DE3627203C1

DE3627203C1 - Verfahren und Anlage zur Entfernung chemischer und biologischer Kampfstoffe aus Atemluft

Info

Publication number: DE3627203C1
Application number: DE3627203A
Authority: DE
Inventors: Marcel G Verrando; Donald H White; Evan E Dr Koslow; Phillip G Dr Barkley
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1985-05-21
Filing date: 1986-08-14
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2006-08-15
Also published as: FR2671289A1; GB9025037D0; US4983190A; GB2238490B; CA1317893C; FR2671289B1; GB2238490A

Description

In allgemeiner Hinsicht betrifft die vorliegende Erfindung atomare, biologische oder chemische (ABC) Kampfstoffe. Mehr im einzelnen betrifft die Erfindung ein System zur Reinigung von Luft, die mit ABC-Mitteln bzw. -Kampfstoffen verunreinigt ist, um die gereinigte Luft daraufhin für Personen innerhalb eines Schutzraumes, eines Fahrzeugs oder eines Luftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Bei Bedarf kann die so gereinigte Luft auch angereichert werden, um Sauerstoff für den Verbrauch in Höhenflugzeugen oder für medizinische Zwecke bereitzustel len.

Sorptionssysteme sind erprobte Einrichtungen, um einen wirk samen Schutz gegen chemische Kampfstoffe zu gewährleisten. Das Adsorberbett, durch welches die verunreinigte Luft geführt wird, enthält hochporöse Teilchen, welche die Dämpfe der toxischen Stoffe adsorbieren und festhalten. Die zum ersten Mal im Ersten Weltkrieg eingesetzten Adsorptionsmittel aus Aktivkohle haben sich als das wichtigste Abwehrmittel gegen die Drohung eines Angriffs mit einem chemischen Kampfstoff erwiesen. Der Aktivkohle sind Imprägnierstoffe zugesetzt wor den, um das Sorptionsvermögen für die Dämpfe chemischer Kampf stoffe zu steigern.

Niederdruckfilter mit einem Bett aus imprägniertem Kohlenstoff haben sich wegen ihres einfachen Aufbaus als höchst geeignet für den Schutz einzelner Individuen erwiesen. Für den Schutz einer Personengruppe weisen sie jedoch ernsthafte Nachteile auf. Weil solche Filter nicht regenerierbar sind, muß das im prägnierte Adsorberbett in regelmäßigen Abständen erneuert werden, was ernsthafte logistische Probleme aufwirft. Nieder druckfilter müssen große Strömungsquerschnittbereiche aufwei sen, um den Teilchenabrieb und eine Adsorptionsmittel-Staub bildung zu beschränken, die aus den erheblichen Strömungsge schwindigkeiten herrühren. Für Installationszwecke bringen die se Anforderungen erhebliche Schwierigkeiten mit sich.

Unter diesen Einsatzbedingungen weist der zur Zeit eingesetzte ASC- bzw. whetlerized-Kohlenstoff eine begrenzte Lebensdauer auf. Ein Filterbett aus imprägniertem Kohlenstoff wird leicht verun reinigt und kann selbst unter kampffreien Bedingungen unwirk sam werden. Feuchtigkeit und Wärme können die Imprägniermittel auf den Kohlenstoffkörnern nachteilig beeinflussen, und die bereits in üblicher Atmosphäre enthaltenen Verunreinigungen wie etwa Kohlenwasserstoffdämpfe und Abgase können ein Adsor berbett vergiften, bevor ein Angriff mittels chemischer Kampf stoffe erfolgt.

Die wesentlichen Vorteile beim Einsatz von Aktivkohle im Vergleich zu vielen anderen alternativen Vorschlägen zur Kontrolle toxischer Dämpfe liegen in der breiten Anwendbarkeit der zur Zeit eingesetzten ASC- Aktivkohle (zumindest in frischem Zustand) bezüglich des weiten Bereiches der bekannten ABC-Kampfstoffe. Um einen noch vollständigeren Schutz zu gewährleisten, werden Aktivkohle-Filterbette in Verbindung mit einem hochwirksamen Schwebstoff-Filter (sogenannte HEPA-Filter von "High Efficiency Particulate Air"-Filter) oder mit Aerosol-Sperren verwendet, um flüssige Aerosole Staubteilchen, biologische Mittel und Kampfstoffe sowie Adsorptionsmittel-Abrieb und -Feinanteile zu entfernen, die mit toxischen Stoffen verunreinigt sein können.

Zur Anwendung in Höhenflugzeugen und für medizinische Zwecke muß der Sauerstoffgehalt der Luft angereichert werden. Zur Sauer stoffanreicherung ist ein Molekularsieb-Druckschaukeladsorber entwickelt worden (vgl. U.S. Navy Molecular Sieve On-Board Oxygen Generating System - An Update, NACD-8021-60, Oktober 1978).

In der Vergangenheit stellte die Bereitstellung großer Mengen an für medizinische Zwecke geeignetem Sauerstoff einen kritischen Punkt in der erfolgreichen medizinischen Versorgung von durch Kampfeinwirkung Verwundeter dar. Unter den modernen Kampfbedingungen, wie sie etwa in der Doktrin "Air Land 2000" definiert sind, wird ein erhöhtes Volumen an Sauerstoff be nötigt, um über eine Inhalations- und Beatmungs-Therapie sol che Verwundete zu behandeln, welche der Einwirkung eines Ner vengases ausgesetzt waren. Für die Anwendung in einer solchen hochmobilen taktischen Umgebung wird der benötigte Sauerstoff vorzugsweise an Ort und Stelle angereichert bzw. konzentriert, obwohl die Umgebungsluft höchstwahrscheinlich mit ABC-Kampf stoffen verunreinigt sein wird.

Das wesentliche Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sorptionseinrichtung und ein Sorptionsverfahren bereitzu stellen, das eine allgemeine Anwendbarkeit für die physikali sche Adsorption von ABC-Kampfstoffen besitzt und das dennoch in vollem Umfang regeneriert werden kann.

Mehr im einzelnen besteht eine wesentliche Aufgabe der vorlie genden Erfindung darin, ein Adsorptionssystem bereitzustellen, das routinemäßig ununterbrochen betrieben werden kann, um voll ständigen ABC-Schutz für kritische Militärkommandoposten, medi zinische Einrichtungen, Pilotenbereitschaftsräume, Bunker und sonstige Schutzräume, sowie Militärfahrzeuge zu gewährleisten, wodurch die Auswirkungen eines Überraschungsangriffes oder einer Sabotagemaßnahme verringert werden. Im Zusammenhang da mit steht eine weitere Teilaufgabe, nämlich ein solches System bereitzustellen, das in vernünftigen Grenzen kompakt aufgebaut ist, wenig Energie benötigt und in hohem Ausmaß zuverlässig ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen für die medizinische Versorgung im Kampfgebiet geeigneten Sau erstoffgenerator bereitzustellen, der in einer mit ABC-Kampf stoffen verseuchten Umgebung betrieben werden kann.

Ein Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe und Ziele ist ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Maß nahmen. Ein weiterer Aspekt der Lösung dieser Aufgabe und Ziele ist eine Anlage mit den in Anspruch 22 angegebenen Bestandteilen und Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurz gesagt, wird nach einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein, eine Gruppe von Personen vor der Einwirkung von ABC-Kampfstoffen schützendes System bereitgestellt, das anstelle eines Filters aus Aktivkohle oder imprägnierter Aktivkohle einen in der Industrie gebräuchlichen Druckschaukeladsorber (PSA von pressure-swing-adsorber) aufweist. Sofern dieser mit einem Ad sorptionsmittel wie etwa einem (10×10^-10 m)-Molekularsieb aus gerüstet ist, dann kann der Druckschaukeladsorber einen weiten Bereich von ABC-Kampfstoffen adsorbieren und kann während einer ausgedehnten Lebensdauer vollständig regeneriert werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, daß Druckschaukeladsorber in der Lage sind, einen viel größeren Bereich von toxischen Dämpfen und anderen Verunreinigungen aus der Luft abzutrennen als ein Filterbett aus imprägniertem Koh lenstoff. Im industriellen Bereich sind solche Systeme entwic kelt worden, um Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan, Äthan, Öl dämpfe und Stickoxide zu entfernen; weiterhin sind solche Syste me zur fraktionierten Trennung von Luft in Sauerstoff und Stick stoff eingesetzt worden. Diese Systeme sind weiterhin befähigt, ununterbrochen über lange Zeiträume zu arbeiten. Von den im in dustriellen Bereich eingesetzten Systemen ist bekannt, daß sie über viele Jahre hinweg arbeiten, ohne daß ein Leistungsabfall oder eine Verschlechterung der Qualität des Produktes bzw. des abgegebenen Gases auftritt. Druckschaukel-Adsorptionssysteme sind besonders gut geeignet für Installationen, die über lange Zeiträume hinweg einen hochwertigen Schutz erfordern, wie etwa in fortlaufend benutzten Schutzräumen, wie etwa Bunkern.

