DE2736394C3

DE2736394C3 - Vorrichtung zum Fraktionieren eines Gasgemisches

Info

Publication number: DE2736394C3
Application number: DE2736394A
Authority: DE
Inventors: Ronny Dr. Taeby Eriksson (Schweden)
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Linde Sverige AB
Priority date: 1976-08-13
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1979-11-29
Also published as: GB1529779A; US4169715A; SE409554B; SE7609060L; DE2736394B2; DE2736394A1

Description

Die Erfindung bezieht sich ar.f eine Vorrichtung zum Fraktionieren eines aus mindestens. wei Komponenten bestehenden Gasgemisches mit einem eine Adsorptionsmittelschicht enthaltenden Behälter und einem hin- und hergehend antreibbaren Kolben aufweisenden Kolbenverdichter.

Bei einer solchen bekannten, in der US-PS 32 80 536 offenbarten Vorrichtung wird die Adsorptionsmittelschicht vom Überdruck entlastet, sobald der Kolben des Kolbenverdichters seinen inneren Totpunkt erreicht hat, woraufhin eine zuvor in einem an die Schicht in Zuströmrichtung des Gasgemisches anschließenden Behälter gesammelte, nicht adsorbierte Gaskomponente zur Schicht zurückströmt. Die Vorrichtung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, von denen ein Hauptnachteil darin liegt, daß die Ausbeute an der nicht adsorbierten Gaskomponente, bezogen auf die dem Gerät zugeführte Menge des Gasgemisches, unbefriedigend klein ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Gerät so zu vervollkommnen, daß eine vollständigere Fraktionierung des zugeführten Gasgemisches erzielt wird.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hubraum des Kolbenverdichters über eine Rohrleitung mit dem die Adsorptionsmittelschicht enthaltenden Behälter in ständiger Verbindung steht und im Behälter an die Adsorptionsmittelschichl auf deren der Rohrleitung abgelegenem Ende sich ein Sammelraum und an diesen über ein steuerbares Auslaßventil sich eine Auslaßleitung für die nicht adsorbierte Gaskomponente anschließt, daß im Zylinderkopf des Kolbenverdichters im Anschlußbereich der Rohrleitung ein steuerbares Auslaßventil für die bei der Druckentlastung aus der Adsorptionsmittelschicht wieder freigegebene Gaskomponente angeordnet ist und daß in den Hubraum des Kolbenverdichters im Bereich der äußeren Totpunktlage des Kolbens eine

Einlaßöffnung für das zu fraktionierende Gasgemisch einmündet

Mit einem so ausgebildeten Fraktionierungsgerät kann im Anschluß an die Adsorption der einen Gaskomponente im Vergleich zu bisher ein wesentlich

ι ο höherer Anteil der einen oder der anderen Komponente des zugeführten Gases oder des nach der Desorption verbliebenen Restgases erhalten werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an den Hubraum des Kolbenverdichters im

is Bereich des Zylinderkopfes ein weiteres steuerbares Auslaßventil angeschlossen, womit die vorteilhafte Möglichkeit gegeben ist, bei der äußeren Totpunktlage des Kolbens und bei kurzzeitig geöffnetem weiteren Auslaßventil zunächst das mit von der Desorptionsmittelschicht freigegebenen Gasen angereicherte Restgas aus dem Hubraum auszuspülen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt
F i g. 1 die Vorrichtung in einer schematisch gehaltenen Seitenansicht (teilweise in einem zum Kolbenverdichter axialen Schnitt);

F i g. 2 bis 5 der F i g. 1 ähnliche Darstellungen, die den Kolbenverdichter bei vier (aufeinanderfolgenden) Kolbenstellungen veranschaulichen.

Die dargestellte Vorrichtung kann grundsätzlich zum Fraktionieren aller Arten von Gasgemischen verwendet werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch angenommen, daß sie zum Gewinnen verhältnismäßig reinen Sauerstoffgases aus zugeführter Luft dienen soll.

Die Vorrichtung weist einen Kolbenverdichter 10 mit einem hin- und hergehend antreibbaren Kolben 11 auf, der gegenüber der Zylinderwandung mittels Kolbenringen abgedichtet ist Der Kolben 11 ist über eine

■»o Pleuelstange 12 in üblicher, nicht besonders dargestellter Weise von einer Kurbelwelle 13 her antreibbar, die ihrerseits über ein Getriebe 14 von einem Elektromotor 15 her mit einer zwischen 0,1 und 10 U/min betragenden Drehzahl antreibbar ist Im übrigen ist die Kurbelwelle

