DE69634741T2 - Vorrichtung zur Gastrennung mittels Adsorption - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Gastrennung mittels Druckwechseladsorption des VSA oder MPSA genannten Typs und ganz besonders Vorrichtungen mittlerer oder geringer Kapazität, die wenigstens eine umlaufende Maschine umfassen, die auf einen Adsorber als Verdichter oder als Pumpe einwirkt.
  • Die bekannten Vorrichtungen, wie die im Dokument US-A-4,534,346 von 1983 und vor kürzerem im Dokument US-A-5,370,728 von 1993 beschriebenen, umfassen eine umlaufende Maschine, die eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite aufweist und sich drehend permanent in derselben Richtung und mit derselben Drehzahl angetrieben wird, wobei die Optimierung in Bezug auf die umlaufende Maschine allerdings durch Anwendung zahlreicher Ventile stark aufgewogen wird, deren Anzahl einerseits und die Einstellung und die Aufrechterhaltung ihrer Synchronisation andererseits in hohem Maße die Herstellungs- und Verwendungskosten bestimmen.
  • Das Dokument FR-A-238663 beschreibt andererseits eine Vorrichtung zur Steuerung des CO2-Gehalts in einem Raum zur Aufbewahrung von Pflanzen, die wenigstens ein Adsorptionsmittel umfasst, das dank zwei druckempfindlichen Ventilsätzen in zwei Kreislaufringleitungen abwechselnd einsetzbar ist, in der einen für die Atmosphäre des Raums zur Reduzierung des CO2-Gehalts und in der anderen für die Umgebungsluft zur Regenerierung des Adsorptionsmittels.
  • Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Druckwechseladsorptionsvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, die Kreisläufe zu vereinfachen und die Ventilanzahl in hohem Maße einzuschränken, und somit die Umsetzung von individuellen Adsorptionsmodulen ermöglicht, die eine große Verwendungsanpassungsfähigkeit aufzeigen und insbesondere ihre parallele Verbindung in Reihe mit parallelen Modulen gestatten, was ermöglicht, weitgehende Verwendungsbereiche und Betriebsbedingungen abzudecken.
  • Zu diesem Zweck stellt die Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bereit.
  • Gemäß anderen Merkmalen der Erfindung:
    • – ist wenigstens eine zweite Einrichtung zur Speicherung von abgereichertem Gas allein mit der Ausgangsleitung verbunden;
    • – umfasst die Vorrichtung wenigstens zwei individuelle Module, die parallel zwischen der Quelle mit einem Gasgemisch und der Verbraucherleitung angeordnet sind.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die mit einem Adsorber verknüpfte umlaufende Maschine abwechselnd während einer ersten Phase bzw. Zuführphase mit Gas vom Adsorber in einer Richtung und dann während einer zweiten Phase bzw. Abzugsphase bei Unterdruck mit Gas aus dem Adsorber in der anderen Richtung angetrieben.
  • Gemäß einem ganz besonderen Merkmal der Erfindung wird der Antrieb der Maschine während eines bestimmten Zeitraums zum Ende jeder Phase unterbrochen.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt es kein Absperrventil zu beiden Seiten der umlaufenden Maschine und insbesondere zwischen der letzteren und dem Eingang des Adsorbers, die Umkehrbarkeit dieser umlaufenden Maschine ermöglicht, abwechselnd und nacheinander eine Verdichtung des zu trennenden Gasgemisches auf einen hohen Druck des Zyklus für die Adsorptionsstufe und ein Pumpen unter Vakuum auf einen hohen Druck des Zyklus für eine Desorptionsstufe sicherzustellen, die Umschaltung erfolgt auf flexible und wirtschaftliche Weise durch bestes Ausnutzen der Eigendrehungen, die aus den Differentialen von Umkehrdrücken und den Trägheitskräf ten resultieren, die auf die umlaufenden Ausrüstungen der Maschine ausgeübt werden.