In einem Druckschaukel-Adsorbersystem sind sowohl die Adsorp tion wie die Desorption wichtig, um die Gesamtleistung des Systems zu gewährleisten. Das verwendete Adsorptionsmittel muß sowohl in der Lage sein, wirksam die Kampfstoffe und son stigen Verunreinigungen aus dem fließenden Luftstrom zu ad sorbieren, wie wirksam und rasch diese Verunreinigungen wieder abzugeben, wenn das System durch Spülung bei Niederdruckbedin gungen regeneriert wird. In dieser Hinsicht ist die Wahl des Adsorptionsmittels von entscheidender Bedeutung. Prüfungen und vorausgegangene Untersuchungen haben bestätigt, daß die derzeit verfügbaren Adsorptionsmittel in diesem kritischen Bereich aus gezeichnete Ergebnisse bringen. Die vorausgegangene Simulator prüfung mit einem ABC-Druckschaukel-Adsorbersystem hat bestä tigt, daß die erzielbaren Werte hinsichtlich der Entfernung toxischer Kampfstoffe und Mittel mehr als ausreichend ist, um die Anforderungen der ABC-Abwehr zu erfüllen.

Daher stellen Druckschaukeladsorbereinrichtungen eine handels üblich zur Verfügung stehende Technologie dar, die wirksam im militärischen Bereich eingesetzt werden kann, welche einen Schutz vor toxischen ABC-Kampfstoffdämpfen und -Aerosolen lie fert, der gleich oder größer ist, als sie derzeit von irgend welchen verfügbaren ABC-Schutzsystemen für eine Gruppe von Personen gewährleistet werden kann; dennoch bringt der Druck schaukeladsorber den zusätzlichen Vorteil eines regenerierba ren Adsorberbettes.

Ein vollständiges Schutzsystem gegen ABC-Kampfstoffe muß Schutz gegenüber drei wesentlichen Gruppen von Kampfstoffen, Mitteln und Verunreinigungen gewährleisten. Erstens müssen die in flüssiger Phase vorliegenden chemischen Kampfstoffe und Ver seuchungsstoffe wie etwa Aerosole, Wasser und Kohlenwasser stoff entfernbar sein. Zweitens müssen auch die in der Gasphase vorliegenden chemischen Kampfstoffe und Verseuchungsstoffe ein schließlich der ABC-Kampfstoffe, Wasser und Kohlenwasserstoffe entfernbar sein. Drittens müssen schließlich die teilchenförmi gen chemischen Mittel und Verseuchungsstoffe einschließlich Staub, Schmutz und biologischen Kampfstoffen entfernbar sein. Der Druckschaukeladsorber ist besonders wirksam hinsichtlich der Entfernung gasförmiger Komponenten. Jedoch besteht ein vollständiges System aus einem hochwirksamen Schwebstoff-Koa leszenzfilter, welchem der Druckschaukeladsorber nachgeschal tet ist, an den sich wieder ein höchstwirksamer Schwebstoff- Filter (super HEPA grade filter) anschließt; dieses Gesamt system kann so ausgelegt werden, um quantitativ oder qualita tiv tatsächlich sämtliche auftretenden schädlichen Kampfstoffe, Verseuchungsstoffe und sonstigen Mittel zu kontrollieren.

Der hochwirksame Schwebstoff-Koaleszenzfilter (HEPA coalescing filter) entfernt festes, teilchenförmiges Material und Aerosole einschließlich Schmutz und Staub, flüssiges Wasser und Kohlen wasserstoffe, und feste oder flüssige chemische und biologische Kampfstoffe und sonstige Mittel. Der Druckschaukeladsorber ist wirksam, um alle gasförmigen Komponenten zu entfernen, welche den hochwirksamen Schwebstoff-Koaleszenzfilter passieren. Ir gendwelche Aerosole, welche durch das hochwirksame Schwebstoff- Koaleszenzfilter hindurchtreten, werden voraussichtlich ver dampft und in dem Druckschaukeladsorber adsorbiert. Irgendwel ches teilchenförmiges Material, das durch den hochwirksamen Schwebstoff-Koaleszenzfilter hindurchgelangt, genauso wie ir gendwelche Aerosole, welche durch den Adsorber hindurchtreten, und schließlich irgendwelcher Adsorptionsmittelabrieb werden schließlich von dem höchstwirksamen Schwebstoff-Filter besei tigt. Das heißt, die Kombination von hochwirksamen Schwebstoff- Filtern mit dem Druckschaukeladsorber bringt einen synergisti schen Effekt hinsichtlich der Entfernung von chemischen und biologischen Kampfstoffen. Dieser Effekt ist so ausgeprägte daß 80% bis 90% der chemischen Dämpfe typischerweise vor Eintritt in das Adsorberbett entfernt werden. Folglich kann das Adsorber bett kleiner ausgelegt werden.

Sofern ein zusätzlicher Schutz angestrebt wird, kann ein Hoch druckfilter mit imprägniertem Kohlenstoff stromabwärts zum Druckschaukeladsorber angeordnet werden. In einem solchen Falle wird zweckmäßigerweise ein Detektor für die Dämpfe chemischer Kampfstoffe zwischen dem Druckschaukeladsorber und dem Kohlen stoff-Filterbett angeordnet, um eine vorzeitige Warnung zu lie fern, sofern ein Durchbruch eines unerwarteten chemischen Kampfstoffes infolge System-Überlastung oder System-Fehlfunk tion auftritt.

Zur Sauerstofferzeugung bzw. Anreicherung wird vorzugsweise eine getrennte Druckschaukel-Fraktioniereinrichtung stromab wärts zum oben beschriebenen ABC-Kampfstoff-Schutzsystem ange ordnet. Die Fraktioniereinrichtung ist analog zum Adsorber auf gebaut, verwendet jedoch ein anderes Adsorptionsmtitel und eine kürzere Taktzeit. Vorzugsweise wird in einer solchen Fraktionier einrichtung ein (5×10^10- m)-Molekularsieb als Adsorptionsmittel verwendet. Die Sauerstoff-Anreicherung erfordert ein größeres Bettvolumen als die Luftreinigung in einem Adsorber. Die Tren nung der Sauerstofferzeugung von der Luftreinigung durch Anwen dung von zwei getrennten Druckschaukeleinheiten erhöht die Lei stungsfähigkeit des Gesamtsystems. Dies beruht darauf, daß im Adsorber geringere Spül- und Druckabsenkungs-Verluste auftreten, als in der Fraktioniereinrichtung. Durch die Anwendung von zwei getrennten Druckschaukeleinheiten werden auch die Abmessungen des Gesamtsystems verringert.

Weitere Aufgaben, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. Diese bevorzugten Ausführungs formen werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert; die letzteren zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung einen in der Industrie gebräuchlichen Druckschaukeladsorber, der für ein, eine Gruppe von Personen vor der Einwirkung von ABC-Kampfstoffen schützendes System gemäß der vorliegen den Erfindung geeignet ist;

Fig. 2 ein vereinfachtes schematisches Diagramm des Druck schaukeladsorbers nach Fig. 1;

Fig. 3 anhand eines Blockdiagrammes ein, eine Gruppe von Personen vor der Einwirkung von ABC-Kampfstoffen schützen des System entsprechend der vorliegenden Erfindung zur Versorgung eines Schutzraumes mit gereinigter Luft;

Fig. 4 anhand eines Blockdiagrammes eine Ergänzung des Systems nach Fig. 3, um eine vorzeitige Warnung vor einem Durchbruch eines nicht erwarteten chemischen Kampfstoffes zu gewährleisten, wobei zusätzlich ein Hilfs-Druckschaukel adsorber vorhanden ist;

Fig. 5 anhand einer perspektivischen Darstellung einen für die medizinische Versorgung im Kampfgebiet vorgesehenen Sauerstoffgenerator mit einem ABC-Schutzsystem; und

Fig. 6 anhand eines schematischen Diagrammes den Sauerstoff generator nach Fig. 5 für die medizinische Versorgung im Kampfgebiet.

Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen erläutert worden ist, wird ausdrücklich dar auf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf diese besonderen, erläuterten Ausführungsformen beschränkt ist; statt dessen soll die Erfindung auch verschiedene alternative und äquivalente Aus führungsformen umfassen, soweit sich diese unter den Gegenstand und den Umfang der Patentansprüche und deren Äquivalente sub sumieren lassen.

Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand bevor zugter Ausführungsformen erläutert. Nach einem wichtigen Ge sichtspunkt der vorliegenden Erfindung gehört zu einem, eine Gruppe von Personen vor Einwirkung von ABC-Kampfstoffen schützenden System ein in der Industrie gebräuchlicher Druck schaukeladsorber, der mit einem Adsorptionsmittel ausgerüstet ist, das hinsichtlich der Adsorptionsfähigkeit eines weiten Bereichs von ABC-Kampfstoffen ausgewählt wurde. Mit Fig. 1 sind - anhand einer perspektivischen Darstellung - die Haupt komponenten eines in der Industrie gebräuchlichen Druckschaukel adsorbers 20 dargestellt. Diese Sorte von Adsorbern hat sich als besonders zweckmäßig zum Trocknen von komprimierter Luft erwiesen. In diesem Anwendungsbereich wird der Adsorber häufig auch als "wärmelos-arbeitender" Trockner bezeichnet. Zum Trock nen von komprimierter Luft bzw. Druckluft wird typischerweise ein aktiviertes Aluminiumoxid als Trocknungsmittel verwendet.

Die Fig. 2 zeigt ein entsprechendes, schematisches Diagramm des Adsorbers 20. Um eine Regeneration des Adsorptionsmittels zu gewährleisten, weist der Trockner 20 getrennte linke und rechte Adsorberbetten oder Kammern 21 und 22 auf, so daß dann, wenn in der einen Kammer eine Adsoption stattfindet, die ande re Kammer regeneriert werden kann. Das unter erhöhtem Druck befindliche Gas einschließlich irgendwelcher Dämpfe wird an der Einlaßleitung 23 aufgenommen und wird dann alternierend mittels einer Einlaßventilanordnung 24 in die linke oder rech te Kammer geführt, wo der Dampf adsorbiert wird. In analoger Weise ist eine Auslaßventilanordnung 25 vorhanden, über welche das gereinigte Gas einer Auslaßleitung 26 zugeführt wird.

Um das in der anderen Kammer befindliche Adsorptionsmittel zu regenerieren, wird ein Teil des gereinigten Gases in einem Entlüftungs- bzw. Entspannungsventil 27 auf nahezu Atmosphären druck entspannt; die Strömung des gereinigten, entspannten Gases wird durch eine entsprechende Druckanzeige 28 und einen Strömungsmesser 29 angezeigt. Diese Spülströmung wird darauf hin über eine Rückschlagventilanordnung 30 in diejenige Kammer geführt, welche gerade regeneriert werden soll; zu diesem Zweck wird eines der beiden Ausströmventile 31 oder 32 geöffnet. Wenn das Ausströmventil zum erstenmal geöffnet wird, wird die ent sprechende Kammer mit Druck beaufschlagt. Ein Strömungsbegrenzer 33 begrenzt die Spülströmung auf einen vernünftig kleinen Wert, so daß das in Form von Perlen oder Pellets vorliegende Adsorp tionsmittel beim Öffnen des Ausströmventils nicht "verwirbelt" wird. Eine Verwirbelung oder Fluidizierung des Adsorptionsmit tels ist unerwünscht, weil Adsorptionsmittelabrieb und -Feinst teile gebildet werden könnten, welche die stromabwärts gelegenen Filter verstopfen könnten; in Extremfällen könnten durch eine solche Verwirbelung die Adsorptionsmittelperlen zerstoßen oder fragmentiert werden.

Um weiterhin eine Verwirbelung des Adsorptionsmittels zu ver hindern, sind die Adsorptionsmittelperlen vorzugsweise über ein polymeres Bindemittel wie etwa Polyäthylen aneinanderge bunden. Das Bindemittel wird vorzugsweise in einem Drei-Stufen- Prozeß aufgebracht, der nachstehende Verfahrensschritte umfaßt:

1) Zuerst werden die Adsorptionsmittelperlen vorgewärmt;
2) daraufhin werden die erwärmten Adsorptionsmittelperlen mit dem in Pulverform vorliegenden polymeren Binde mittel vermischt, wobei der Bindemittelgehalt etwa 2 bis 5 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Mischung ausmacht; der Hauptteil des polymeren Bindemittels weist eine Teilchengröße im Bereich von ungefähr 8 bis 100 µm auf; es wird eine Mischung gebildet, bei welcher die polyme ren Bindemittelteilchen an den Adsorptionsmittelperlen haften; und
3) es wird ein Druck von etwa 0,02 bis 3,4 bar einge stellt, während die Temperatur des Gemisches angenähert bei der Fest/Flüssig-Übergangstemperatur des polymeren Bindemittels gehalten wird; nach Abkühlung des poly meren Bindemittels wird eine selbsttragende Struktur erhalten, in welcher die Adsorptionsmittelperlen unbe weglich sind und trotzdem ihre Adsorptionseigenschaften beibehalten haben.

Nach Beendigung der Regenerationsphase wird das entsprechende Ausströmventil 31 oder 32 geschlossen. Vor Umschaltung des Ein laßventiles 24 und des Auslaßventiles 25, um die regenerierte Kammer wiederum an den Adsorptionsvorgang anzuschließen, wird ein dem Einlaßventil 24 zugeordnetes Druckanstiegsventil 24′ geöffnet, welches ermöglicht, die gerade gespülte und regenerier te Kammer erneut mit Druck zu beaufschlagen, ohne daß die Aus laßströmung des gereinigten Gases nennenswert unterbrochen wird.

Die oben beschriebenen Adsorptions- und Regenerationsvorgänge werden von einem pneumatischen und einem elektronischen Steuer- und Regelsystem 34 fortlaufend überwacht, das die Ventile 24, 24′, 25, 31 und 32 betätigt. Vorzugsweise gehört zu diesem Steu er- und Regelsystem 34 ein Mikrocomputer. Das Steuer- und Regel system sowie die damit gesteuerten Ventile sind in einer weite ren, auf den Erfinder "Tinker" zurückgehenden U.S.-Patentanmel dung Nr. 444,502 vom 24. Nov. 1982 erläutert.

Wie in jener Tinker-Anmeldung angegeben, reagiert das Regel- und Steuersystem 34 auf die Meßwerte von Meßfühlern 35, 36, welche in die Adsorberbetten 21, 22 eingesetzt sind und dort die Kapa zität messen. Diese Meßfühler 35, 36 messen Änderungen der Kapa zität im direkten Verhältnis zu einer Änderung der Dielektrizi tätskonstante des Adsorptionsmittels, welche durch den Wasser gehalt des Adsorptionsmittels beeinflußt wird. Unter Auswertung dieser von den Meßfühlern 35, 36 gelieferten Signale kann das Regel- und Steuersystem 34 den Gehalt an adsorbiertem Wasser abschätzen, das auf an verschiedenen Punkten angeordneten Ad sorptionsmittelproben adsorbiert ist.

Normalerweise beeinflußt lediglich Wasser die Dielektrizitäts konstante des Adsorptionsmittels in erkennbarem Ausmaß. Wasser stellt eine Substanz dar, die stark adsorbiert wird und dabei andere Stoffe freisetzt, wenn sich die Wasseradsorptionsfront fortschreitend durch das Adsorberbett hindurchbewegt. Die Wasser front läuft auch wieder zurück, wenn das Spülgas in umgekehr ter Richtung durch das Adsorberbett hindurchgeführt wird.

Die Position der Feuchtigkeitsfront innerhalb des Adsorberbet tes stellt eine Positionsangabe für die von den weniger stark adsorbierten Substanzen gebildeten Adsorptionsfronten dar. Wie das in der Tinker-Anmeldung beschrieben ist, kann eine auf einem Mikroprozessor basierende Steuer- und Regeleinrichtung den Zustand der einzelnen Meßsonden überprüfen und in zuverlässi ger Weise im Falle einer mechanischen oder elektrischen Fehl funktion ein Warnsignal liefern, sofern die normale Meßfühler ablesung gestört ist. Um insbesondere das von Tinker angegebene Steuer- und Regelverfahren auf die vorliegende Erfindung anzu wenden, werden die Meßwertgrenzen (hinsichtlich der von den Meß fühlern gelieferten Kapazitätswerte) bei deren Überschreiten ein Alarm ausgelöst wird und die Taktzeit-Schaltschwellen umge stellt werden, noch strenger eingestellt; dieser strengeren Einstellung liegt die Annahme zugrunde, daß gegebenenfalls eini ge ABC-Kampfstoffe sich noch vor der Feuchtigkeitsfront befin den könnten, und deshalb noch vor der Feuchtigkeitsfront durch die Adsorberbetten hindurchlaufen könnten.

