DE60129685T2

DE60129685T2 - Mehrbettiges druckwechseladsorptionsverfahren

Info

Publication number: DE60129685T2
Application number: DE60129685T
Authority: DE
Inventors: Norman R. Tonawanda MCCOMBS; Robert E. Buffalo CASEY
Original assignee: Airsep Corp
Current assignee: Airsep Corp
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: US6558451B2; CA2408273C; US20020029691A1; EP1283739A1; EP1283739A4; CA2408273A1; AU2001261349A1; ES2290133T3; JP2003532519A; WO2001085309A1; EP1283739B1; DE60129685D1; JP4958366B2; ATE368500T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Gaskonzentratorvorrichtung zum Trennen von Gasmischungen durch Druckumschaltungsadsorption („PSA = Pressure Swing Adsorption") und insbesondere auf eine Vorrichtung zur effizienten und leisten Produktion von Sauerstoff zu verschiedenen industriellen, gewerblichen und/oder medizinischen Zwecken. Die Priorität wird in der gleichzeitig anhängigen, vorläufigen Patentanmeldung Nr. 60/202,898, eingereicht am 10. Mai 2000, beansprucht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die allgemeine Bauart und die Betriebsprinzipien der PSA- oder Druckumschaltungsadsorptionsvorrichtung mit der sich diese Erfindung befasst, sind u.a. in den U.S. Patenten 3,564,816 ; 3,636,679 ; 3,717,974 ; 4,802,899 ; 5,531,807 und 5,871,564 beschrieben. Beispielsweise kann eine Druckumschaltungsadsorptionsvorrichtung zwei oder mehr Adsorber umfassen, von denen jeder eine befestige Siebbett des Adsorptionsmaterials besitzt, um zumindest ein Bestandteilsgas aus einer gasförmigen Mischung durch Adsorption in das Bett zu fraktionieren, wenn die gasförmige Mischung aus einem Lieferstrom sequentiell durch die Adsorber in einer gleichlaufenden Richtung geleitet werden. Während ein Adsorber die Adsorption ausführt, wird ein weiterer Adsorber simultan von seinem adsorbierten Bestandteilsgas gereinigt bzw. gespült wird, und zwar durch einen Teil des Produktgases, der dem ersten oder produzierenden Adsorber entzogen und durch die anderen Adsorber in einer Gegenstromrichtung geleitet wird. Sobald der andere Adsorber gespült ist, wird der Lieferstrom zu einer voreingestellten Zeit dann zu dem anderen Adsorber in der gleichlaufenden bzw. Gleichstromrichtung geleitet, so dass der andere Adsorber die Adsorption ausführt. Der erste Adsorber wird dann entweder simultan gespült, oder in einer anderen zeitlich festgelegten Sequenz, wenn mehr als zwei Adsorber vorhanden sind, was alles durch das Lesen der oben beschriebenen Patente verstanden werden kann.
Wenn beispielsweise eine derartige Vorrichtung verwendet wird, um eine hohe Konzentration an Sauerstoff aus der Umgebungsluft zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen, seien sie medizinisch, industriell oder gewerblich, zu erzeu gen, enthält die Luft, die in die Vorrichtung eintritt typischerweise ungefähr 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, 0,9% Argon und einen variable Menge an Wasserdampf. Prinzipiell wird der meiste Stickstoff durch die Vorrichtung entfernt, um ein Gasprodukt zu erzeugen, beispielsweise für medizinische Zwecke, das typischerweise mindestens ungefähr 80% Sauerstoff enthalten kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Druckumschaltungsadsorptionsvorrichtungen („PSA = Pressure Swing Adsorption"-Vorrichtung oder „Sauerstoffkonzentratoren"), die drei Adsorptionsbetten verwenden, sind bekannt. U.S. Patent NR. 3,738,087 offenbart beispielsweise eine derartige Vorrichtung, in der ein Sauerstoffkonzentrationsgas durch einen neunstufigen PSA-Arbeitszyklus erzeugt wird. Während das in diesem Patent beschrieben Verfahren eine nützliche Konzentration von Sauerstoff vorsieht, sieht die vorliegende Erfindung einen neuen und innovativen zwölfstufige PSA-Arbeitszyklus für eine Dreibettvorrichtung vor, das die erforderlichen Sauerstoffkonzentrationen für die erwünschte(n) Anwendung(en) erzielen kann, jedoch produktiver, energieeffizienter und leiser im Betrieb als bekannte Mehrbettsysteme ist. Dies wird zumindest teilweise durch die Arbeitszyklen bewerkstelligt, einschließlich Schritten in denen jedes Bett wieder unter Druck gesetzt wird und prinzipiell durch Dase aus den nicht produzierenden oder „inaktiven" Betten gespült wird, anstatt mehr von dem nützlichen Produktgas zu verwenden, das durch die dann produzierenden oder „aktiven" Betten erzeugt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorangehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung offensichtlich werden, in denen zeigt:
1 ist eine schematische Darstellung einer PSA-Vorrichtung gemäß der Erfindung;
2 ist ein Diagramm, das die Sequenz und das Timing der Schritte zum Betreiben einer PSA-Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt;
3 ist ein Diagramm, das das Timing der Ventile zeigt, die verwendet werden um den Betrieb einer PSA-Vorrichtung gemäß der Erfindung zu steuern;
4 ist ein Diagramm, das die relevanten Druckveränderungen während des Arbeitszyklus der Vorrichtung der 1 zeigt; und
5 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung und das optionale Produktgasableiterleitungen, um sowohl die Spül- als auch Druckausgleichsfunktionen zu optimieren.