  • Weitere Merkmale und die Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen hervor, die zu Veranschaulichungszwecken, jedoch keineswegs einschränkend gegeben sind und in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen dargebracht werden. Es zeigen:
  • die 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Adsorptionsmoduls;
  • die 2 eine schematische Darstellung eines Zyklus des Drucks und der entsprechenden Drehungen der umlaufenden Maschine;
  • die 3 ein Erläuterungsgraph eines charakteristischen Zyklus der Drücke und der entsprechenden Betätigungsphasen von Ventilen des Moduls gemäß 1;
  • die 4 eine schematische Ansicht einer zwei Module einsetzenden Vorrichtung;
  • die 5 ein dem der 3 ähnlicher Graph, der die Zyklen und Öffnungs-/Schließvorgänge von Ventilen der Vorrichtung der 4 darstellt;
  • die 6 eine schematische Ansicht einer praxisnahen, erfindungsgemäßen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Moduls, das mit einer ersten Einrichtung zur Speicherung von abgereichertem Gas, die permanent mit einer Leitung zu dem Verbraucher des abgereicherten Gases verbunden ist, ein Modul bildet.
  • In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen weisen identische oder ähnliche Elemente dieselben Bezugsziffern, gegebenenfalls Zeichen auf.
  • In der 1 wird ein erfindungsgemäßes Adsorptionsmodul M dargestellt, das für gewöhnlich einen Adsorber A von für gewöhnlich vertikaler Gestalt umfasst, der einen Eingang 1 und einen Ausgang 2 aufweist und wenigstens ein Adsorptionsmittel enthält, das wenigstens einen Bestandteil eines zu trennenden Gasgemisches zurückhalten kann. Der Eingang 1 ist mit einer Eingangsleitung I mittels einer umkehrbaren, umlaufenden Maschine R, für gewöhnlich eine Rootspumpe oder eine Maschine mit Mehrblattrotoren, verbunden, die von einem Elektromotor D angetrieben wird, der mittels eines Steuerkastens B gesteuert wird. Der Ausgang 2 ist mit einer Ausgangsleitung O verbunden, die über ein Absperrventil V1 und einen Tank C mit einer Verbraucherleitung L verbunden werden soll, wohingegen die Eingangsleitung I mit einer Quelle S mit einem zu trennenden Gasgemisch verbunden werden soll, die einen Restgasausstoss von der Vorrichtung der Erfindung aufnehmen kann. Gemäß einer besonderen Anwendung der Erfindung ist das zu trennende Gasgemisch Luft, die Quelle S ist die Umgebungsluft, der Adsorber enthält wenigstens ein Adsorptionsmittel, das durch Adsorption die unerwünschten Bestandteile des zu produzierenden Bestandteils zurückhalten kann, bei dem es sich für gewöhnlich um Sauerstoff oder gegebenenfalls Stickstoff handelt.
  • Vorteilhafterweise ist, wie in der 1 dargestellt, die Ausgangsleitung O über ein Absperrventil V1 mit wenigstens einem Speicher T verbunden, der auf funktionelle Weise allein mit der Ausgangsleitung O verbunden ist, um an den Phasen des Ausgleichs und der erneuten Druckbeaufschlagung des Adsorbers A, wie weiter oben in Verbindung mit der 3 beschrieben ist, oder am Ausgleich und der Spülung des letzteren zu partizipieren, indem er wenigstens einen Teil des Gases, das zuvor gespeichert wurde, zurückgibt.
  • In der 2 werden die zugehörigen Zyklen der Drücke (oben) und der Drehung der umlaufenden Maschine (unten) dargestellt. Der Zyklus der Drücke umfasst eine Phase der Druckbeaufschlagung und der Produktion T0 – T1, zwischen dem niedrigen Druck des Zyklus Pm, der unter dem Atmosphärendruck Pa liegt, für gewöhnlich zwischen 0,2 und 0,6 × 105 Pa, vorteilhafterweise zwischen 0,3 und 0,5 × 105 Pa, und dem hohen Druck des Zyklus PM, der etwas über dem Atmosphärendruck liegt, für gewöhnlich zwischen 1,05 und 1,5 × 105 Pa, und eine Phase der Druckangleichung und der Desorption T1 – T2, zwischen den Drücken PM und Pm. Die umlaufende Maschine wird während der Mittelabschnitte j und J' der Zyklusphasen nicht vom