Andererseits dienen normale Meßfühlerablesungen als Anzeige da für, daß das System in korrekter Weise arbeitet. Der Feuchtig keitssensor kann eingesetzt werden, um Informationen zu ergän zen, die von einem ABC-Kampfstoff-Detektor geliefert worden sind, wie das nachstehend noch mehr im einzelnen mit Bezug nahme auf Fig. 4 erläutert wird. Irgendeine Abweichung von einem normalen Meßfühlersignal kann benutzt werden, um sicher einen Durchbruch zu verhindern, indem Steuermaßnahmen ausgelöst werden, welche die vermutliche Ursache der Fehlfunktion darstellen, eine positive Abschaltung des Systems auslösen, und die ABC- Adsorptionseinrichtung auf ein Hilfssystem umschalten.

Für die Anwendung in einem, eine Gruppe von Personen vor Ein wirkung von ABC-Kampfstoffen schützendem System muß das Adsorp tionsmittel so gewählt werden, daß eine Anzahl unterschiedlicher ABC-Kampfstoffe entfernt wird. Das relevante Charakteristikum eines ABC-Kampfstoffes ist seine molekulare Größe bzw. sein Moleküldurchmesser.

Bei der Adsorption handelt es sich um ein Oberflächenphänomen, das an der Innenfläche oder Porenfläche eines Adsorptionsmittel teilchens auftritt. Es besteht ein erheblicher Unterschied zwi schen dem Innen- oder Porenflächenbereich und dem Außenflächen bereich einer typischen Adsorptionsmittelperle. Eine Perle eines Molekularsieb-Adsorptionsmittels mit einem Durchmesser von 1,58 mm (1/16 Zoll) besitzt eine Außenoberfläche von 8 mm². Demgegenüber beträgt die Innen-Oberfläche bzw. der Innen-Ober flächenbereich 2,6 m², also etwa das 300.000-fache der Außen- Oberfläche. Das heißt, die an der Innenfläche ablaufenden Effek te sind von entscheidender Bedeutung.

Die Adsorption stellt weiterhin ein Porenphänomen dar, das durch den Durchmesser der Poren beeinflußt wird. Die hohe In nenfläche befindet sich innerhalb kleiner Poren und ist deshalb nicht für Gas- oder Dampfmoleküle zugänglich, welche einen den Porendurchmesser übersteigenden Durchmesser aufweisen. Im Falle der Molekularsiebe weisen die Poren beispielsweise einen Durch messer von 5×10^-10 m (5 Angström-Einheiten) oder von 10×10^-10 m (10 Angström-Einheiten bzw. 13X-Einheiten) auf. Die Moleküle der meisten chemischen Kampfstoffe sind viel größer als 5×10^-10 m. Werden anhand eines Bausatzes von Fisher-Hirshfelder-Taylor- Atom- und Molekülmodellen Raumerfüllungsstrukturen aufgebaut, so sollten lediglich Kampfstoffe wie etwa "CK" und "AC" an einem (5×10^-10 m)-Molekularsieb leicht adsorbiert werden (und bei der Regeneration leicht desorbierbar sein). Insbe sondere für die nachfolgend aufgezählten Kampfstoffe ist zu erwarten, daß sie an einem (5×10^-10 m)-Molekularsieb ent weder nur schlecht adsorbiert werden, oder - wegen des klei nen Porendurchmessers - an einem (5×10^-10 m)-Molekularsieb irreversibel adsorbiert werden: "GA" (Tabun), "GB" (Sarin), "GD" (Soman), "VX" (V-Kampfstoff), "HD" (Senfgas bzw. Lostgas) "HN1" (Stickstofflost), "HN-2" (Stickstofflost), "HN-3" (Stick stocklost), und "PD" (Phenyldichlorarsin). Andererseits soll ten gerade diese Kampfstoffe gut an einem (10×10^-10 m)-Mole kularsieb adsorbiert werden (und bei der Regeneration gut de sorbierbar sein); ein solches (10×10^-10 m)-Molekularsieb wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt angewandt.

In den Labors der Anmelderin sind unter ähnlichen Bedingungen umfangreiche Untersuchungen durchgeführt worden, wobei aus Luft sowohl DMMP (Dimethyl-Methylphosphonat) und Chlormethan abge trennt worden sind. Im Verlauf dieser Untersuchungen wurden erfolgreiche Ergebnisse erhalten. Insbesondere wenn die Luft strömung 1000 ppm dieser Simulantstoffe enthalten hatte, lag die Konzentration dieser Simulantstoffe in dem gereinigten bzw. behandelten Gas unterhalb der quantitativ nachweisbaren Grenze. Mit anderen Worten ausgedrückt, der Simulantstoff konnte in dem behandelten Gas nicht quantitativ festgestellt werden. Für DMMP betrug die Konzentration im behandelten Gas weniger als 2 ppb (weniger als 1 Gewichtsteil DMMP auf 10⁹ Gewichtsteile Gas). Für Chlormethan betrug die Konzentration im behandelten Gas weniger als 0,5 ppm (weniger als 0,5 Gew.- Teile Chlormethan auf 10⁶ Gew.-Teile Gas).

Ähnliche Untersuchungen wurden auch mit üblichen, durch Wärme zufuhr reaktivierten und "wärmelos" arbeitenden Druckschaukel adsorbern durchgeführt, wie sie von der Firma Pall Pneumatic Products Corporation, 4647 S.W. 39th Avenue, Ocala, Florida 32674, U.S.A., für industrielle Anwendungszwecke vertrieben werden (die Wärmezufuhr erfolgt vorzugsweise mittels Mikro wellen und kann die Desorption von bestimmten ABC-Kampfstof fen fördern; andererseits wird erwartet, daß eine Wärmezufuhr die nutzbare Lebensdauer des Adsorptionsmittels verringert, weil infolge einer Adsorptionsmittelpolymerisation eine irre versible Belegung erfolgt). Diese Untersuchungen wurden durch geführt, um eine Beziehung zwischen Taupunkt und dem Schutz vor ABC-Kampfstoffen zu erhalten. Eine solche Beziehung wird beispielsweise aus dem oben erläuterten Mechanismus der Feuchtigkeitsfront und der vorauseilenden Front an chemischen Stoffen oder ABC-Kampfstoffen erwartet. Diese unter ähnlichen bzw. simulierenden Bedingungen durchgeführten Untersuchungen wurden an einem Linde-(10×10^-10 m bzw. 13X-Einheiten)-Mole kularsieb-Adsorptionsmittel durchgeführt. Die Simulierstoffe wurden bei einem Überdruck von 4,1 bar in einen Trockner des Modells 35 HA eingeführt. Die Versuche mit Wasser und DMMP wurden unter Anwendung von 4 min langen "NEMA"-Schaltzyklen durchgeführt; die Versuche mit Chlormethan (ClMe) wurden mit 2 min langen "NEMA"-Schaltzyklen durchgeführt. Zu einigen Ver suchen wurde auch ein "wärmelos arbeitender " Trockner des Mo dells 150 DHA eingesetzt. In summarischer Form sind die Ver suchsergebnisse in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt.

Tabelle 1

Sowohl zur Sauerstoffanreicherung wie zum Schutz vor ABC- Kampfstoffen ist es erforderlich, daß das den Druckschaukel adsorber verlassende Gas einen sehr niedrigen Taupunkt auf weist, das heißt, daß dieses Gas sehr trocken ist. Eine gute Entfernung von chemischen Kampfstoffen ist auch mit einem niedrigen Taupunkt des gereinigten Gases verbunden. Einige Kampfstoffe einschließlich "GA", "GB", "GD" und "VX" können an einem feuchten Adsorptionsmittel hydrolisiert werden. Wie das nachstehend im einzelnen mit Bezugnahme auf Fig. 6 er läutert ist, müssen die Adsorberbetten in einer zur Sauerstoff anreicherung vorgesehenen Druckschaukeladsorbereinrichtung bis herab zu einem Wasserdampftaupunkt von ungefähr -73°C ge schützt werden. Dies ist erforderlich, um zu gewährleisten, daß chemische Kampfstoffe bis zu sehr niedrigen Konzentrations werten entfernt werden und in den Adsorberbetten einer Sauer stoffanreicherungsanlage nicht hydrolysiert werden.