DETAILLIERTE BECHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Sich nun den Zeichnungen zuwendend und gemäß der vorliegenden Erfindung, ist ein Ausführungsbeispiel einer Druckumschaltungsadsorptions-, oder Umschaltungsadsorptions- oder PSA-Vorrichtung in 1 gezeigt, die im Allgemeinen mit 20 bezeichnet ist, die verwendet wird, um zumindest eine Komponente, und zwar Stickstoff, aus einem gasförmigen Mischung zu fraktionieren, das im Allgemeinen aber nicht notwendigerweise Umgebungsluft ist, und zwar durch Druckumschaltungsadsorption. Das gasförmige Luftgemisch, das als „LUFT" bezeichnet wird, wird an eine Vorrichtung 20 durch einen Partikel- und Dampffilter 21 eines Aufnahmeresonators 58 geliefert, um das Rauschen bzw. die Störung für die Aufnahme des Lieferstroms zu verringern. Von dem Resonator 58 wird der Lieferstrom weiter durch die Strömungsmittelleitung 106 fortgeführt, und zwar mittels einer Pumpe oder einer Kompressoranordnung 24. Die Kompressoranordnung 24, die einen elektrisch betriebenen Kompressor 110, einen Wärmetauscher 108, und Druckregler- bzw. Druckentlastungsventil 112 enthält, bewegt selektiv den Lieferstrom durch die Strömungsmittelleitung 107, die sich abzweigt, um den Lieferstrom abwechselnd und sequentielle durch drei Eingangsleitungen 114a, 114b bzw. 114c zu leiten, und zwar durch sequentiellen Betrieb der entsprechenden Lieferventile 116a, 116b und 116c.
Wenn beispielsweise das Lieferventil 116a offen ist, tritt der Lieferstrom in einen Einlass 82a des ersten Adsorbers A in einer gemeinsamen Strömungsrichtung (Co-Current bzw. Gleichstromrichtung) ein, die in 1 die Aufwärtsrichtung ist. Während er durch ein Siebbett 83a, das in dem Adsorber A enthalten ist, hindurchgeht, wird der Lieferstrom in die erwünschten Konzentrationen des Produktgases auf Grund des beträchtlichen Anteils an Stickstoff in dem Lieferstrom, die durch das Siebbett 83a adsorbiert wurden, fraktioniert, während der Rest des Lieferstroms, der beispielsweise aus ungefähr 95% Sauerstoff besteht, als Produktgas durch den Auslass 84a des ersten Adsorbers A voranströmt. Wie in dieser Beschreibung beschrieben, wird ein Adsorber, während er das Produktgas zur Lieferung an einen Benutzer der Vorrichtung produziert, als das „aktive" Bett bezeichnet, während jedes andere Bett als „inaktives" Bett bezeichnet wird.
Wenn sich der Innendruck in dem Adsorber A auf einem ausreichend hohen Pegel befindet, wird dann das beträchtliche Volumen des Produktgases, das den Adsorber A verlässt, dann durch Leitung 150a und eine gemeinsame Produktlieferleitung 150 zu einer Strömungssteueranordnung 68 geleitet, die noch beschrieben wird, um einen Teil des verwendbaren Produktgases zu bilden, das für den Benutzer verfügbar ist. Ein Kontroll- bzw. Rückschlagventil 144a ist in der Leitung 150 angeordnet, um den Rückstrom des Produktgases von der Steueranordnung 68 zu dem Adsorber A zu verhindern. Entsprechende Rückschlagventile 144b und 144c sind ebenfalls vorgesehen, um den Rückstrom in die Adsorber B und C zu verhindern. Die Rückschlagventile 144a, 144b und 144c sind ebenfalls wichtig, da sie bei der Verzögerung der Lieferung des Produktgases von den entsprechenden Adsorbern zu der Lieferleitung 150 helfen, bis der Ausgabedruck der entsprechenden Adsorber zumindest so hoch ist wie der Leitungsdruck, wodurch die Adsorberbetten bei höheren und effizienteren Drücken betrieben werden.
Während Adsorber A als das aktive Bett fungiert, ist Adsorber B ein inaktives Bett, aber ist immer noch unter Druck gesetzt, da es das aktive Bett vor dem Adsorber A gewesen ist. Gemäß der Erfindung wird ein Spülsteuerventil 136bc geöffnet, um das unter Druck gesetzte Gas in den inaktiven Adsorber B zu entlassen, so dass es durch die entsprechende Ableiterleitung 132bc und in einer Gegenstromrichtung durch den Auslass 84c eines inaktiven Adsorberbetts C strömt, um sowohl das Spülen fertigzustellen als auch die Wiederunterdrucksetzung des Adsorbers C zu beginnen, dessen Spülen unmittelbar begann bevor der Adsorber A der aktive Adsorber wurde.
Am Ende des Teils des Arbeitszyklus, in dem der Adsorber A das aktive Bett ist, wird ein Teil des Produktgases, das durch den Adsorber A erzeugt wird, ebenfalls in den inaktiven Adsorber C durch die Ableiterleitung 132ac durch das öffnen von dem Spülsteuerventil 136ac abgeleitet, um das Unterdrucksetzen des Adsorbers C fortzusetzen. In der gleichen Zeitsequenz wird das Spülsteuerventil 136bc geschlossen und ein Ablassventil 120b wird geöffnet, um zu bewirken, dass der verbleibende Druck in Adsorber B seinen adsorbierten Stickstoff durch Verlassen des Einlasses 82b ablässt und um durch die Leitung 90b, wie in 1 als AUSLASS gezeigt, in die Atmosphäre durch einen geeigneten Abluftschalldämpfer oder Geräuschdämpfer 126 abzulassen.
In ähnlicher Weise werden, abhängig von der Sequenz der Ventilöffnungen, wie sie durch eine geeignet Mikrosteuervorrichtung (nicht gezeigt) gesteuert werden, die Adsorberbetten C und B der Reihe nach die aktiven Betten, um Produktgas in den Siebbetten 83c und 83b durch sequentielles öffnen der entsprechenden Lieferventile 116c und 116b in den Leitungen 114c bzw. 114b, und der Prozess wird der Reihe nach und für den Zyklus wiederholt, wie beschrieben werden wird.