4'> 13 in einem aus F i g. 1 ersichtlichen Gestell 16 gelagert Die zu fraktionierende Luft gelangt in den Kolbenverdichter 10 durch eine Einlaßleitung 17 und eine Einlaßöffnung 18, die gemäß Fig.5 bei in seiner äußeren Totpunktlage befindlichen Kolben 11 gerade

v> noch in den Hubrauni 10a einmündet. Der Hubraum 10a steht außerdem über eine den Zylinderkopf 30 des Kolbenverdichters 10 durchsetzende Bohrung mit einer Rohrleitung 19 in Verbindung, die in die eine Stirnseite eines zylindrischen Behälters 20 einmündet, von dessen Inhalt angenähert zwei Drittel von einer Adsorptionsschicht 21 eingenommen wird, die ein kristallisiertes, zum selektiven Adsorbieren von Stickstoff fähiges zeolithisches molekulares Sieb bildet. Der restliche Inhalt des Behälters 20 ist leer und bildet einen nachstehend noch erläuterten Sammelraum 22. An die dortige andere Stirnseite des Behälters 20 schließt eine Leitung 23 mit einem Auslaßventil 24 sn, das von einem Druckgeber 27 her in Abhängigkeit von dem in der Leitung 23 befindlichen Druck steuerbar ist. An das

h5 Auslaßventil 24 schließt andererseits der Leitung 23 eine Auslaßleitung 25 an, die in eine Sammelleitung 26 für die nicht adsorbierten Komponenten des Gasgemisches einmündet. Dabei ist angenommen, daß in die

Sammelleitung 26 außer der Auslaßleitung 25 noch weitere gleichartige Anslaßleitungen einmünden, die von weiteren gleichartigen Vorrichtungen ausgehen.

Ein erstes Auslaßventil 28 des Kolbenverdichters 10, welches in geöffnetem Zustand den Hubraum 10a mit der äußeren Atmosphäre verbindet, steht einlaßseitig mit der zur Rohrleitung 19 führenden Bohrung des Zylinderkopfes 30 in Verbindung. Es ist als Tellerventil ausgebildet, dessen Schaft Jl den Zylinderkopf 30 nach außen durchsetzt und durch eine einerseits an der Außenseite des Zylinderkopfes 30 und anderseits an einem mit dem Ventilschaft 31 fest verbundenen Ventilteller 32 abgestützte Feder 29 in seine Schließstellung vorgespannt ist

Mit dem äußeren Ende des Schaftes 31 wirkt ein Nocken 33 einer Nockenwelle 34 zusammen, durch den das Auslaßventil 28 in nachstehend noch erläuterter Weise geöffnet wird, nachdem der Kolben 11 seine innere T<?tpunktlage erreicht hat, womit die durch die entsprechende Druckentlastung der Adsorptionsmittelschicht wieder freigegebene Gaskomponente durch das Ventil 28 nach außen ins Freie entweichen kann.

Im Bereich des Zylinderkopfes 30 ist an den Kolbenverdichter 110 noch ein zweites Auslaßventil 35 angeschlossen, welches ebenfalls als Tellerventil: ausgebildet ist und über seinen Schaft 37 von einem zweiten Nocken 36 der Nockenwelle 34 her aufsteuerbar ist Über das zweite Auslaßventil 35 kann Gas in nachstehend noch erläuterter V/eise in eine Abführungsleitung 38 gelangen.

Die Nockenwelle 34 ist von der Kurbelwelle 13 her über einen Antriebsriemen 39 antriebbar, der antriebsseitig um eine Riemenscheibe 40 und abtriebsseitig um eine Riemenscheibe 41 geführt ist. Auf diese Weise ist eine genaue Synchronisation zwischen den Hüben des Kolbens 11 und der Arbeit der beiden Auslaßventile 28 und 35 erzielt

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Nähert sich der Kolben 11 des Kolbenverdichters 10 aus der in Fig.2 gestrichelt angedeuteten Lage 42 seiner inneren Totpunktlage, wie es in F i g. 2 ausgezogen dargestellt ist, dann sind die beiden Auslaßventile 28 und 35 geschlossen. Das im Hubraum 10a befindliche Gas wird durch die Rohrleitung 19 in Richtung der dargestellten Pfeile in den Behälter 20 und bis vor das Auslaßventil 24 gepreßt, bis es kurz vor Erreichen der inneren Totpunktlage durch den Kolben 11 einen vorbestimmten D;ruck, beispielsweise von 03 MPa erreicht hat und der Stickstoffanteil der im Behälter 20 vorhandenen Luft weitgehend von der Adsorptionsmittelschicht 21 adsorbiert ist. Bei Erreichen des vorgenannten Druckes steuert der Druckgeber 27 das Auslaßventil 24 auf und das weitgehend stickstoffreie, entsprechend sauerstoffreiche Restgas entspannt sich durch die Leitung 23 und die Auslaßleitung 25 zur Sammelleitung 26 hin.