Motor angetrieben. Folglich wird der Zwischenverdichter in der Verdichtungsstufe j, einer kurzen Zeitspanne vor dem Zeitpunkt des Umschaltens T1 zwischen den zwei Phasen, vom Elektromotor angetrieben, die Stromversorgung des Motors wird unterbrochen, die umlaufende Maschine fährt über ihren Schwung unter Einwirkung kinetischer Energie während der Stufe k bis zum natürlichen Anhalten zum Zeitpunkt T1 fort, zu dem sie, dieses Mal unter Einwirkung der Druckdifferenz zwischen den gegenüber liegenden Gasdurchlässen 3 und 4, eine natürliche Drehung in der anderen Richtung beginnt, die zum Ende der Stufe i' mittels aktiven Antriebs in dieser umgekehrten Richtung der umlaufenden Maschine, die nun als Pumpe fungiert, während der Dauer der Stufe j' wiederaufgenommen und verstärkt wird, der mechanische Antrieb wird ebenfalls kurz vor der Beeinträchtigung des niedrigen Drucks zum Moment T2 unterbrochen, die umlaufende Ausrüstung fährt über ihren Schwung während der Stufe k' fort, bis eine Drehung in der umgekehrten Richtung ohne die Einwirkung des Druckdifferentials zwischen den Durchlässen 3 und 4 während der Stufe i zum Moment T2 angehalten und begonnen wird, wobei diese Drehung dann verstärkt von mechanischen Antrieb während der Stufe j begleitet wird, wie zuvor beschrieben. Die vom Anmelder durchgeführten Studien haben offenbart, dass in einer derartigen Betriebsform die Dauer der Phasen der verzögerten Eigenrotation k und k', in der Größenordnung von einer Sekunde, und die Dauer der Phasen der beschleunigten Eigenrotation, in der Größenordnung von 2 bis 5 Sekunden, perfekt mit der Gesamtdauer der meisten Adsorptionszyklen (von 20 bis 150 Sekunden gemäß der Kapazitäten und der Anwendungen) kompatibel sind. Andererseits kann man die Trägheit der umlaufenden Maschine bei Bedarf auf VSA-Zyklen anpassen, beispielsweise mit Schwungradeinrichtungen, gegebenenfalls verknüpft mit in einer Richtung arbeitenden Fliehkraftkupplungen.
  • Der Zyklus der Drücke der 2 finden sich in der 3 wieder, in der die Gaskreisläufe zum Eingang und zum Ausgang des Adsorbers und zum/vom Tank und Speicher angezeigt sind. Die Phase der Druckbeaufschlagung/Produktion T0 bis T1, in der das zu trennende Gemisch mittels der umlaufenden Maschine R in den Eingang 1 des Adsorbers A eingeführt wird, wird in eine anfängliche Stufe a zerlegt, in der das Ventil V1 geöffnet und das vorzugsweise nicht adsorbierte Gas bzw. Gasgemisch oder produzierte Gas, beispielsweise Sauerstoff, gleichzeitig mittels des Ausgangs des Adsorbers A im Gegenstrom eingeführt wird. Auf diese erste Druckbeaufschlagungsstufe folgt eine zweite Druckbeaufschlagungsstufe b, die allein durch das zu trennende Gasgemisch sichergestellt wird, wobei die Ventile V, V'1 geschlossen werden. Zum Ende dieser zweiten Druckbeaufschlagungsstufe b, in der der Druck den Atmosphärendruck übersteigt, wird das Ventil V1 für eine Produktionsstufe c bei leicht zunehmendem oder im Wesentlichen isobaren Druck zum hohen Druck des Zyklus PM geöffnet.
  • Wie weiter oben erläutert wird die Drehung der umlaufenden Maschine R zum Zeitpunkt T1 zum Ende der Produktion beim hohen Druck des Zyklus umgekehrt und ein mit adsorbierten Komponenten angereichertes Gasgemisch entweicht während der gesamten zweiten Phase T1 – T2 über den Eingang 1. In einer ersten Stufe d dieser zweiten Phase wird das Ventil V'1 geöffnet, damit eine Druckangleichung gleichzeitig im oberen Teil als auch im unteren Teil des Adsorbers gewährleistet wird, nach der während einer Phase e1 die Ventile V1 und V'1 geschlossen werden und das Setzen des Adsorbers unter Vakuum bis auf den niedrigen Druck des Zyklus Pm bis zum Ende der Phase T1 – T2 fortgesetzt wird. Vorzugsweise wird das Ventil V1 kurz vor der Zeit T2 geöffnet, um eine Stufe e2 der Spülung des vom Tank kommenden, produzierten Gases zu implementieren.