Um das Volumen des abgeleiteten Produktgases, das durch die Leitungen 132 strömt, zu steuern, sind entsprechende Spülaustritte 140ab, 140ac und 140bc vorgesehen, die Öffnungen besitzen, die in der Größe angepasst werden können, um das erwünschte Volumen und den Strom des Produktgases in der Gegenstromrichtung durch die Adsorber festzulegen. Wie in einem zweiten Ausführungsbeispiel in 5 gezeigt, ist es ebenfalls möglich, die Druckausgleichsrate zwischen den Adsorbern durch Hinzufügen separater, zeitgesteuerter, bidirektionaler Ventile 156ab, 156ac und 156bc in den Leitungen 152ab, 152ac und 152bc parallel zu jeder der Ableiterleitungen 132ab, 132bc und 132ac anzupassen. in diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird jedes der Ventile 136 selektiv geöffnet, wenn sein entsprechender Adsorber gespült wird, aber wird geschlossen und das entsprechende Ventil 156 mit den entsprechenden Austritten 153ab, 153ac und 153bc einer Größe geöffnet, um die geeigneten Druckausgleichsschritte zu optimieren, wenn das Spülen abgeschlossen ist und der Adsorber wieder unter Druck gesetzt wird. Alternativ können die parallelen Ableiterleitungen 152ab, 152bc und 152ac in dem zweiten Ausführungsbeispiel für bestimmte PSA-Aufnahmefähigkeiten verwendet werden, um die Ableiterleitungen 132ab, 132bc und 132ac zu ergänzen, in welchem Fall die Ventile 136 nicht während des Ausgleichsschritts geschlossen sind, sondern eher die Austritte 153ab, 153ac und 153bc von einer Größe sind, um die Strömung durch die Spülöffnungen 140ab, 140ac und 140bc durch Hinzufügen der geeigneten Menge an zusätzlicher Strömung zu ergänzen, für die die Spül- oder Ausgleichsschritte die größere Strömungsrate für diesen PSA-Aufbau erfordern.
Die Strömungssteueranordnung 68, die den verwendbaren Teil des Produktgases empfängt, der durch die drei Absorber A, B und C erzeugt wird, kann einen Vermischungstank 154, eine Testblockkomponente 169, einen Druckregulator 170, ein herkömmliches Strömungssteuervorrichtungsventil 92, ein Kontroll- bzw. Rückschlagventil 190, einen herkömmlichen Bakterienfilter 198 und eine Auslassverbindungsvorrichtung 100 umfassen. Der Vermischungstank 154 kann verwendet werden, um das Produktgas auf die gewünschte Konzentration zu mitteln. Sobald es durch den Vermischungstank 154 ist, wird das Produktgas unter Druck durch die Leitung 167 geleitet und durch den Druckregulator 170 überwacht, bis es das Strömungssteuervorrichtungsventil 92 erreicht. Die Produktgasströmungsrate wird dann unabhängig durch das Strömungssteuervorrichtungsventil 92 gesteuert, um durch die Leitung 172 und das Rückschlagventil 190a zu der Auslassverbindungsvorrichtung 100 weiterzuströmen. Ebenfalls ist ein Rückschlagventil 190b gezeigt, an dem eine alternative oder ergänzende Gasversorgung oder ein unter Druck gesetztes Medikament an der Vorrichtung angebracht werden kann.
Wenn jeder Adsorber mit Stickstoff gesättigt ist, bewirkt die Ventilsequenz zunächst das Schließen seines entsprechenden Lieferventils 116, um einen Druck abfall in oder ein Druckablassen von dem Absorber zu verursachen, während der Rest des erzeugten Produktgases aus diesem Adsorber austritt. Sobald teilweise der Druck abgelassen ist, wird das Abfall- oder Austrittsventil 120 für diesen Adsorber geöffnet und es wird dann durch die geeigneten Ventilsequenzen bewirkt, dass ein Teil des Produktgases, das in einem weiteren der inaktiven Adsorber in einem Wiederunterdrucksetzungszustand hergestellt wird, in einer Gegenstromrichtung strömt, um den ersten Adsorber zu spülen, um den ersten Adsorber wieder aufzubereiten, so dass dieser sauerstoffkonzentriertes Produktgas in der geeigneten Sequenz in dem nächsten Arbeitszyklus herstellt.
Wie Fachleuten des Gebiets jetzt offensichtlich sein wird, weist jeder Adsorber A, B und C ein im Wesentlichen langgestreckten Behälter auf, der an einer geeigneten Tragestruktur angebracht ist und einen Innenhohlraum besitzt, der im Wesentlichen mit einem Bett aus Adsorptionsmaterial gefüllt ist, das angepasst ist, um Stickstoff aus der Luft, die dadurch geleitet wird, zu adsorbieren. Ferner befinden sich die Einlässe 82a, 82b, 82c bzw. die Auslässe 84a, 84b, 84c jedes Adsorbers in Strömungsmittelverbindung miteinander durch das Bett aus Adsorptionsmaterial. Folglich wird der Lieferstrom aus Luft, der in jeden Adsorbereinlass 82 in Gleichstromrichtung geleitet wird, dem Adsorptionsmaterial ausgesetzt, wodurch der Stickstoff in der Luft adsorbiert wird. Um den Adsorber zu regenerieren, bewirkt abgeleitetes Produktgas das in der Gegenstromrichtung strömt (nach unten wie in 1 gezeigt), dass der adsorbierte Stickstoff aus dem Adsorptionsmaterial freigegeben und zur Atmosphäre von dem entsprechenden Adsorber durch seinen entsprechenden Einlass 82 und die entsprechende Auslassleitung 90a, 90b, 90c abgelassen wird, wenn sein Abfallventil 120a, 120b, 120c geöffnet ist.