Mit dem auf die innere Totpunktlage folgenden Auswärtshub des Kolbens 11 gemäß Fig,3 sinkt auch der Druck im Behälter 20 wieder ab, womit ebenfalls das Auslaßventil 24 über den Druckgeber 27 wieder geschlossen wird. Zugleich bewirkt der Nocken 33 der Nockenwelle 34 ein öffnen des ersten Auslaßventils 28, womit sich das im Behälter 20 und der Rohrleitung 19 befindliche Gas durch das Auslaßventil 28 ins Freie

ίο entspannen kann. Zugleich entspannt sich aber auch das im Sammelraum 22 und der Leitung 23 befindliche, einen großen Sauerstoffanteil aufweisende Restgas durch die Adsorptionsmittelschicht 21 hindurch, womit diese Schicht gereinigt und von zuvor adsorbiertem

is Stickstoff befreit wird. Auch dieses Restgas entspannt sich durch die Rohrleitung 19 und das Auslaßventil 28 hindurch ins Freie.

Sobald der Druck im Behälter 20 auf den atmosphärischen Außendruck abgesunken ist, wird das Auslaßventil 28 wieder geschlossen, während sich der Kolben 11 gemäß F i g. 4 zugleich nach seiner äußeren Totpunktlage hin bewegt Dadurch entsteht im iiubraum 10a und damit auch im Behälter 20 ein entsprechender Unterdruck, der weiterhin zur Entfernung restlichen Stickstoffs aus der Adsorptionsschicht 21 beiträgt

Bei seiner weiteren Aufwärtsbewegung gibt der Kolben si gemäß Fig.5 die Einlaßöffnung 18 frei, so daß nunmehr Luft durch die Einlaßleitung 17 beispielsweise von einem nicht dargestellten Gebläse her in den

ja Hubraum 10a einströmen kann. Zugleich wird über die Nockenwelle 34 und den Nocken 36 das zweite Auslaßventil 35 geöffnet, womit die durch die Einlaßöffnung 18 eingeblasene Luft zugleich das mit Stickstoff aus der Adsorptionsmittelschicht 21 angereicherte Restgasgemisch aus dem Hubraum 10a durch die Abführungsleitung 38 herausbläst Auf diese Weise befindet sich zu Beginn des nächsten Verdichtungshubes des Kolbens 11 und damit zugleich zu Beginn des nächsten und aller folgenden Arbeitszyklen des Kolbenverdichters 10 im Hubraum 10a nur noch reine Luft

Dadurch, daß der Kolbenverdichter 10 nicht nur als Verdichter arbeitet, sondern während des Aufwärtshubes des Kolbens 11 im Hubraum 10a und dem Behälter

-f j auch einen Unterdruck erzeugt, ergibt sich ein bisher nicht bekanntgewesenes Ausmaß an Entfernung der zuvor in der Adsorptionsmittelschicht 21 adsorbiert gewesenen Gaskomponente aus dieser Schicht. Zugleich ergibt sich daraus, daß die so entgaste Adsorptionsmittelschicht 21 während jedes Verdichtungshubes des Kolbens 11 zu einer gegenüber bisher wesentlich intensiveren Aufnahme von Stickstoff befähigt ist und der Sammelleitung 26 gegenüber bisher auch wesentlich saueatoffreicheres Gas zugeführt

v> wsrdiii kann.

Hierzu 3 Ulatt /.cichniingcn

Claims

Patentansprüche:

J. Vorrichtung zum Fraktionieren eines aus mindestens zwei Komponenten bestehenden Gasgemisches mit einem eine Adsoptionsschicht enthaltenden Behälter und einem einen hia- und hergehend antreibbaren Kolben aufweisenden Kolbenverdichter, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubraum (lOaJdes Kolbenverdichters (10) über eine Rohrleitung (19) mit dem die Adsorptionsmittelschicht (21) enthaltenden Behälter (20) in ständiger Verbindung steht und im Behälter (20) an die Adsorptionsmittelschicht (21) auf deren der Rohrleitung (19) abgelegenem Ende sich ein Sammelraum (22) und an diesen über ein steuerbares Auslaßventil (24) sich eine Auslaßleitung (2S) für die nicht adsorbierte Gaskomponente anschließt, daß im Zylinderkopf (30) des Kolbenverdichters (10) im Anschlußbereich der Rohrleitung (19) ein steuerbares Auslaßventil (28) für die bei der Druckentlastung aus der Adscrptionsmittelschicht (21) wieder freigegebene Gaskomponente angeordnet ist und daß in den Hubraum (iOa) des Kolbenverdichters (10) im Bereich der äußeren Totpunktlage des Kolbens (11) eine Einlaßöffnung (18) für das zu fraktionierende Gasgemisch einmündet
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Hubraum (1Oa^ des Kolbenverdichters (10) im Bereich des Zylinderkopfes (30) ein weiteres steuerbares Auslaßventil angeschlossen ist