  • Um ihre Eigenständigkeit zu bewerkstelligen, stellt eine Einrichtung mit einem Adsorber gemäß der 1 keine besonderen Zwänge in Bezug auf die jeweilige Dauer der Phasen T0 – T1 und T1 – T2 und auch nicht auf diese Phasen bildende Stufen. Der Motor D kann den Zwischenverdichter mit derselben Drehzahl in den zwei Drehrichtungen oder mit unterschiedlichen Drehzahlen antreiben. Vorzugsweise wird die umlaufende Maschine R zur Zeit der Stufe j' der Pumpphase T1 – T2 mit maximaler Drehzahl und in der Luftverdichtungsphase während der Stufe j der Phase T0 – T1 mit einer niedrigeren Drehzahl, für gewöhnlich ungefähr 50 % der maximalen Drehzahl, angetrieben.
  • Als Variante kann die Stromversorgung des Motors zum Zeitpunkt T1 oder auch nach einer kurzen Zeitspanne nach dem Zeitpunkt T1 unterbrochen werden. In diesem Fall hält die Maschine während der Stufe d auf natürliche Weise an und kehrt um. Ebenso kann der Motor zum Ende der Druckangleichung zum Zeitpunkt T2, sogar einer kurzen Zeitspanne nach dem Zeitpunkt T2, unterbrochen werden. Da die Stromversorgung des Motors durch ein Stufengetriebe erfolgt, kann das letztere darauf programmiert werden, das natürliche Anhalten und Umkehren der Drehrichtung der Maschine zu begleiten und/oder zu unterstützen.
  • In der 4 wird eine Vorrichtung zur Trennung dargestellt, die zwei Module M1 und M2 einsetzt, wie sie oben in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben sind. In diesem Fall sind die Ausgangsleitungen O1 und O2 jeweils über ein Ventil V1 bzw. V2 mit einem gleichen Tank C in einem stromaufwärtigen Abschnitt D der Produktionsleitung L verbunden, die mit einem Absperrventil Vp versehen ist, dessen Öffnungs- und Schließstufen an der Seite derjenigen Ventile V1 und V2 im Graph der 5 dargestellt sind, in der der Zyklus des Drucks der zwei Module M1 und M2 übergelagert wurde. In dieser Ausführungsform mit zwei Modulen wird die Gaszufuhr im Gegenstrom zur Zeit der ersten Stufe a der Phase der Druckbeaufschlagung/Produktion mittels Ausgleich oder Pseudoausgleich mit dem anderen Adsorber sichergestellt, der in Stufe d seine Druckbeaufschlagungsphase beginnt, wobei außerdem die Zyklen des Drucks und des mechanischen Antriebs der umlaufenden Maschinen R1 und R2 mit den zuvor in Verbindung mit den 2 und 3 beschriebenen identisch sind.
  • In den Vorrichtungen mit zwei Modulen ist die Dauer der Stufe a, wie zu sehen ist, zur Dauer der Stufe d gleich und die Dauer der Phasen T0 – T1 und T1 – T2 ist in jedem Modul gleich, wobei der Zyklus eines Adsorbers um eine Zyklusphase im Vergleich zum anderen Adsorber verschoben ist. Wie zuvor wird jede umlaufende Maschine während der Pumpstufe j' mit maximaler Drehzahl und währen der Druckbeaufschlagungsphase j mit reduzierter Drehzahl, für gewöhnlich die Hälfte der maximalen Drehzahl, angetrieben.
  • Es versteht sich, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gastrennung mittels Adsorption mehrere parallele Module M mit zwischen den verschiedenen Modulen angepassten Synchronisationen umfassen kann.
  • Folglich findet sich bei einer Vorrichtung mit drei Modulen dieselbe Dauer für die Stufen a und d für jedes Modul wieder, wobei hier die Dauer der Phase der Druckbeaufschlagung/Produktion T0 – T1 zu der Hälfte der Dauer der Phase der Druckangleichung/Desorption T1 – T2 gleich ist, wobei die Module eine zeitliche Verschiebung in ihrem eigenen Zyklus von einem Drittel der Gesamtdauer des Zyklus zwischen ihnen aufzeigen. Bei einem hohen Druck des Zyklus von 1,1 bis 1,5 × 105 Pa und einem niedrigen Druck des Zyklus, der 0,5 bis 0,3 × 105 Pa umfasst, stellt eine einzige Drehzahl des Motors zum Antrieb in beiden Richtungen den günstigsten Energie/Kosten-Kompromiss dar.