Die Adsorptionsbetten der Adsorber A, B und C können aus jeglichem einer Anzahl von Adsorptionsmaterialen bestehen, wie beispielsweise einem molekularen Siebmaterial, das als Natriumaluminiumoxidsilikat bekannt ist, beispielsweise mit einer Körnergröße von 20/40 Maschengröße. Typischerweise werden die Art und Menge des Adsorptionsmaterials gewählt, um die geeignete Menge an Stickstoff aus der Luft zu adsorbieren, die in den entsprechenden Adsorbern A, B und C verarbeitet wird, um das Produktgas in der gewünschten Konzentration zu erzeugen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann jedes der Adsorberbetten für eine medizinische Anwendung ungefähr 0,254 m (10,0 Zoll) lang und 0,07 m (3,0 Zoll) im Durchmesser sein, wobei das Siebmaterial jeweils ungefähr 649 Gramm wiegt. Vorzugsweise sind die Betten federvorgespannt, um nicht „fluidisieren", während sich die Betten in ihren Druckablass- oder Druckausgleichsschritten befinden. Der Lieferstrom aus Luft wird mit ungefähr 0,0996 m³ (1,071 scfm) geliefert und die Austrittsöffnungen in den Spülleitungen werden eingestellt, um ungefähr 1,32 mm (0,052 Zoll) zu betragen. Wie gesehen werden kann, wird, wenn ein entsprechendes Spülsteuerventil 136ab, 136ac oder 136bc offen ist, eine „Starkspül"-Phase für den Adsorber A, B oder C eingeleitet, der das Ausgabegas von einem anderen der Adsorber aufnimmt, und die Größe des Austritts wird die Rate des Druckausgleichs der Betten bestimmen, die durch das offene Spülventil beeinflusst werden. Alternativ kann es möglich sein, die Sitze der Spülventile 136 in geeigneter Weise zu dimensionieren, so dass sie sowohl als die Spülventile als auch die Spülaustritte fungieren, und in dem Fall des Ausführungsbeispiels der 5 ebenfalls die Ventile 156 in geeigneter Weise zu dimensionieren, um die Austritte 153 zu beseitigen.
Wie zuvor angezeigt, ist es bekannt eine PSA-Vorrichtung für medizinische Zwecke mit zwei Adsorberbetten zu verwenden, in denen nur einer der Adsorber die Adsorption zu irgendeiner Zeit ausführt, während der andere Adsorber eine Regeneration durchläuft. Da eine derartige Vorrichtung für medizinische Zwecke in vielen Umständen entweder zu groß oder nicht ausreichend leise sind, haben wir das Problem durch die Einführung eines dritten Adsorberbetts und das Erfinden einer korrekten Sequenz und eines korrekten Timing, wie in 2 und 3 gezeigt, eines Minimums von Arbeitsventilen und Steueraustritten gelöst, um die Verwendung von drei kleiner dimensionierten Betten zu ermöglichen.
Wie durch 2 dargestellt, wird eine Dreibett-PSA-Vorrichtung gemäß unserer Erfindung betrieben, um ungefähr 3 Liter pro Minute von ungefähr 93% Sauerstoff konzentriertem Gas in Arbeitszyklen von jeweils zwölf sequentiellen Schritten vorzusehen. In jedem derartigen Zyklus findet Schritt 1 (wie gezeigt, ungefähr 0,5 Sek. lang) mit geöffneten Ventilen 116a, 136ab und 120c statt. Während Schritt 1 wird der Adsorber A von ungefähr 62,10 MPa (9 psi) auf ungefähr 96,5 MPa (14 psi) wieder unter Druck gesetzt, sowohl durch abgeleitetes Produktgas höheren Drucks, das in der Gegenstromrichtung von dem Adsorber B geliefert wird, als auch durch den Lieferstrom in der Gleichstromrichtung von der Leitung 114a. Gleichzeitig befindet sich, wobei das Lieferventil 116b geschlossen ist und kein weiterer Luftlieferstrom an den Adsorber B durch das geschlossene Ventil 116b vorgesehen ist, der Adsorber B in dem Prozess des Druckablassens von ungefähr 155 MPa (22,5 psi) auf ungefähr 138 MPa (20 psi). Gleichzeitig und wobei das Abfallventil 120c offen ist, befindet sich der Adsorber C (der früher sein Druckablassen begonnen hat, nachdem er Produktgas aus einem früheren Zyklus geliefert hat) in dem Prozess des Abschließens des Druckablassens von 17,2 MPa (2,5 psi) auf ungefähr 6,89 MPa (1,0 psi).
Im nächsten Schritt 2 von ungefähr 1,20 Sekunden länge und gemäß der Erfindung sind die Ventile 116a, 136bc und 120c offen. Durch diese Ventilsequenz wird das Wiederunterdrucksetzen des aktiven Adsorbers A auf ungefähr 148 MPa (21,5 psi) fortgesetzt, während dieser beginnt, Produktgas an die Leitung 150 zu liefern, und im Wesentlichen zur gleichen Zeit wird der Druck in dem inaktiven Adsorber B durch den Adsorber C abgelassen, in den das verbleibende Produktgas von dem Adsorber B zu dem Adsorber C durch das Ventil 136c abgeleitet wird, um in der Gegenstromrichtung durch den Adsorber C zu strömen, um den zuvor in Adsorber C adsorbierten Stickstoff auszuspülen und abzulassen. An diesem Schritt 2 kann gesehen werden, dass das Liefern von Produktgas verzögert wird bis ein höherer Druck erreicht wird, der zu einer noch gleichmäßigeren Reinheit des Produktgases führt.
In Schritt 3 wird für ungefähr 1,0 Sekunden das Ablassventil 120c geschlossen. Der Adsorber A fährt fort, Produktgas zu liefern, während der Adsorber B sein Druckablassen auf ungefähr 62,10 MPa (9,0 psi) fortsetzt und fortfährt, Produkt gas an den Adsorber C zu liefern, um den Adsorber C auf ungefähr 34,5 MPa (5,0 psi) wieder unter Druck zu setzen.
