high partial pressure causes a very rapid reabsorption of the carbon dioxide by the Resin up to amounts approaching the theoretical capacity of the resin, i.e. up to about 20% by weight of carbon dioxide at a carbon dioxide pressure of 1 atmosphere. The displaced air is not absorbed and gets there in zone 3 and emerges first from the outlet layer opening
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entlaseen. Sobald die führende Kante der Zone 2 das Ende der Schicht erreicht, was auf passende Weise durch Messen des verdrängten Gasvolumens oder durch Bestimmen eines Temperaturanstieges über 33 C vorgenommen wird, gelangt auch einiges CO2 zusammen mit der verdrängten Luft aus der Schicht. In der Folge wird dann schließlich, wenn die Kondensationsfront das hintere Ende der Harzschicht erreicht, welches passenderweise durch einen weiteren Temperaturanstieg bestimmt wird, ausschließlich noch Kohlendioxyd ausgespült. Ein besonderes Merkmal dieses Regenerationsverfahrens ist in der selbstkorrigierenden Eigenschaft des Dampfdurchflusses durch die festgepackte Schicht zu sehen, wodurch eine Kanalbildung verringert bzw. praktisch vollkommen verhindert wird. Immer dann, wenn sich in der Schicht kalte ■ Stellen befinden, wirken sich diese Stellen als Kondensationspunkte aus, wobei das Wasser dazu dient, den Druckabfall zu vergrößern. Dies zwingt den Dampf an jeder Stelle zu kondensieren, so daß die Schicht eine außerordentlich gleichmäßige Temperatur in jeder beliebigen Querschnittsebene aufweist.deflate. As soon as the leading edge of zone 2 reaches the end of the bed, which is appropriately done by measuring the displaced gas volume or by determining a temperature rise above 33 C, some CO 2 also comes out of the bed along with the displaced air. As a result, when the condensation front reaches the rear end of the resin layer, which is appropriately determined by a further rise in temperature, only carbon dioxide is flushed out. A special feature of this regeneration process can be seen in the self-correcting property of the steam flow through the tightly packed layer, whereby channel formation is reduced or practically completely prevented. Whenever there are cold spots in the layer, ■ these spots act as condensation points, with the water serving to increase the pressure drop. This forces the steam to condense at every point, so that the layer has an extremely uniform temperature in any cross-sectional plane.
Mit Bezug auf die Fig. 1 geht der Regenerationszyklus derart vonstatten, daß das Ventil 20 geschlossen und die Regeneration durch Öffnen des Ventils 24 erfolgt, welches einen Dampfeintritt im vorbestimmten Umfang in die Schicht erlaubt, so daß der Dampf, wie weiter oben beschrieben, progressiv durch die Schicht kondensiert. Die herausgedrückteWith reference to Figure 1, the regeneration cycle goes like this make sure that the valve 20 is closed and the regeneration is carried out by opening the valve 24, which one Allowed steam to enter the layer to a predetermined extent, so that the steam, as described above, is progressive condensed through the layer. The one pushed out
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Luft tritt als erste aus der Harzschicht heraus, durchströmt das Ventil 22 und gelangt durch den Kondensator 29 wieder in den atembaren Luftkreislauf.Air emerges first from the resin layer and flows through it the valve 22 and passes through the condenser 29 back into the breathable air circuit.
Wenn die Kondensationsfront durch die Schicht bis zu einem solchen Grade fortgeschritten ist, daß das vordere Ende der Reabsorptionszone das Ende der Harzschicht erreicht, dann beginnt die Freisetzung und Ausspülung von Kohlendioxyd aus der Schicht. Das Ventil 22 ist geschlossen und das Ventil 6 geöffnet, um das Kohlendioxyd in die Leitung 27 einzulassen. Die Ventile können automatisch betrieben werden, um den Regenerationszyklus als Folge eines Signals durchzuführen, welches durch die Feststellung von Kohlendioxyd in den ausströmenden Gasen erzeugt worden ist. Es dürfte sich als zweckmäßig erweisen, die Ventile während des Regenerationszyklus1 unter Beachtung des Gasvolumenzählers 32 zu schalten bzw. in Betrieb zu nehmen, welcher das Ventil 26 mittels eines geeigneten Relaissysteme schließt und das Ventil 28 öffnet. Dieser Volumenzähler ist so eingestellt, daß er dann ein Signal abgibt, wenn das Volumen des ausgespülten Gases dem ursprünglich in der Schicht enthaltenden Luftvolumen entspricht.When the condensation front has advanced through the bed to such an extent that the front end of the reabsorption zone reaches the end of the resin bed, the release and scavenging of carbon dioxide from the bed begins. The valve 22 is closed and the valve 6 is opened in order to let the carbon dioxide into the line 27. The valves can be operated automatically to perform the regeneration cycle in response to a signal generated by the detection of carbon dioxide in the effluent gases. It should prove to be expedient to switch the valves or to put them into operation during the regeneration cycle 1, taking into account the gas volume counter 32, which closes the valve 26 by means of a suitable relay system and opens the valve 28. This volume counter is set so that it emits a signal when the volume of the purged gas corresponds to the volume of air originally contained in the layer.