  • Bei Vorrichtungen zur Produktion von Sauerstoff aus Luft mit einem Adsorptionsmittel, das aus wenigstens einem Zeolithen, insbesondere einem LiX-Zeolithen, besteht, handelt es sich bei den Drücken PM und Pm für gewöhnlich um die im vorherigen Abschnitt genannten, wobei die Gesamtdauer eines Zyklus für gewöhnlich von 30 bis 120 Sekunden umfasst.
  • Die Eigenständigkeit von erfindungsgemäßen Modulen ermöglicht das Zusammenbauen von n Modulen in Reihe und das Einsetzen dieser je nach Bedarf automatisch oder manuell, von allen oder einem Teil. Außerdem kann im Fall eines Störfalls oder einer Wartung eines Moduls der Betrieb mit n-1 Modulen wenigstens zeitweise mühelos sichergestellt werden.
  • In der 6 wird eine besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Moduls dargestellt, das mit einer ersten Einrichtung zur Speicherung von abgereichertem Gas, die permanent mit einer Leitung 7 zu dem Verbraucher des abgereicherten Gases verbunden ist, ein Modul bildet. Wie zu sehen ist, ist der Ausgang 2 des vertikalen Adsorbers A, für gewöhnlich mit horizontalem internem Gaskreislauf, ebenfalls im unteren Teil angeordnet; der Adsorber A sitzt auf einem Untergestell 5, das einen Mantel bildet, der ein Innenvolumen definiert, in dem die umlaufende Maschine R und deren Antriebsmotor D angeordnet sind, wobei das Gestell 5 eine Verkleidung zur Schalldämmung 6 umfasst. In der 6 wird ein Regenerator 7 dargestellt, der zwischen die Eingangsleitung I und die umlaufenden Maschine R zwischenschaltbar ist und im Kühlungszeitraum ermöglicht, einen Teil der Wärmeenergie in der Pumpphase wiederzugewinnen, um das in den Adsorber eingeführte Gasgemisch in der Verdichtungsphase wiederzuerwärmen. Es kann ebenfalls ein Kühlmittel, beispielsweise des atmosphärischen Typs, zwischen dem Durchlass 4 der umlaufenden Maschine und dem Eingang 1 des Adsorbers eingefügt werden.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Gastrennung mittels Adsorption des Typs VSA, umfassend wenigstens ein Modul (M), umfassend: – eine einzelne Eingangsleitung (I), die permanent mit einer Quelle (S) mit einem zu trennenden Gasgemisch verbunden ist; – eine einzelne Ausgangsleitung (O) für Gas, dem wenigstens einer der Bestandteile des Gasgemisches entnommen worden ist, wobei diese Ausgangsleitung mit einer ersten Einrichtung (C) zur Speicherung von abgereichertem Gas verbunden ist und wobei diese erste Einrichtung permanent mit einer Leitung (L) zu dem Verbraucher des abgereicherten Gases verbunden ist; – hintereinander geschaltet zwischen der Eingangsleitung (I) und der Ausgangsleitung (O) eine umlaufende Maschine mit umkehrbarer Drehrichtung (R) und einen Adsorber (A); und – Einrichtungen (B, D), um die umlaufende Maschine (R) in die umgekehrten Drehrichtungen zu betätigen und zu steuern.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine zweite Einrichtung (T) zur Speicherung von abgereichertem Gas umfasst, die allein mit der Ausgangsleitung (O) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei der oben genannten Module (Mj) umfasst, die parallel zwischen der Quelle (S) und der Verbraucherleitung (L) angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen thermischen Regenerator (7) umfasst, der zwischen der Eingangsleitung (I) und der umlaufenden Maschine (R) umschaltbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (A) auf einem Untergestell (5) sitzt, der die umlaufende Maschine (R) abschirmt und Einrichtungen (6) zur Schalldämmung umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (1) und der Ausgang (2) des Adsorbers (A) sich an dessen Unterseite befinden.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Maschine (R) durch einen Elektromotor (D) mit veränderlicher Drehzahl angetrieben wird.
  8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Maschine (R) eine Rootspumpe ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche für die Trennung von Gasen aus Luft, wobei die einzige Eingangsleitung permanent mit der Umgebungsluft verbunden ist.
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