In Schritt 4, wobei die Ventile 116a, 136ac und 120b für ungefähr 0,8 Sekunden offen sind, fährt der Adsorber A fort, Produktgas zur Leitung 150 zu liefern, während ein Teil dieses Gases jetzt zu Adsorber C abgeleitet wird, um die Wiederunterdrucksetzung von letzterem fortzusetzen. Wobei nur das Ventil 120b für den Adsorber B geöffnet ist, wird ein Teil des verbleibenden Gases in Adsorber B durch das Ventil 120b abgelassen, um seinen Innendruck auf ungefähr 17,2 MPa (2,5 psi) zu verringern.
Wie jetzt gesehen werden kann, ist der Adsorber A während der ersten vier Schritte des Arbeitszyklus der aktive Adsorber, um prinzipiell das Produktgas zu liefern, der inaktive Adsorber B wird verwendet, um prinzipiell den Stickstoff aus dem inaktiven Adsorber C zu spülen und um diesen wieder unter Druck zu setzen, während der Adsorber C seinen Spülzyklus abschließt und die Wiederunterdrucksetzung beginnt.
In ähnlicher Weise ist in den Schritten 5 bis 8 und in der gleichen Sequenz und in den gleichen zeitlich festgelegten Schritten und entsprechenden Ventilöffnungen, der Adsorber C der aktive Adsorber, der prinzipiell das Produktgas an die Ausgabeleitung 150 liefert, während das verbleibende Produktgas in dem unter Druck gesetzten und jetzt inaktiven Adsorber A zu Adsorber B abgeleitet wird, um Adsorber B von seinem adsorbierten Strickstoff zu reinigen und um die Wiederunterdrucksetzung des letzteren zu beginnen.
In den endgültigen Schritten 9 bis 12, wiederum mit gleichen Zeiten und entsprechenden Ventilsequenzen, ist der Adsorber B der aktive Adsorber, unter Druck gesetztes Gas von dem jetzt inaktiven Adsorber C wird in der Gegenstromrichtung abgeleitet, um den inaktiven Adsorber A zu spülen und um die Wiederunterdrucksetzung des letzteren zu beginnen.
Die Sequenz der zwölf Schritte wird dann über fortgesetzte Zyklen des Betriebs der Vorrichtung wiederholt.
3 ist eine weitere Darstellung der zeitlich festgesetzten Sequenz der Ventilöffnungen (in schwarz dargestellt) für die verschiedenen Ventile, die verwendet werden um die Dreibett-PSA-Vorrichtung gemäß unserer Erfindung zu steuern. 4 stellt wiederum die Druckveränderungen in jedem der Adsorber A, B und C während des Zyklus von zwölf Schritten, ebenso wie die Arbeitsdrücke in der Lieferstromzulieferleitung 107 am Testpunkt 124 und des Produktgases in der Strömungssteuervorrichtung 68 am Testpunkt 169 vor dem Regulator 170 dar.
Wie aus 2 und 4 gesehen werden kann, führt das bevorzugte Ausführungsbeispiel, wenn es mit ungefähr 3 Litern pro Minute (lpm) arbeitet, zur Lieferung von Produktgas mit einer Sauerstoffkonzentration von ungefähr 93% von den drei Adsorbern zu der Steueranordnung 68 unter einem Druck von zumindest ungefähr 131 MPa (19 psi) und bis zu ungefähr 165 MPa (24 psi). Als solches können zumindest ungefähr 43-45% des Sauerstoffs in dem Umgebungsluftlieferstrom für das Produktgas wiedergewonnen werden, währenddessen ein typischer 2-Bettsauerstoffkonzentrator nur ungefähr 30-35% des aus der Luft gelieferten Sauerstoffs wiedergewinnt. Die erhöhte Effizienz ist zum Teil möglich, da die Adsorber in unserem 3-Bett-System imstande sind Druck bei ungefähr 62,1 MPa (9 psi) abzulassen, während ein typisches 2-Bett-System zumindest ungefähr 124,2 MPa (18 psi) für das Druckablassen erfordert. Die Energieeffizienz wird noch weiter erhöht, da der niedrigere Druckablassdruck nur einen kleineren Geräuschdämpfer erfordert. Darüber hinaus liefert ein typisches 2-Bett-System Produktgas lediglich mit ungefähr 89,6 MPa (13 psi) oder so viel wie ungefähr 68,9 MPa (10 psi) weniger als unser 3-Bett-System.
Um höhere oder niedrigere nominale Produktströmungsraten in einem Sauerstoffkonzentrator gemäß unserer Erfindung vorzusehen, ist es möglich, die physischen Abmessungen der Adsorberbetten, d.h. deren Durchmesser und Längen, zu verändern und die Strömungsrate der Luftlieferung und die Größen der Spülaustritte anzupassen. Die Arbeitszeiten für jeden der zwölf Schritte in den Arbeitszyklen werden dementsprechend erhöht oder verringert, aber die Anzahl der Schritte in jedem Zyklus und die Funktion jeder Stufe bleibt unverändert. Ein relevantes Kriterium für die Bestimmung der Bettgrößen liegt in dem Aufrechterhalten des Druckabfalls von ungefähr 6,89 MPa (1 psi) über die gesamte Bettlänge hinweg. Auf diese Weise ist es auch möglich, einen Sauerstoffkonzentrator gemäß der Erfindung mit höheren Nennausgaben zu konstruieren, wie zum Beispiel ungefähr 345 MPa (50 psi) Produktlieferdrücken, die für Arbeitsräume und die Anästhesie und zur Verwendung als Respiratoren verwendet werden.
