DE2454801B2 - Vorrichtung zur adsorptiven, isothermen Trennung eines Gasgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur adsorptiven, isothermen Trennung eines Gasgemisches nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 29 44 627 bekannt Hier werden zur kontinuierlichen Trennung oder Anreicherung der verschiedenen Bestandteile eines Gasgemisches zwei Behälter verwendet, in denen sich ein Adsorptionsmittel befindet. Dieses ist für einen Bestandteil des Gasgemisches selektiv, adsorbiert also diesen stärker als den oder die anderen Bestandteile. Das austretende Gas weist somit eine Anreicherung mit dem nicht oder weniger adsorbierten Bestandteil auf. Um die Anordnung kontinuierlich betreiben zu können, liegen die beiden Behälter parallel. Sie werden abwechselnd zyklisch angesteuert, so daß sich jeweils der eine in der Adsorptionsphase und der andere in der Desorptionsphase befindet. Beide Adsorptionsbehälter können an einer Seite über Ventile wahlweise mit der Atmosphäre oder mit einem Kompressor verbunden werden. Diese Ventile werden im wesentlichen antizyklisch angesteuert. Die anderen Seiten der Adsorptionsbehälter stehen über eine Drosselstelle miteinander in Verbindung, so daß der in der Desorptionsphase befindliche Behälter durch angereichertes Gas rückwärts ausgespült wird.

Diese bekannte Vorrichtung eignet sich jedoch aus mehreren Gründen für einen raschen Wechsel der Betriebszyklen nicht. Zum einen entstehen durch die direkte Verbindung zwischen Kompressor und Adsorptionsbehältern in diesen beim Schalten der Ventile starke zyklische Druckschwankungen, die auf den Ausgangsdruck durchschlagen. Beim öffnen der Verbindung zwischen Kompressor und einem Adsorptionsbehälter muß der Arbeitsdruck vollständig neu aufgebaut werden. Dadurch wird die volle Kapazität des Adsorptionsmittels erst verzögert erreicht. Da während des Druckausgleichs zwischen den beiden Behältern keiner mit dem Kompressor verbunden ist, arbeitet in dieser Zeit der Kompressor gegen einen verschlossenen Ausgang. Zum anderen erfolgt bei der bekannten Vorrichtung der Druckausgleich zwischen den Behältern beim Wechseln der Betriebsart allein über ein Regelventil, was verhältnismäßig viel Zeit benötigt

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE-AS 12 80 225 bekannt Hier wird durch die besondere Wahl der Arbeitstemperatur des Betriebsgases ein optimaler Trennfaktor eingestellt Die hierzu vorgesehenen Maßnahmen haben mit der durch die vorliegende Erfindung behandelten Problematik wenig gemeinsam.

ίο Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der im Hauptanspruch bezeichneten Art so auszugestalten, daß ein schnellerer Wechsel der Betriebszyklen und ein verhältnismäßig konstanter Ausgangsdruck erzielt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Anspruch 2 beschrieben.
Ein Ausführungsheispiel der Erfindung wird nachfol- gend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung,

F i g. 2 schematisch den Zeitgeber für die Vorrichtung nach F i g. 1 und

Fig.3 eine graphische Darstellung der in der Vorrichtung nach F i g. 1 ablaufenden Vorgänge.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung weist einen Kompressor 12 auf, mit dessen Hilfe Luft aus der Atmosphäre durch einen ersten Filter 14, in dem Staub und andere Schwebstoffe entfernt werden, und durch einen zweiten Filter 16 gesaugt wird, in dem bakterielle Partikeln entfernt werden. Ein dritter Filter 18 am Ausgang des Kompressors 12 stellt eine klinisch reine Luftversorgung sicher. Ein Wärmeaustauscher 20 ist stromabwärts vom Filter 18 angeordnet und entzieht die im Kompressor 12 der Luft zugeführte Wärme.

Die Versorgungsleitung 22 weist eine Zweigstelle 24 auf, von der eine erste Zweigleitung 26, eine zweite Zweigleitung 28 und eine dritte Zweigleitung 30 abgehen.

Die erste Zweigleitung 26 weist ein Druckentlastungsventil 32 auf, das mit der Atmosphäre verbunden ist. Das Entlastungsventil 32 verhindert, daß der Druck in der zweiten Zweigleitung 28 oder in der dritten Zweigleitung 30 über 1 atm ansteigt.

Die zweite Zweigleitung 28 weist ein Einweg-Rückschlagventil 34 auf, das einen Rückfluß aus einem mit einer Leitung 36 verbundenen Vorratsbehälter 38 verhindert. Die Leitung 36 verbindet einen ersten Behälter 40 mit einem zweiten Behälter 42.