Für die Adsorption von Wasser und chemischen Kampfstoffen stellt ein (10×10^-10 m bzw. 13X-Einheiten)-Molekularsieb ein besseres Adsorptionsmittel dar, weil die Stärke der Wech selwirkungen gerade die richtige Größe für eine regenerierbare Adsorption aufweist. Andererseits muß für die Sauerstoffgewin nung aus gereinigter, trockener Luft lediglich Stickstoff ad sorbiert werden. Dies geschieht am besten mit einem (5×10^-10 m)- Molekularsieb, das wesentlich stärkere Wechselwirkungen mit Stickstoff liefert, als dies ein (10×10^-10 m)-Molekularsieb tut. Diese Wechselwirkung ist gerade ausreichend stark, um Stick stoff aus Luft zu entfernen.

Mit Fig. 3 ist ein Blockdiagramm für ein beispielhaftes, eine Gruppe von Personen vor Einwirkung von ABC-Kampfstoffen schützendes Druckschaukeladsorbersystem 40 angegeben, das ge reinigte Luft für einen (nicht dargestellten) Schutzraum wie etwa einen Bunker liefert. Das System ist hinsichtlich seiner Abmessungen an den in einem typischen Schutzraum zur Verfügung stehenden Raum angepaßt. Insbesondere an die "MER & FBR"-Ab schnitte eines "SCPS-2"-Schutzraumes.

Ein modifizierter Turbinen-Kompressor 41 (vom Typ WR 27) kann zur Bereitstellung von Druckluft und von Energie für das vor gesehene kollektive Schutzsystem 40 verwendet werden. Dieser Turbinen-Kompressor "Typ WR27" ist von Williams International of Walled Lake, Michigan, U.S.A., entwickelt und vertrieben worden. Vorzugsweise wird dieser Turbinen-Kompressor vom Typ "WR27", wie er ursprünglich für den Einsatz in den zur U-Boot- Abwehr vorgesehenen Flugzeugen S-3A Viking der Navy entwickelt worden war, modifiziert, um pro min 22,6 m³ Druckluft bei einem absoluten Druck von 5,17 bar zu liefern; hierbei handelt es sich um eine ausgezeichnete Anpassung an die Anforderung eines kollektiven Schutzsystems 40. Weiterhin ist es zweckmäßig, dem Turbinen-Kompressor "WR27" eine Expansionsturbine 42 hinzuzufü gen, um diejenige Energie zurückzugewinnen, welche mit der, den Druckschaukeladsorber 20 verlassenden Druckluft zur Ver fügung steht. Diese Energie wird wiedergewonnen und dazu be nutzt, einen Hochspannungs-Wechselstrom-Generator 42 (HVAC von high-voltage AC) zu betreiben, welcher die gesamte elek trische Energie zur Verfügung stellen kann, die zum Betrieb des Schutzraumes benötigt wird. Die Expansion der Luft beim Durchgang durch diese Turbine kühlt die Luft ab, so daß be reits eine Luftkühlung (air conditioning) gewährleistet wird. Die von der Turbine abgegebene Wärme wird benutzt, um die Tem peratur der Luft zu regeln, die schließlich dem Schutzraum zu geführt wird; weiterhin kann diese Abwärme benutzt werden, um heißes Wasser zu bereiten. Die Turbine soll mit einem elek trischen Anlasser ausgerüstet sein, der seinerseits mit zwei (2) (nicht dargestellten) 12 V-Akkumulatoren ausgerüstet ist.

Sofern der Druckschaukeladsorber 20 für die ABC-Kampfstoffe in dieser Weise eingegliedert und ausgerüstet ist, kann er all die Anforderungen erfüllen, die von einem Schutzraum benötigt werden. Dies erlaubt es, die bislang noch vorgesehenen einzel nen Geräte wie Dieselgenerator, Heizeinrichtungen, Luftaufbe reitungsanlage und Heißwasser-Bereitungssysteme aus dem Nutz raum innerhalb des Schutzraumes zu entfernen und durch diesen Druckschaukeladsorber 20 zu ersetzen; hierbei wird ein erheb licher Raum für mögliche andere Anwendungszwecke gewonnen. Das kollektive Schutzsystem 40 gegen ABC-Kampfstoffe soll ausrei chend klein ausgeführt werden, so daß es für Service-Zwecke aus dem Schutzraum entfernt werden kann. Für Service-Zwecke sollen alle wesentlichen Komponenten des Schutzsystems leicht zugänglich sein, und die Außenflächen des Schutzsystems sollen leicht dekontaminierbar sein.

Das ABC-Kampfstoff-Adsorbersystem 20 arbeitet in Verbindung mit einem Aerosol-Entfernungssystem 43 und in Verbindung mit einem höchstwirksamen Schwebstoff-Filter 44 (super HEPA filter). Die dem Kompressor zugeführte Ansaugluft 45 wird filtriert, um größere Teilchen zu entfernen, welche den Kompressor schädigen könnten. Dieser (nicht dargestellte) Vorfilter besteht vorzugs weise aus einem Feld kleiner Rohre eines Schleuderluftfilters, wie es häufig in militärischen Einrichtungen eingesetzt wird, um Turbinen zu schützen. Die Spülluft, welche die aus der Tur binenansaugluft entfernten Schmutzteilchen mit sich führt, wird über einen (nicht dargestellten) Trubinenexhaustor abge lassen und gelangt zusammen mit den Turbinenabgasen in die um gebende Atmosphäre. Die im Turbo-Kompressor erzeugte Druckluft wird durch einen (nicht dargestellten) Luft-Gegen-Luft-Wärme tauscher geführt und gelangt daraufhin in das Aerosol-Abschei dungssystem 43.

In dem Aerosol-Abscheidungssystem 43 wird die Luft zuerst durch einen (nicht dargestellten) mechanischen Abscheider geführt, um flüssiges Wasser und Aerosole zu entfernen, welche in dem Kühler kondensiert worden sind. Ein (nicht dargestelltes) Ablaß- oder Entleerungsventil wird selbsttätig periodisch geöffnet, um die gesammelten Flüssigkeiten zu dem (nicht dargestellten) Exhaustor hin abzulassen.

Nach Verlassen des mechanischen Abscheiders wird die Luft durch ein (nicht dargestelltes) hochwirksames Koaleszenzfilter geführt, um Öl- und Wasseraerosolnebel zu koaleszieren und zu entfernen, welche so klein sind, daß sie in dem mechanischen Abscheider nicht entfernt worden sind. Dieser Koaleszenzfilter dient auch zur Entfernung feiner Kampfstoff-Aerosole und der meisten bio logisch aktiven Partikelchen. Das Koaleszenzfiltergehäuse wird ebenfalls zu dem Exhaustor hin selbsttätig entlüftet und ent leert. An diesem Punkt des Verfahrens sind tatsächlich alle teilchenförmigen Materialien und so gut wie alle kondensierten flüssigen und aerosolförmigen Verseuchungsstoffe entfernt wor den. Jedoch verbleiben die Dämpfe weiterhin in der gefilterten Luft, welche nunmehr einem Druckschaukeladsorbersystem 20 zur Entfernung von ABC-Kampfstoffen zugeführt wird.

Das ABC-Druckschaukeladsorbersystem 20 entfernt die Dämpfe von Wasser und chemischen Kampfstoffen bis zu einem sicheren Wert, so daß reine, atembare, trockene Luft erzeugt wird. Die Dämpfe von Wasser, Kohlenwasserstoffen und chemischen Kampfstoffen werden in einem der Adsorberbetten adsorbiert, und trockene reine Luft wird über den Auslaß (26 in Fig. 2) bei einem Druck abgegeben, der lediglich geringfügig unterhalb des Einlaßdruckes liegt. Diese reine Luft wird über ein (nicht dargestelltes) Sperrventil einer (nicht dargestellten) Aufnahme- oder Sammel kammer zugeführt und steht dort für den kontinuierlichen Ge brauch zur Verfügung. Ein Teil dieser reinen Luft wird für die oben erläuterten Regenerationszwecke benötigt; und das Spülgas wird durch den Maschinenauslaß der Turbine 41 abgegeben.

Die Hauptmenge der im Adsorber 20 erzeugten reinen Luft wird dem höchst wirksamen Schwebstoff-Nachfilter 44 (Super-HEPA after-filter) zugeführt. Dieser Nachfilter ist von Super- HEPA-Qualität und entfernt alle biologischen Kampfstoffe, und irgendwelchen Adsorbtionsmittelabrieb aus der gereinig ten Luft, um die stromabwärts befindlichen Komponenten vor einer Kontamination zu schützen.