Unter Verwendung des Verfahrens gemäß unserer Erfindung kann eine PSA-Vorrichtung für einen breiten Bereich von Zwecken und in einem weiten Bereich von Arbeitsparametern und Arbeitsumgebungen konstruiert werden. Sie ist besonders nützlich in medizinischen Anwendungen aufgrund ihrer Effizienz und des leisen Betriebs. Der Arbeitsbereich kann sich bei Arbeitsdrücken mit einem Minimum von weniger als 68,9 MPa (10 psi) bis zu einem Maximum von ungefähr 689 MPa (100 psi) mit Zykluszeiten von ungefähr 3 Sekunden bis ungefähr 3 Minuten befinden und ein Produktgas mit einer Sauerstoffkonzentration von ungefähr 38% bis ungefähr 96% erzeugen. Die Erfindung ermöglicht es auch, dass die Vorrichtung mit höheren Drücken betrieben wird, was die Adsorberbetten effektiver macht.
Es kann möglich sein, nur zwei Betten unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zu verwenden, in dem das Spülgas durch einen Versorgungstank anstelle eines inaktiven Adsorbers vorgesehen wird und der Liefertank durch überschüssiges Produktgas gefüllt wird. Ein Mehrbettsystem mit drei Betten wird jedoch effizienter sein, und zwar um bis zu 40% und, wie in 4 gezeigt, das Produktgas mit einer gleichmäßigeren Sauerstoffkonzentration über den Arbeitszyklus hinweg liefern, wodurch ein Aufbau vorgesehen wird, der das Erfordernis für einen Vermischungstank beseitigt, um die Konzentration zu mitteln.
Obwohl die Vorrichtung gemäß unserer Erfindung nur schematisch gezeigt ist, wird es Fachleute möglich sein, aus der Beschreibung die hierin vorgesehen ist, eine Mehrbett-PSA-Vorrichtung unter Verwendung herkömmlicher Strömungsmit tel-, elektrischer und elektronischer Komponenten und Steuerungen, die in der Technik bekannt sind, herzustellen. Zusätzlich werden Fachleute imstande sein, bekannte visuelle Indikatoren und Sicherheitsmerkmale an einer derartigen Vorrichtung vorzusehen, bei Verwendung für überwachte und/oder unüberwachte medizinische Zwecke. Wenn es ebenfalls erwünscht ist, die Konzentration des Sauerstoffs im Produktgas variabel zu steuern, dann kann es ebenfalls möglich sein, in die Erfindung einen Satz von anpassbaren Spülschleifen parallel zu den Leitungen 132ab, 132ac und 132bc einzubauen, wie nicht gezeigt, aber beschrieben in U.S. Patent Nr. 5,871,564 .
Der Betrieb des Sauerstoffkonzentrators 20 kann durch Nachprüfen der Sequenzierung der Ventilmittel des Konzentrators 20, wie in 2 und 3 dargestellt, verstanden werden. Bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung sind sämtliche Ventile 116, 120 und 136 offen, um jeglichen Gegendruck zu beseitigen und werden dann in der in 3 gezeigten Sequenz offen gelassen oder geschlossen, und zwar durch einen Zeitsteuerungsmechanismus herkömmlicher Schalter und gedruckter Relaisschalter, z.B. in einer programmierbaren Schaltung (nicht gezeigt). Jedes der Liefer-, Abfall- und Ausgleichsventile ist vorzugsweise ein Ventil der Solenoidbauart, das auf ein Anschalten oder Abschalten der Leistung des Ventils anspricht. Folglich werden die Produkterzeugungs- und Regenerationsbetriebe automatisch in dem Konzentrator 20 gesteuert, und zwar durch automatisches Steuern der Zeitdauer die jedes Liefer-, Abfall- und Ausgleichsventil geöffnet und geschlossen ist.
Der Zeitsteuermechanismus, der verwendet wird um die Ventile zu steuern, kann unter Verwendung herkömmlicher Schaltungen und Schalter aufgebaut sein, die qualifizierten Fachmännern bekannt sind, und zwar durch Leistung an den Kompressor, die Schalter und Ventile, die durch eine geeignete elektrische Verbindung vorgesehen werden, und im Fall einer Notsituation durch eine Backup-Batterieeinheit.
Wie im Folgenden deutlich wird, ist die Vorrichtung 20 speziell beschrieben und dargestellt in Bezug auf die Anwendung der Druckumschaltungsadsorption der Luftzerlegung, um einen sauerstoffreichen Strom zu erzeugen. Folglich ist der Lieferstrom, der für die Vorrichtung 20 verwendet wird, komprimierte atmosphärische Luft. Obwohl die vorliegende Beschreibung auf die Herstellung erwünschter Konzentrationen von Sauerstoffproduktgas beschränkt ist, ist offensichtlich, dass qualifizierte Fachleute diese Druckumschaltungsadsorptionsvorrichtung verwenden könnten, um ebenso andere Produktgase zu erzeugen.