Ein elektromagnetisches Ventil 44 verbindet eine von einer ersten Einlaßöffnung 48 kommende Leitung 46 mit der Atmosphäre. Ein zweites elektromagnetisches Ventil 50 in der Leitung 36 steuert die Verbindung der

■35 ersten Einlaßöffnung 48 mit der unter Druck stehenden Luft. Ein drittes elektromagnetisches Ventil 52 verbindet eine von einer zweiten Einlaßöffnung 56 kommende Leitung 54 mit der Atmosphäre, wobei ein viertes elektromagnetisches Ventil 58 die Verbindung der

W) zweiten Einlaßöffnung 56 mit der unter Druck stehenden Luft steuert.

Die Behälter 40,42 enthalten jeweils ein bestimmtes Adsorptionsmittel. Das zur Anwendung kommende Adsorptionsmittel ist normalerweise natürliches oder

M synthetisches Zeolith mit einer gleichbleibenden Porengröße von 4 oder 5 Angström. Eine Porengröße von etwa 4 Angström ist besonders zur Anreicherung von Stickstoff geeignet. Ein Molekularsieb mit einer

Porengröße von etwa 5 Angström eignet sich für die Anreicherung von Sauerstoff. Die beiden genannten Siebmaterialien zeigen auch eine Affinität zu Wasser, können also Feuchtigkeit entziehen, und in einem gewissen Ausmaß auch zu Kohlendioxyd. Demgemäß sind die ausströmenden Substanzen, die aus atmosphärischer Luft gewonnen werden, nicht nur reich an Stickstoff bzw. Sauerstoff, je nach dem verwendeten Material, sondern auch trocken.

Der erste Behälter 40 weist eine Auslaßöffnung 60 auf, die mit einer Auslaßöffnung 62 im zweiten Behälter 42 über eine Leitung 64 verbunden ist Die Leitung 64 weist eine DrosselstelJe 66 auf, die den Strömungsmittelnuß zwischen den Behältern 40,42 begrenzt

Außerdem verbindet eine Leitung 68 die Auslaßöffnung 60 des Behälters 40 mit der Auslaßöffnung 62 des Behälters 42. Ein in der Verbindungsleitung 68 angeordnetes Steuerventil 70 steuert die Strömungsmittelverbindung zwischen der Auslaßöffnunjj 60 und der Auslaßöffnung 62. Das Steuerventil 70 ist mit einem Zeitgeber 72 (siehe F i g. 2) derart verbunden, daß das Ventil 70 unbetätigt bleibt, wenn unter Druck stehende Luft entweder durch das Ventil 50 oder das Ventil 58 strömt Bei einer Änderung der Strömungsrichtung der unter Druck stehenden Luft zwischen dem Ventil 50 und dem Ventil 58 wird das Ventil 70 durch ein Signal von einem Zeitgebermotor 74 erregt. Bei Erregung des Ventils 70 können das ausströmende Produkt und die unter Druck stehende Luft im Bett des Behälters 40 und im Bett des Behälters 42 ungehindert durch die Verbindungsleitung 68 strömen, so daß ein Druckausgleich stattfindet

Eine Leitung 76 verbindet die Auslaßöffnung 60 über ein Rückschlagventil 78 mit einem Vorratsbehälter 80. Ein Teil des aus der Auslaßöffnung 60 ausströmenden Produkts kann zur späteren Verwendung in den Vorratsbehälter 80 strömen. In ähnlicher Weise verbindet die Leitung 76 die Auslaßöffnung 62 über ein Rückschlagventil 82 mit dem Vorratsbehälter 80.

Der Vorratsbehälter 80 ist über eine Druckreduziereinrichtung 84 mit einem Strömungsmesser 86 verbunden. Der Strömungsmesser kann derart aufgebaut sein, daß der durch eine Handsteuerung 88 bestimmte Strömungsmittelfluß eine Stahlkugel in einem Rohr bewegen muß. Danach gelangt das Strömungsmittel in einen Befeuchter 90 (Blasenbildung), bevor es beispielsweise zu einem Patienten kommt.

Die dritte Zweigleitung 30 weist ein Steuerventil 92 auf, das mit einem Betriebsschalter 194 (F i g. 2) des Zeitgebers 72 verbunden ist. Der Betriebsschalter 194 erregt das Steuerventil 92 bei Umschaltung von einer ersten Betriebsart, in der der Zeitgebermotor 74 den Luftstrom aus dem Kompressor 12 steuert, auf eine zweite Betriebsart, in der der Ausgang des Kompressors 12 zur aktiven Unterstützung der Atmung eines Patienten herangezogen wird. Bei erregtem Steuerventil 92 strömt die komprimierte Luft in die Versorgungsleitung 94.

Die Vorrichtung wird durch den Ein-Aus-Schalter 104 (siehe F i g. 2) aktiviert, der beim Einschalten die Leitung 106 mit elektrischem Strom versorgt Eine Lampe 108 zeigt an, daß ein Betriebsstundenzähler 110, der Kompressor 12 und ein Gebläse 112 eingeschaltet sind.

In der in Fi g. 2 gezeigten Stellung des Schalters 194 fließt durch das elektromagnetische Steuerventil 92 Strom. Dann gelangt nicht benötigte Luft vom Kompressor 12 über die feste öffnung des Ventils % direkt in die Atmosphäre.