Höchst wirksame Schwebstoff-Filter (Super HEPA grade filters) sind seit mehreren Jahren handelsüblich zugänglich. Bei spielsweise werden solche Filter von Pall Corporation, 2200 Northern Boulevard, East Hills, N.Y. 11548, U.S.A., her gestellt und vertrieben.

Ein solcher höchst wirksamer Schwebstoff-Filter besteht aus einem verbesserten Aerosolfilter-Medium, das aus einem hydro phoben und einem oleophoben Membranfilter mit außerordentlich kleinen Poren (0,5 µm absolut im Vergleich zu 5 bis 8 µm absolut bei herkömmlichen HEPA-Filtermaterialien) besteht.

Eine Membran mit solchen Poren stellt eine "absolute" Sperre für Aerosole dar, weil sie direkt die ankommenden Teilchen und Tröpfchen abfängt, anstatt auf eine Teilchenadhesion zu vertrauen. Diese Membran stellt eine synthetische, mikro poröse oder polymere Membran dar, die etwa aus mikroporösem Nylon oder Teflon (Polytetrafluorethylen) bestehen kann. Die Fähigkeit einer solchen Membran zur Aerosol-Entfernung ist um viele Größenordnungen größer, als die entsprechende Fähigkeit eines konventionellen HEPA-Filters, und trotzdem ist der Luftströmungswiderstand und die Schmutzaufnahmefähig keit des Filters nahezu gleich wie bei den derzeit gebräuch lichen HEPA-Materialien.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, ist die Membran mit einer Schicht aus synthetischen Mikrofasern kombiniert, welche auf der Anströmseite des Filtermediums angebracht sind. Diese Fa sern dienen als ein Vorfilter, und bringen erhöhte Beständig keit gegen eine irreversible Niederschlagung von Schmutz und Rauchteilchen. Soweit sich Flüssigkeiten auf der Oberfläche der Membran ansammeln, werden diese durch die kapillare Akti vität in die Fasermatrix hineingesaugt. Der geringe Luftströ mungswiderstand wird durch die Anwendung einer dünnen, jedoch in hohem Ausmaß gleichmäßigen Membranstruktur erzielt. Weil die Membran dünn ist, weist sie nur einen begrenzten Luft strömungswiderstand auf.

Derartige Super-HEPA-Materialien sind bezüglich einer Anzahl verschiedener Aerosole geprüft worden. Es ist zu erwarten, daß diese Super-HEPA-Materialien ein Ausmaß an Schutz und Leistungsfähigkeit bringen, das bislang für herkömmliche Ma terialien als nicht erreichbar angesehen wurde. Zusätzlich wird auch erwartet, daß diese Super-HEPA-Materialien eine erfolgreiche Abwehr gegen die verbesserten Durchdringungs mittel bringen, und damit eine ausfallsichere Verteidigungs sperre darstellen.

Die aus dem Super-HEPA-Filter 44 austretende Luft wird - wie oben angegeben - erwärmt, bevor sie durch die Expansionstur bine 42 auf den im Schutzraum herrschenden Arbeitsdruck ent spannt wird.

Die Fig. 4 zeigt anhand eines Blockdiagramms eine beispiel hafte Ausführungsform eines für eine Personengruppe bestimmten ABC-Schutzsystems 50, das verstärkten Schutz und erhöhte Zuver lässigkeit gewährleistet. Wie im System 40 nach Fig. 3 wird die Ansaugluft 45′ mittels eines Turbokompressor-Generators 41′ komprimiert und daraufhin - in der oben beschriebenen Weise - mittels eines Aerosol-Entfernungssystems 43′ filtriert. Die Duplex-Ventile 51, 52, 53 und 54 leiten die gefilterte Luft in ein ausgewähltes der beiden ABC-Druckschaukel-Adsorber systeme 20a, 20b, während das andere Adsorbersystem in Reserve gehalten wird.

Der gereinigte, von dem ausgewählten Adsorbersystem 20a, 20b abströmende Luftstrom wird in Kontakt mit einer Meßsonde 55 gebracht, welche einen dampfförmigen chemischen Kampfstoff zu erfassen vermag. Bei diesem Detektor 55 für dampfförmige chemische Kampfstoffe kann es sich beispielsweise um eine transportable Einheit handeln, die von Bendix Corp, Environ mental & Process Instruments Division, 1400 Taylor Avenue, Baltimore, Maryland 21204, U.S.A., hergestellt und vertrieben wird. Sofern chemische Kampfstoffe in der bereits gereinigten Luft festgestellt werden, wird ein Alarmsignal 56 ausgelöst, und der Luftabstrom von dem gerade in Betrieb befindlichen ABC-Druckschaukel-Adsorber wird gesperrt, indem das entspre chende Ausfluß-Duplex-Ventil 53, 54 geschlossen wird und die Gasströmung wird über den anderen Druckschaukel-Adsorber ge führt, in dem das andere, entsprechende Ausfluß-Duplex-Ventil 54 geöffnet wird. Nach vollständiger Regenerierung der Adsorber- Betten in den anfänglich ausgewählten ABC-Adsorber werden die beiden Ausström-Duplex-Ventile 53, 54 geöffnet, um die erhöhte Belastung an chemischen Kampfstoffen zu handhaben.

Um Schutz auch dann zu gewährleisten, wenn der Detektor 45 die Anwesenheit chemischer Kampfstoffe erfaßt hat, wird die Gasströmung hinter dem Detektor 55 durch ein konventionelles Hochdruck-Filter 57 mit imprägniertem Kohlenstoff geführt, bevor der Gasstrom durch ein höchst wirksames Schwebstoff- Filter 44′ (Super-HEPA-Filter) und daraufhin durch eine Expan sionsturbine 42′ geleitet wird, wie das oben mit Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert ist. Zusätzlich zu der Tatsache, daß der Kohlenstoff-Filter 57 einen zeitweiligen Schutz vor einem sprunghaften Anstieg einer Kampfstoffkonzentration liefert, kann dieser Kohlenstoff-Filter 57 vorzugsweise bestimmte dampfförmige chemische Kampfstoffe absorbieren, welche ggf. in einem ABC-Druckschaukel-Adsorber 20a, 20b nur schlecht adsorbiert werden. Auf jeden Fall werden die ABC-Druckschaukel-Adsorber jedoch gewährleisten, daß der Kohlenstoff-Filter 57 im Falle eines Angriffs mit chemi schen Kampfstoffen nicht stark belastet wird und daher eine ausgedehnte nutzbare Lebensdauer aufweist.

Mit Fig. 5 ist ein, zur medizinischen Versorgung im Kampf gebiet vorgesehenes Sauerstoffanreicherungs- und -verteilungs system 60 dargestellt. Die Anordnung der Komponenten ist hinsichtlich kompakter Abmessungen optimiert, so daß die gesamte Anordnung in einem C-130 Flugzeug der U.S. Air Force oder in Fahrzeugen oder in Anhängern transportiert werden kann, wie sie von gefechtsmäßig ausgerüsteten Sanitätsein heiten des Heeres benutzt werden. Das System soll leicht bedienbar sein und soll leicht von Personen überwachbar sein, welche ABC-Schutzkleidung tragen. Zum Beispiel sollen die Filter leicht auswechselbar sein. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist das System auf seitlich angeordneten Kufen 61, 62 montiert, damit die gesamte Anlage mittels eines Gabelstap lers angehoben werden kann. Das gesamte System 60 weist nach stehende Abmessungen auf:
Höhe: 152 cm (60 Zoll)
Breite: 127 cm (50 Zoll)
Länge: 178 cm (70 Zoll).

Zum System gehört ein Kompressor 63, der von einem Elektromo tor 64 angetrieben wird.

Fig. 6 zeigt ein Fließdiagramm für das zur medizinischen Ver sorgung im Kampfgebiet bestimmte Sauerstoffanreicherungs-System 60. Luft aus der umgebenden Atmosphäre wird über einen geschützten Einlaß 71 in das System gesaugt, welcher den Eintritt von Schmutz, Staub und Regen verhindert. Die Ansaugluft wird fil triert, um größere Partikelchen und sonstige Materialien zu entfernen, welche den Kompressor schädigen könnten. Ein Schwing kompressor 63, der seinerseits von einem Elektromotor 64 ange trieben wird, treibt das gesamte System an.