Es wird verstanden werden, dass verschieden Modifikationen und Substitutionen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist es möglich, zeitgesteuerte Solenoidventile in den Leitungen 150a, b, c anstelle von oder zusätzlich zu den Kontrollventilen 144a, b und c zu beinhalten, um die Zeitsteuerung und die Lieferung von Produktgas von jedem der Adsorber zu der Leitung 150 zu steuern. Demgemäß soll das beschriebene Ausführungsbeispiel illustrativen Zwecken dienen und nicht als Beschränkung.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines konzentrierten Produktgases aus einer Versorgungsgasmischung in einer Druckumschaltungsadsorptionsvorrichtung, die drei Adsorberbetten (A, B, C) aufweist, um mindestens ein Bestandteilsgas (einen Gasbestandteil) aus der Versorgungsgasmischung zu adsorbieren, und wobei brauchbares Produktgas geliefert an den Auslass (100) der Vorrichtung in Zyklen erzeugt wird, und zwar durch Einspeisen der Versorgungsgasmischung sequentiell in einer gleichlaufenden Richtung durch jedes der Adsorberbetten, um mindestens einen substantiellen Teil des Bestandteilgases zu adsorbieren und zum Spülen des adsorbierten Bestandteilgases durch eine unter Druck stehende Gaseinspeisung in Gegenstromrichtung, wobei die Verbesserung mit der das Produktgas in Zyklen von jeweils zwölf Schritten erzeugt wird, die folgenden Schritte aufweist: (a) partielle Wiederunterdrucksetzung eines ersten der Adsorberbetten unter der Verwendung unter Druck stehenden Gases von einem zweiten Adsorberbett, wobei dann das brauchbare Produktgas nicht erzeugt oder geliefert wird an den Auslass nach Vollenden, in jedem Zyklus, des Schrittes des Spülens des Bestandteilgases, adsorbiert durch das erste Adsorberbett (Schritte 3, 7, 11), (b) Fortsetzen der partiellen Wiederunterdrucksetzung des ersten Adsorberbetts unter Verwendung unter Druck gesetzten Produktgases von dem dritten Adsorberbett und sodann Erzeugen eines verwendbaren Produktgases (Schritte 4, 8, 12) und (c) Fortsetzen der Unterdrucksetzung des ersten Adsorberbettes vom dritten Adsorberbett, nachdem das dritte Adsorberbett kein Produktgas mehr zum Auslass liefert (Schritte 5, 9, 1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbesserung Folgendes aufweist: sequentielles Zyklen jedes der Adsorberbetten durch die Schritte des Wiederunterdrucksetzens des ersten Adsorberbetts von einem minimalen auf einen maximalen Druck und Beginn der Lieferung des Produktgases nur, nachdem das erste Adsorberbett auf ein Niveau unter Druck gesetzt ist, zwischen dem der minimalen und maximalen Drücke (Schritte 6, 10, 2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wiederunterdrucksetzung in den Schritten (b) und (c) Folgendes aufweist: Ableiten eines Teil des verwendbaren Produktgases, wenn das dritte Adsorberbett im Wesentlichen einen maximalen Druck erreicht hat, sodann Beenden von sowohl der Einspeisung von Versorgungsgas zu und der Lieferung von brauchbarem Produktgas von dem dritten Adsorberbett, während eine gewisse Menge an Produktgas in das dritte Adsorberbett zu dem ersten Adsorberbett umgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ferner der Schritt des Rückverteilens von Produktgas vom dritten Adsorberbett zu dem zweiten Adsorberbett erfolgt, und zwar nachdem das erste Adsorberbett einen Zwischendruck erreicht hat, um das Spülen des zweiten Adsorberbetts von adsorbiertem Bestandteilsgas (Schritte 6, 10, 12) zu beenden.
Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines sauerstoffkonzentrierten Gases aus Umgebungsluft, in dem die Adsorberbetten Stickstoff adsorbierendes Material enthalten und das sauerstoffkonzentrierte Gas an einen Auslass der Vorrichtung liefern, wobei die zwölf Schritte Folgendes vorsehen: (a) Einspeisen von Umgebungsluft durch das erste Adsorberbett in einer gemeinsamen Strömungsrichtung (Co-Current- bzw. Gleichstromrichtung) zum Adsorbieren von mindestens einer substantiellen Stickstoffmenge in der Umgebungsluft und zum Liefern des Rests der Umgebungsluft als ein sauerstoffkonzentriertes Produktgas an den Vorrichtungsauslass, während der Gasdruck in dem ersten Adsorberbett auf einen erhöhten Betriebsdruck angehoben wird, und im Wesentlichen gleichzeitige Leitung von unter Druck stehendem Produktgas vom dritten Adsorberbett zur Einspeisung in einer Gegenstromrichtung durch das zweite Adsorberbett, um einen Prozess der Wiederunterdrucksetzung des zweiten Adsorberbetts zu beginnen, während das dritte Adsorberbett druckentlastet wird und während ein Schritt des Spülen adsorbierten Stickstoffs aus dem zweiten Adsorberbett vollendet wird (Schritt 6); (b) Fortsetzen des Prozesses der Wiederunterdrucksetzung des zweiten Adsorberbetts mit Produktgas vom dritten Adsorberbett und zwar nachdem der Schritt des Spülens adsorbierten Stickstoffs aus dem zweiten Adsorberbett beendet ist (Schritt 7); (c) sodann gestatten, dass das erste Adsorberbett die Druckentlastung von einem erhöhten Betriebsdruck gestattet, während die Lieferung von Produktgas vom ersten Adsorberbett zu dem Vorrichtungsauslass fortgesetzt wird, aber Ableiten eines Teils des Produktgases vom ersten Adsorberbett zu dem zweiten Adsorberbett zur Fortsetzung der Wiederunterdrucksetzung des zweiten Adsorberbetts, und im Wesentlichen gleichzeitige Fortsetzung der Druckentlastung des dritten Adsorberbetts, während bewirkt wird, dass Stickstoff, adsorbiert in dem dritten Adsorberbett, gespült und aus der Vorrichtung abgegeben wird (Schritt 8); (d) Änderung der Einspeisung von Umgebungsluft von dem ersten Adsorberbett zu dem zweiten Adsorberbett zur Fortsetzung der Wiederunterdrucksetzung des zweiten Adsorberbetts sowohl durch die