Beim Umschalten des Schalters 194 wird der Strom durch das elektromagnetischeSteuerventil 92 abgeschaltet; der Zeitgebermotor 74 sowie die elektromagnetischen Steuerventile 44, 50, 52, 58 und 70 werden angeschaltet
Bei entregtem Steuerventil 92 strömt die gesamte

ίο komprimierte Luft aus dem Kompressor 12 durch das Rückschlagventil 34 in den Vorratsbehälter 38. Der Luftdruck im Vorratsbehälter 38 folgt dabei der in F i g. 3 dargestellten Kurve 114.

Die elektromagnetischen Ventile 44 und 58 sind miteinander verbunden und werden durch einen Schalter 116 des Zeitgebermotors 74 gleichzeitig betätigt Die zeitliche Steuerung der Ventile 44 und 58 im Hinblick auf Schließen und öffnen ist aus der Kurve 118 der Fig. 3 zu ersehen, wobei die Kurve 119 die zeitliche Steuerung der Ventile 50 und 52 und die Kurve 121 die des Ventils 70 zeigt Wenn die Ventile 44 und 58 geschlossen sind, können mit einem Schalter 120 die Ventile 50 und 52 erregt werden, so daß die Leitung 36 geöffnet wird und komprimierte Luft zum Behälter 40 gelangt, wie durch die Kurve 122 in F i g. 3 gezeigt ist. Nach einem vorgegebenen Zeitintervall, z. B. im Punkt 124, öffnet der Zeitgebermotor 74 den Schalter 120, so daß der Luftstrom zum Behälter 40 unterbrochen wird. Der Luftdruck im Behälter 40 folgt dabei der Kurve 126,

jii während der Luftdruck im Behälter 42 der Kurve 128 folgt. Nachdem das Ausschalten über den Schalter 120 erfolgt ist, wird ein Schalter 130 des Zeitgebers 74 geschlossen. Bei geschlossenem Schalter 130 wird das Steuerventil 70 erregt, so daß ein Druckausgleich im

3-3 ersten und im zweiten Behälter stattfindet, wie durch die Abschnitte 132 und 134 der Kurven 126 und 128 dargestellt ist.

Während des mit der Kurve 121 gezeigten Zeitintervalls, in dem das Steuerventil 70 geöffnet ist, steigt der

4(i Druck im Vorratsbehälter 38 auf einen Spitzenwert 136 an, wie aus der Kurve 114 zu ersehen ist. Am Ende dieses Zeitintervalls wird das elektromagnetische Steuerventil 70 entregt und der Schalter 116 geschlossen, so daß komprimierte Luft durch die nun geöffneten Steuerven-

i") tile 44 und 58 strömen kann. Dabei strömt die komprimierte Luft im Vorratsbehälter 38 in den Behälter 42, wie durch den Anstieg 138 gezeigt ist, und unterstützt den Luftstrom aus dem Kompressor 12, wie durch die Kurve 123 gezeigt ist, so daß sich im Behälter 42 schnell der Druck aufbaut.

Bei Verwendung eines Stickstoff zurückhaltenden Molekularsiebes in den Behältern 40, 42 und bei dem in Fig.3 dargestellten zeitlichen Ablauf folgt die Anreicherung mit Sauerstoff der Kurve 140. Wie zu sehen ist,

>> beträgt der Sauerstoffanteil im ausströmenden Produkt während der stabilen Phase etwa 60%, wobei sich im Anfangsabschnitt ein niedrigerer Anteil ergibt, wie bei 142 gezeigt ist, von dem aus ein leichter Anstieg bis zum Punkt 144 erfolgt, wenn das Rückhaltevermögen des

w Bettes überschritten wird.

Aufgrund der Größe des Vorratsbehälters 80 und mittels der Druckreduziereinrichtung 84 ist es jedoch möglich, eine konstante Sauerstoffkonzentration von ca. 60% zu erhalten, wie durch die Kurve 146 gezeigt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur adsorptiven, isothermen Trennung eines Gasgemisches mit zwei Behältern, die ein für jeweils einen Bestandteil des Gasgemisches selektives Adsorptionsmittel enthalten, mit einem Kompressor, mit einer die beiden Einlaßöffnungen der Behälter und den Kompressor verbindenden Leitung, in der Ventile angeordnet sind, und mit einer in einer Verbindungsleitung zwischen den Auslaßöffnungen der Behälter angeordneten Drossel, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kompressor (12) mit den Einlaßöffnungen (48, 56) der Behälter (40, 42) verbindende Leitung (36) zwischen den Ventilen (50,58) mit einem Vorratsbehälter (38) verbunden ist und daß in einer weiteren Verbindungsleitung (68) zwischen den Auslaßöffnungen (60,62) der Behälter (40,42) ein Steuerventil (70), welches mit einem Zeitgeber (72) verbunden ist, vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (20) stromabwärts vom Kompressor (12) angeordnet ist