Atmosphärische Luft wird in das System durch den geschützten Einlaß 71 gesaugt, welcher den Eintritt von Staub, Schmutz und Regen ausschließt. Die Ansaugluft wird durch ein konventionel les Luftfilter 72 filtriert, um größere Teilchen und sonstige Materialien zu entfernen, welche den Kompressor 73 beschädigen könnten. Beim Kompressor 63 handelt es sich in der dargestell ten Ausführungsform um einen Niederdruckkompressor, der pro Stunde ca. 95 m³ Luft unter einem Überdruck von etwa 12 bis 14 bar an das System 60 abgibt. Zur Entfernung der Kompressions wärme aus der komprimierten Luft ist der Kompressor-Auslaß durch einen luftgekühlten Nachkühler 74 geführt. Flüssiges Was ser und Aerosole kondensieren in dem Nachkühler 74 und werden mittels eines Abscheiders 75 entfernt. Die mit dem Abscheider 75 aus der komprimierten Luft abgetrennten Flüssigkeiten wer den über eine Falle 76 aus dem System abgezogen.

Ein Sammelgefäß 77 dämpft die von dem Schwingkompressor 63 her rührenden Druckschwankungen. Die Falle 76 ist am untersten Punkt des Sammelgefäßes 77 angeordnet, um auch irgendwelches Wasser zu entfernen, das an den Wänden des Sammelgefäßes 77 kondensiert.

Es sind hochwirksame Filter 78, 79 vorgesehen, um Öl-Aerosol nebel und Wasser-Aerosolnebel zu entfernen, die im Abscheider 75 nicht wirksam entfernt worden sind. Es ist ein Duplex-Ventil system 80, 81 vorgesehen, um leicht zwischen den hochwirk samen Filtern 78, 79 umzuschalten; hierdurch wird ein Ein tritt von chemischen, biologischen und radioaktiven Kampf- und Verseuchungsstoffen im Verlauf eines entsprechenden An griffs mit solchen Stoffen ausgeschlossen. Den hochwirksamen Filtern 78, 79 sind geeignete Abzugsventile zugeordnet.

Die gefilterte Luft wird durch einen ABC-Druckschaukel-Ad sorber 82 geführt, welcher möglicherweise vorhandene Konzen trationen an dampfförmigen, chemischen Kampfstoffen auf ein hinsichtlich der Sicherheit unbedenkliches Niveau absenkt; weiterhin entfernt dieser Druckschaukel-Adsorber 82 Wasser dampf bis unterhalb der für die Sauerstoffanreicherung zu lässigen Werte. Dieser ABC-Druckschaukel-Adsorber 82 ist ana log zu dem Adsorbtionssystem 20 nach Fig. 1 aufgebaut, mit der Abweichung, daß er kleinere Abmessungen aufweist. Der ABC-Druckschaukel-Adsorber 82 weist engere Adsorbtions kammern 83 und 84 auf. Wegen der geringeren Kapazität des ABC-Druckschaukel-Adsorbers 82 sind Sperrventile 85, 86 zum Umschalten der Auslaßleitungen vorhanden.

Die im ABC-Druckschaukel-Adsorber 82 gereinigte Luft wird durch einen höchstwirksamen Schwebstoff-Filter 87 (Super- HEPA-Filter) geführt. Dieser höchstwirksame Schwebstoff- Filter 87 entfernt Abrieb und Feinstanteile des Trocknungs mittels, Bakterien, Viren und alle sonstigen feinteiligen Materialien aus der gereinigten Luft. Ein Druckfühler 88 über wacht den produktionsseitigen Luftdruck (von etwa 11 bis 14 bar Überdruck).

Der dargestellte ABC-Druckschaukel-Adsorber 82 erzeugt pro Stunde 78,1 m³ gereinigte Luft. Ungefähr 1/4 der gereinigten Luft kann abgezweigt werden und als gereinigte Luft verbraucht werden; der restliche Anteil steht für die Sauerstoffanreiche rung zur Verfügung. Der abgezweigte Strom gereinigter Luft wird einem (nicht dargestellten) Schutzraum zur Unterbringung der medizinischen Einrichtungen im Bereich des Gefechtsfeldes zuge führt, etwa einem innerhalb eines Zeltes untergebrachten Schutz raum. Diese abgezweigte, gereinigte Luft steht unter einem Über druck von etwa 11 bis 14 bar. Der restliche Anteil der gereinig ten Luft wird einer Vorlage 89 zugeführt.

Die Vorlage 89 dämpft die Druckschwingungen, die aus dem ra schen Umschalten der Einlaßventile 90, 91 der Sauerstoffanrei cherungsanlage herrühren. Vor Erreichen der Einlaßventile 90, 91 wird der Druck der in die Sauerstoffanreicherungs-Anlage 92 eintretenden Luft mittels einer Regeleinrichtung 93 auf einen Wert von 4,1 bar abgesenkt, um die Sauerstoffanreicherung zu optimieren.

Die Sauerstoffanreicherungsanlage 92 weist zwei Kammern 94, 95 auf, in denen sich als Adsorbtionsmittel ein (5×10^-10m)-Mole kularsieb befindet. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, weisen die Kam mern 94 und 95 der Sauerstoffanreicherungsanlage 92 etwa das doppelte Volumen wie die Kammern 83, 84 des ABC-Druckschaukel- Adsorbers 82 auf, wegen der größeren Schwierigkeit einer Sauer stoffanreicherung durch Stickstoffadsorbtion. Die Verwendung eines (5×10^-10m)-Molekularsiebes als bevorzugtes Adsorbtions mittel zur Stickstoffabtrennung ist beispielsweise in der U.S.- Patentschrift 4,013,429 (Sircar) beschrieben; soweit erforder lich, wird auf jenes vorveröffentlichte U.S. Patent Bezug ge nommen.

Der in der gereinigten Luft noch enthaltene Stickstoff wird so weit entfernt, daß 95%iger Sauerstoff bei einem Druck von 4,1 bar Überdruck erhalten wird. Zur Beseitigung der vom Umschalten der Ventile herrührenden Druckschwankungen und -schwingungen wird der erzeugte Sauerstoff in eine weitere Vorlage 96 geführt. Daraufhin wird der Sauerstoff durch ein höchstwirksames Schwebstoff-Filter 97 (Super-HEPA-Filter) geführt, um Adsorbtionsmittelabrieb, Bak terien, Viren und anderes teilchenförmiges Material aus dem ge bildeten Sauerstoff zu entfernen.

Der Sauerstoffdruck wird durch einen Druckfühler 98 angezeigt, und die Sauerstoffreinheit wird fortlaufend mittels einer üblichen Meß- Sonde 99 zur Bestimmung der Sauerstoffreinheit überwacht.

Der in der Sauerstoffanreicherungsanlage 92 erzeugte Sauerstoff wird einem Sauerstoffverteilungssystem 101 zugeführt. Das Sauer stoffverteilungssystem 101 weist ein Rückschlagventil 102 auf, um im Anreicherungssystem 92 den vorgesehenen Druck aufrecht zu erhalten und um den Sauerstoff in die Verteilungsleitungen 103, 104 abzugeben. Den Leitungen 103, 104 wird der Sauerstoff über die Ventile 105, 106 und die Druckregeleinrichtungen 107, 108 zugeführt. Um Sauerstoff für Wartungsarbeiten oder als Re serve für besondere Schutzanforderungen zur Verfügung zu stellen, sind Hochdruck-Sauerstoff-Flaschen 109 vorgesehen, aus welchen Sauerstoff in die Verteilungsleitungen 103, 104 eingespeist wer den kann. Beispielsweise können drei Sauerstoff-Flaschen 109 vor gesehen werden, welche den typischen Sauerstoffbedarf für etwa drei bis fünf Stunden zu speichern vermögen. Diesen Sauerstoff- Flaschen 109 wird der Sauerstoff über ein Ventil 110 und eine Druckabfall-Regeleinrichtung 111 zugeführt.

Wie oben dargelegt, besitzen Druckschaukel-Adsorbersysteme eine universelle Anwendbarkeit hinsichtlich der physikalischen Adsorb tion von ABC-Kampfstoffen und können dennoch in vollem Umfang regeneriert werden. Es sind großvolumige Systeme beschrieben wor den, welche atembare Luft für Schutzräume zur Verfügung stellen; weiterhin ist ein System relativ kleiner Abmessungen beschrieben worden, das speziell für die Anforderungen der medizinischen Sauerstoffversorgung entwickelt wurde. Alle Systeme weisen kompakte Außenabmessungen auf, verbrauchen wenig Energie und sind in hohem Ausmaß zuverlässig. Die Systeme können routine mäßig und ununterbrochen betrieben werden, um vollständigen ABC-Schutz für militärische Einrichtungen und Fahrzeuge zu gewährleisten.