Umgebungsluft als auch vom ersten Adsorberbett (Schritt 9); (e) sodann Fortsetzen der Einspeisung von Umgebungsluft durch das zweite Adsorberbett in die Gleichströmungsrichtung zum Adsorbieren von mindestens einer beträchtlichen Stickstoffmenge in der Umgebungsluft und zur Lieferung des Rests der Umgebungsluft als ein sauerstoffkonzentriertes Produktgas an den Vorrichtungsauslass, während weiterhin der Gasdruck in dem zweiten Adsorberbett auf einen erhöhten Betriebsdruck angehoben wird, und im Wesentlichen gleichzeitige Leitung des unter Druck stehenden Produktgases von den ersten Adsorberbetten zur Einspeisung in einer Gegenstromrichtung durch das dritte Adsorberbett zum Beginn eines Prozesses der Wiederunterdrucksetzung des dritten Adsorberbetts, während das erste Adsorberbett druckentlastet wird und während ein Schritt des Spülens von adsorbiertem Stickstoff aus dem dritten Adsorberbett vollendet wird (Schritt 10); (f) Fortsetzen des Prozesses der Wiederunterdrucksetzung des dritten Adsorberbetts mit Produktgas von dem ersten Adsorberbett, und zwar nachdem der Schritt des Spülens adsorbierten Stickstoffs von dem dritten Adsorberbett beendet ist (Schritt 11); (g) sodann gestatten, dass das zweite Adsorberbett die Druckentlastung von dem erhöhten Betriebsdruck beginnt, während die Lieferung von Produktgas vom zweiten Adsorberbett zu dem Vorrichtungsauslass fortgesetzt wird, wobei aber ein Teil des Produktgases vom zweiten Adsorberbett zu dem dritten Adsorberbett abgeleitet wird, um die Wiederunterdrucksetzung des dritten Adsorberbetts fortzusetzen, und im Wesentlichen gleichzeitige, Fortsetzung der Druckentlastung des ersten Adsorberbetts während bewirkt wird, dass der in dem ersten Adsorberbett adsorbierte Stickstoff gespült und von der Vorrichtung abgegeben wird (Schritt 12); (h) Änderung der Einspeisung von Umgebungsluft von dem zweiten Adsorberbett zu dem dritten Adsorberbett, um die Wiederunterdrucksetzung des dritten Adsorberbetts durch die Umgebungsluft und von dem zweiten Adsorberbett (Schritt 1) fortzusetzen; (i) sodann Fortsetzen der Einspeisung von Umgebungsluft durch das dritte Adsorberbett in der Gleichstromrichtung zum Adsorbieren von mindestens einer wesentlichen Stickstoffmenge in der Umgebungsluft und zum Liefern des Rests der Umgebungsluft als ein sauerstoffkonzentriertes Produktgas an den Vorrichtungsauslass, während weiterhin der Gasdruck im dritten Adsorberbett auf einen erhöhten Betriebsdruck erhöht wird und im Wesentlichen gleichzeitiges Leiten von unter Druck stehendem Produktgas von dem zweiten Adsorberbett zur Einspeisung in einer Gegenstromrichtung durch das erste Adsorberbett, um einen Prozess der Wiederunterdrucksetzung des ersten Adsorberbetts zu beginnen, während das zweite Adsorberbett druckentlastet wird und, während ein Schritt des Spülens adsorbierten Stickstoffs aus dem ersten Adsorberbett vollendet wird (Schritt 2); (j) Fortsetzen des Prozesses der Wiederunterdrucksetzung des ersten Adsorberbetts mit Produktgas vom zweiten Adsorberbett, und zwar nach Beendigung des Schritts des Spülens adsorbierten Stickstoffes vom ersten Adsorberbett (Schritt 3); (k) sodann Gestatten, dass das dritte Adsorberbett die Druckentlastung von dem erhöhten Betriebsdruck beginnt, während die Lieferung von Produktgas vom dritten Adsorberbett zu dem Vorrichtungsauslass fortgesetzt wird, wobei ein Teil des Produktgases vom dritten Adsorberbett zu dem ersten Adsorberbett abgeleitet wird, um die Wiederunterdrucksetzung des ersten Adsorberbetts fortzusetzen, und im Wesentlichen gleichzeitige Fortsetzung der Druckminderung des zweiten Adsorberbetts, während bewirkt wird, dass der in dem zweiten Adsorberbett adsorbierte Stickstoff gespült und von der Vorrichtung abgegeben wird (Schritt 4); (l) Änderung der Einspeisung von Umgebungsluft vom dritten Adsorberbett zu dem ersten Adsorberbett, um die Wiederunterdrucksetzung des ersten Adsorberbetts fortzusetzen, und zwar sowohl durch die Umgebungsluft als auch von dem dritten Adsorberbett (Schritt 5); (m) sodann Wiederholen der Schritte (a) bis (l), als Notwendigkeit, um die Lieferung von sauerstoffkonzentriertem Gas an den Vorrichtungsauslass fortzusetzen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zwölf Schritte durch Betriebsventile gesteuert werden, wobei die Schritte (a), (e) und (i) jeweils ein Speiseventil (116), offen zu einem der Adsorberbetten (A, B, C), verwenden, um Umgebungsluft an das eine Bett zu liefern, wobei ein Ausgleichsventil (136) offen ist zwischen den anderen zwei Betten, um eines von den zwei Betten wieder unter Druck zu setzen, und zwar durch das zweite der anderen zwei Betten, und wobei ein Abfallventil (120) zu einem der anderen zwei Betten offen ist; wobei die Schritte (b), (f) und (j) jeweils das Speiseventil, das offen zu dem einen Bett ist, verwenden und das Ausgleichsventil, welches offen zu den zwei anderen Betten ist; wobei die Schritte (c), (g) und (k) jeweils das Umgebungslufteinspeiseventil, das offen ist zu dem einen Bett, vorsehen, ein Ausgleichsventil, welches offen ist, zwischen dem einen Bett und dem einen der zwei anderen Betten, um die Wiederunterdrucksetzung des einen der anderen zwei Betten fortzusetzen, und wobei ein Abfallventil offen ist, zu dem zweiten der anderen zwei Betten; und wobei die Schritte (d), (h) und (l) jeweils ein Umgebungslufteinspeiseventil, das offen ist zu einem der anderen zwei Betten, vorsehen und ein Ausgleichsventil, das offen ist zwischen dem einen Bett und dem anderen der zwei Betten, um den Druck in einem der anderen zwei Betten zum Auslass zu erhöhen, und wobei das Abfallventil offen ist zum zweiten Bett der anderen beiden Betten, und offen bleibt.