Der Thermoschalter bzw. der bei einer Temperatur ansprechende Schalter 30 schließt bei etwa 100° C bzw. dann, wenn die Kondensationsfront angekommen ist und betätigt geeignete Relais, die das Dampfventil 24 und das Ventil 26 schließen, wodurch der Regenerationszyklus beendet wird.The thermal switch or the switch 30 responding at a temperature closes at about 100 ° C or when the The condensation front has arrived and actuates suitable relays that close the steam valve 24 and valve 26, thereby ending the regeneration cycle.
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In Abhängigkeit davon, ob es die ursprüngliche Absicht war, reines Kohlendioxyd herzustellen oder Kohlendioxyd aus anderen Gasen zu entfernen, kann der Zeitverlauf hinsichtlich des Schließens des Ventils 22 und der Öffnung des Ventils 26 so eingestellt werden, daß entweder durch das Ventil 22 ein von Kohlendioxyd im wesentlich vollkommen freier Durchtritt anderer Gase erfolgt oder daß durch das Ventil 26 Kohlendio xyd, welches im wesentlichen vollständig von anderen Gasen befreit ist, strömt. Auf diese Weise kann etwa 85 i> des Kohlendioxyds oder anderer Gase sauber mit einem Reinheitsgrad von 99+ $> abgetrennt werden; höhere Ausbeuten sind dann möglich, wenn ein höherer Grad an Unreinheit erlaubt ist.Depending on whether it was the original intention to produce pure carbon dioxide or to remove carbon dioxide from other gases, the timing of the closing of the valve 22 and the opening of the valve 26 can be adjusted so that either through the valve 22 one of carbon dioxide essentially completely free passage of other gases takes place or that through the valve 26 carbon dioxide, which is essentially completely freed from other gases, flows. In this way, about 85 i of carbon dioxide and other gases are separated cleanly with a purity of 99 + $>>; higher yields are possible if a higher level of impurity is allowed.
Das Gebläse 34 wird dann wieder eingeschaltet und die Ventile 20 und 22 werden für den nächsten Absorptionszyklus geöffnet. Die durch die Schicht strömende Luft kühlt diese schnell ab und entfernt das überschlüssige, in dem Harz von dem vorhergehenden Regenerationszyklus verwendete Wasser, welches dann mittels des Kondensators 29 dem Luftstrom entnommen wix'd.The fan 34 is then turned on again and the valves 20 and 22 are opened for the next absorption cycle. The air flowing through the layer quickly cools it down and removes the excess in the resin from the previous one Regeneration cycle used water, which was then taken from the air stream by means of the condenser 29.
Das Verfahren der Regeneration, bei welchem die Luft und Kohlendioxyd voneinander getrennt werden, stellt eine wertvolle und bedeutende Maßnahme dar, und zwar hinsichtlich des Umstandes, ob die Trennung zur Gewinnung von Kohlendioxyd oder von Luft oder zur Gewinnung eines anderen nicht absorbierten Gases dient. Beispielsweise ist es auf diese Art möglich, in Systemen im Weltraum, die zur Lebenserhaltung dienen und bei welchen die Entfernung und der Verlust der in der Schicht ver-The process of regeneration, in which the air and carbon dioxide are separated from one another, is a valuable one and represent an important measure, namely with regard to the fact whether the separation for the production of carbon dioxide or from air or to obtain another non-absorbed gas. For example, in this way it is possible to use Systems in space that serve to support life and in which the distance and loss of the
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bliebenen Luft sehr kostspielig wäre, mittels des erfindungsgemäßen Regenerationsverfahrens die Trennung des schließlich zu entfernenden bzw. wegzuwerfenden KohlendioxycB vorzunehmen, während im wesentlichen die gesamte Luft erhalten und zurückbehalten wird.remaining air would be very expensive by means of the invention Regeneration process, the separation of the carbon dioxide to be removed or discarded while maintaining and retaining substantially all of the air.