Claims

1. Ein Verfahren zur Entfernung chemischer und biologischer Kampf stoffe aus für den menschlichen Verbrauch bestimmter Luft, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) die Luft wird erheblich über den Atmosphärendruck hinaus kompri miert;
b) die komprimierte Luft wird in einem Druckschaukeladsorber (bzw. Druckwechseladsorber) gereinigt, der wenigstens zwei regenerier bare Adsorberbetten aufweist, so daß ein Adsorberbett regeneriert werden kann, während das andere Adsorberbett zur Reinigung der komprimierten Luft benutzt wird, wobei jedes Adsorberbett ein Adsorptionsmittel enthält, das Poren mit einem Innendurch messer deutlich größer als 5×10^-10 m (5 Angström-Einheiten) und Poren mit einem Innendurchmesser von etwa 10×10^-10 m auf weist; und
c) die komprimierte Luft wird mittels eines Filters gefiltert, der teilchenförmiges Material mit einem Durchmesser größer ungefähr 1 µm (1 Mikrometer) zurückhält.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Luft sowohl vor wie nach der Reinigung in dem Druckschaukeladsorber filtriert wird.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die im Druckschaukeladsorber gereinigte Luft anschließend mittels eines Filters filtriert wird, der teilchenförmiges Material mit einem Durchmesser größer etwa 1 µm zurückhält; und
die komprimierte und dem Druckschaukeladsorber zuzuführende Luft nicht mittels eines Filters filtriert wird, der teilchenförmiges Mate rial mit einem Durchmesser größer etwa 1 µm zurückhält.

4. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter teilchenförmiges Material mit einem Durchmesser größer etwa 0,5 µm zurückhält.

5. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmittel ein Molekularsieb ist.

6. Das Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekularsieb ein (10×10^-10 m)-Molekularsieb (Typ 13 X-Einheiten- Molekularsieb) ist.

7. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigte und filtrierte Luft expandiert wird, um die gereinigte Luft abzukühlen.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigte und filtrierte Luft in einem Turbo-Generator auf ange nähert Atmosphärendruck expandiert wird.

9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigte Luft durch ein Kohlenstoff-Filter geführt wird.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff-Filter ein Hochdruck-Aktivkohle-Filter ist.

11. Das Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die gereinigte Luft vor Eintritt in den Kohlenstoff-Filter einen Meß fühler kontaktiert, welcher die Anwesenheit chemischer Kampfstoffe festzustellen vermag; und
nach Feststellung der Anwesenheit chemischer Kampfstoffe ein Alarm signal ausgelöst wird.

12. Das Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Luft wahlweise auf verschiedene Luftströme aufge teilt wird, und - nach Feststellung der Anwesenheit chemischer Kampf stoffe - wenigstens einer dieser Luftströme in dem Adsorberbett eines zweiten Druckschaukeladsorbers gereinigt wird.

13. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckschaukeladsorber ein in der Industrie gebräuchlicher Druck schaukeladsorber bzw. Druckwechseladsorber eingesetzt wird, wobei ein Teil der gereinigten Luft auf angenähert Atmosphärendruck expan diert wird, und daraufhin zur Spülung und Regenerierung von einem der Adsorberbetten ohne Wärmeanwendung eingesetzt wird.

14. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kapazitäts-Meßfühler in das Adsorberbett eingesetzt wird, um innerhalb des Adsorberbettes eine Feuchtigkeitsfront festzustellen.

15. Das Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Steuer- und Regelsystem vorgesehen ist, welches das Auftreten eines Durchbruchs von noch vor der Feuchtigkeitsfront befindlichen chemischen Kampfstoffen durch das Adsorberbett fest zustellen vermag.

16. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt der komprimierten und in einem Druckschaukel adsorber gereinigten Luft erhöht bzw. angereichert wird, indem diese bereits gereinigte Luft durch einen zweiten Druckschaukeladsorber geführt wird.

17. Das Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zweite Druckschaukeladsorber wenigstens ein Adsorberbett aus einem Molekularsieb enthält, das Poren mit einem Durchmesser von angenähert 5×10^-10 m (5 Angström) aufweist.

18. Das Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorberbett dieses zweiten Druckschaukeladsorbers ein erheblich größeres Volumen aufweist als das Adsorberbett des ersten, zur Reini gung der komprimierten Luft dienenden Druckschaukeladsorbers.

19. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß
die komprimierte Luft in dem ersten Druckschaukeladsorber bei einem Überdruck erheblich oberhalb 5,5 bar gereinigt wird; und
daraufhin der Druck der komprimierten und gereinigten Luft auf einen Überdruck von etwa 5, 5 bar abgesenkt wird; und
die Sauerstoffanreicherung im zweiten Druckschaukeladsorber bei einem Überdruck von etwa 5, 5 bar erfolgt.

20. Das Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der komprimierten Luft zur Reinigung in dem ersten Druck schaukeladsorber bei einem Überdruck von wenigstens etwa 11 bar gehalten wird.

21. Eine Anlage zur Entfernung chemischer und biologischer Kampfstoffe aus für den menschlichen Verbrauch bestimmter Luft, entsprechend einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch eine Kombination nachstehender Bauteile und Merkmale:

r) einen Luftkompressor, der komprimierte Luft bzw. Druckluft liefert;
s) ein Aerosolentfernungssystem zur Entfernung von teilchenförmigem Material aus der komprimierten Luft, wobei der Teilchendurch messer größer ist als ein erster Durchmesser, um einen ersten, gefilterten Luftstrom zu erzeugen;
t) ein Druckschaukel- bzw. Druckwechsel-Adsorbersystem zur Reini gung des ersten gefilterten Luftstroms in wenigstens einem Ad sorberbett aus einem Molekularsieb, das regenerierbar ist, und das eine Porengröße erheblich größer als 5×10^-10 m (5 Angström) und das eine Porengröße von ungefähr 10×10^-10 m (10 Angström) aufweist, um einen Strom gereinigter Luft zu erzeugen;
u) ein Filter für den gereinigten Luftstrom, der Teilchen zurück hält, deren Teilchendurchmesser größer als ein zweiter Durch messer ist, wobei der erste Durchmesser oder der zweite Durch messer deutlich kleiner als 1 µm (ein Mikrometer) ist, um einen gefilterten und gereinigten Luftstrom zu erzeugen, der für den menschlichen Verbrauch geeignet ist.

22. Die Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Durchmesser erheblich größer als 1 µm ist; und der zweite Durchmesser ungefähr 0,5 µm beträgt.

23. Die Anlage nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich ein Kohlenstoff-Filter vorhanden ist, um den gereinigten Luftstrom zu filtrieren; und
weiterhin ein Detektor für die Dämpfe eines chemischen Kampfstoffes vorhanden ist, welcher ein Alarmsignal auszulösen vermag, sofern stromaufwärts zum Kohlenstoff-Filter in der gereinigten Luft Dämpfe chemischer Kampfstoffe festgestellt werden.

24. Die Anlage nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß
der Luftkompressor ein Turbo-Kompressor ist; und
zusätzlich ein Turbo-Expander vorhanden ist, um die gefilterte und gereinigte Luft zu expandieren und dabei zu kühlen.

25. Die Anlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß
der Turbo-Kompressor eine Gasturbine ist; und
die in der Gasturbine anfallende Verbrennungswärme wahlweise dem gefilterten und gereinigten Luftstrom zugeführt wird.

26. Die Anlage nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich eine Sauerstoffanreichungseinrichtung in Form eines re generierbaren Druckschaukeladsorbers vorhanden ist, welchem die bereits in einem Druckschaukeladsorber gereinigte Luft zugeführt wird;
wobei jedoch der zur Sauerstoffanreicherung dienende Druckschaukel adsorber wenigstens eine Kammer aufweist, die ein Molekularsieb- Adsorptionsmittel enthält, dessen Porengröße angenähert 5×10^-10 m (5 Angström) beträgt.

27. Die Anlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß
die zur Sauerstoffanreicherung verwendete Luft in der Kammer des zur Sauerstoffanreicherung dienen den Druckschaukeladsorbers bei einem Überdruck von etwa 4,1 bar gehalten wird;
die Luft in dem Adsorberbett des zur Reinigung dienenden Druck schaukeladsorbers bei einem Druck erheblich oberhalb 4,1 bar ge halten wird; und
zusätzlich eine Druckregeleinrichtung vorhanden ist, um den Druck der gereinigten Luft auf etwa 4,1 bar Überdruck abzusenken.