Im folgenden Beispiel kann die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens entnommen werden. Bei einem Probelauf unter Verwendung des in Pig. 1 dargestellten ApparatesThe effectiveness of the method according to the invention can be seen in the following example. During a test run using the in Pig. 1 shown apparatus
wurden 0,566 m5 pro Minute (20 cfm) Raumluft (bei 27° C) mit einem Gehalt von 0,48 $> Kohlendioxyd durch eine Schicht von Amberlit IR-45 Harz mit einem Durchmesser von 37 cm und einer Tiefe von 14 cm bei einem Gewicht von ca. 12 kg hindurchgeleitet. Nach einer Stunde hatte die Schicht etwa 0,227 kg CO2 absorbiert. Das ausströmende Gas enthielt 30 Minuten lang weniger als 0,1 f> CO2f wonach dann bis zum Ende einer Stunde die Konzentration bis auf 0,28 # anstieg. Mit einer Durchflußrate von 4,08 kg/Stunde (9^/hour) wurde dann Dampf an das eine Ende der Schicht eingelassen. Nach 7 Minuten erreichte die Temperatur des Thermoschalter 33° C, wobei der Rückfluß der ausströmenden Luft in den Raum beendet wurde und der Ausfluß durch die für CO2 bestimmte Auslaßseite 27 vorgenommen wurde; bis zu diesem ύ 0.566 m 5 per minute (20 cfm) room air (at 27 ° C) with a content of $ 0.48> carbon dioxide through a layer of Amberlite IR-45 resin with a diameter of 37 cm and a depth of 14 cm at a Weight of approx. 12 kg passed through. After one hour the layer had absorbed about 0.227 kg of CO 2. The outflowing gas contained less than 0.1 f> CO 2 f for 30 minutes, after which the concentration rose to 0.28 # by the end of one hour. Steam was then admitted to one end of the bed at a flow rate of 4.08 kg / hour (9 ^ / hour). After 7 minutes, the temperature of the thermal switch reached 33 ° C., the reflux of the outflowing air into the room was stopped and the outflow was made through the outlet side 27 intended for CO 2; until this ύ
•χ " • χ "
Moment war etwa 95 i» bzw. 20 dnr der in der Schicht enthaltende! Luft ohne Vermischung mit Kohlendioxyd ausgeströmt. Nach weiteren 6 Minuten lag an dem Thermoschalter eine Temperatur von ca. 100° vor, wodurch der Dampfzufluß abgeschaltet, das Ventil 27 geschlossen und der Absorptions-Moment was about 95 i "or 20 dnr of containing in the film! Air emitted without mixing with carbon dioxide. After a further 6 minutes, the temperature of the thermal switch was approx. 100 °, whereby the steam flow was switched off, the valve 27 closed and the absorption
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zyklus wieder begonnen wurde. Das Kohlendioxyd war praktisch "vollkommen desorbiert und wiedergewonnen worden. Das überschüssige, in der Harzschicht verbliebene Wasser wurde nach etwa 5 Minuten von der infolge des nachfolgenden Absorptionszyklus· durchströmenden Luft entfernt. Ein solcher Absorptions-Regenerationszyklus kann ohne irgendeine wesentliche Änderung in seiner Wirksamkeit für eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Wiederholungen, und zwar für weit über 1000 mal, wiederholt werden.cycle has started again. The carbon dioxide was practically "completely desorbed and recovered. That excess water remaining in the resin layer was removed after about 5 minutes by the air flowing through it. Such an absorption-regeneration cycle can be performed without any substantial Change in effectiveness for a practically unlimited number of repetitions, and well over 1000 times, to be repeated.
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Claims (6)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US84932069A | 1969-08-12 | 1969-08-12 |
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