DE69836137T2

DE69836137T2 - Druckwechseladsorptionsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE69836137T2
Application number: DE69836137T
Authority: DE
Inventors: Richard Norman Tonawanda MCCOMBS
Original assignee: Airsep Corp
Current assignee: Airsep Corp
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2018-06-12
Also published as: EP0991460A1; ATE342118T1; EP0991460B1; AU7962998A; KR20010013739A; US5871564A; JP2002504022A; ES2273421T3; JP4097297B2; CA2293503C; KR100554777B1; WO1998057728A1; CA2293503A1; EP0991460A4; DE69836137D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Gaskonzentrationsvorrichtung zum Trennen von Gasgemischen durch Druckwechseladsorption und insbesondere auf die Herstellung eines Produktgases in welchem die Konzentrationen der Gasbestandteile wahlweise variiert werden können.
Hintergrund der Erfindung
Die generelle Art der Druckwechseladsorptionsvorrichtung, mit der sich diese Erfindung befasst, ist in den US-Patenten 4 802 899 und 5 531 807 ausgeführt. Im Allgemeinen umfasst eine Druckwechseladsorptionsvorrichtung zumindest ein Paar Adsorber, von denen jeder ein befestigtes Bett aus adsorbierendem Material aufweist, um zumindest einen Gasbestandteil aus einem Gasgemisch zu fraktionieren, wenn das Gasgemisch nacheinander in Vorwärtsströmungsrichtung (Gleichstromrichtung) durch die Adsorber geleitet wird. Während ein Adsorber die Adsorption durchführt, wird der andere Adsorber von seinem adsorbiertem Gasbestandteil gereinigt, und zwar durch Produktgas, das von einem Adsorber abgezogen wird und in Gegenstromrichtung durch den anderen Adsorber geleitet wird. Sobald der andere Adsorber gereinigt ist, wird die Gasmischung in Gegenstromrichtung durch den anderen Adsorber geleitet, sodass der andere Adsorber die Adsorption durchführt, während der eine Adsorber gleichzeitig gereinigt wird.
Hoch konzentriertes Produktgas wird erreicht durch Steuerung der Gastransferzonen der Adsorber. Ein herkömmlicher Adsorber umfasst vier Zonen, wie in 1A dargestellt. Wenn, zum Beispiel, verdichtete Luft in den Adsorber 2 durch einen Einlass 4 eintritt, besteht die Luft aus ca. 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, 0,9% Argon, und einer unterschiedlichen Menge an Wasser. Die erste Zone 6 fängt das Wasser ab, Die zweite Zone 8 adsorbiert den fraktionierten Stickstoff und zu einem geringeren Grad Sauerstoff. Die dritte Zone oder Massentransferzone („MTZ") umfasst eine variierende Konzentration von Produktsauerstoffgas, dessen Konzentration bezogen auf den Abstand von der zweiten Zone 8 abnimmt, indem mehr fraktionierter Stickstoff aufgenommen wird. Die vierte Zone 12 umfasst das hochkonzentrierte Produktsauerstoffgas und erstreckt sich bis zum Anschlussende 14 des Adsorbers 2 Ein hochkonzentriertes Produktsauerstoffgas wird erreicht durch Stabilisierung der Wasserzone 6 nahe dem Einlass 4 des Adsorbers 2 und Aufrechterhaltung der MTZ 10 als eine scharte Trennlinie zwischen den dritten und vierten Zonen 8, 12. Diese Zonen 6, 10 werden stabilisiert und aufrechterhalten durch Durchleitung bestimmter Mengen an Produktsauerstoffgas in Gegenstromrichtung durch den Adsorber 2.
Einige Anwendungen bedürfen jedoch einer geringeren Konzentration an Produktsauerstoffgas. Die Steuerung der Vorrichtung zur Produktion eines Produktsauerstoffgases, das eine gewünschte und spezifische Konzentration und Durchflussrate aufweist, wobei diese Charakteristiken unabhängig voneinander sind, ist ein Ziel dieser Erfindung.
Ein bisheriger Vorschlag zur Änderung der gewünschten Konzentration des Sauerstoffs im Produktgas ist die Untermischung von Umgebungsluft aus dem Einlassstrom in das hochkonzentrierte Sauerstoffprodukt. Solch ein Vorschlag hat eine Vielzahl nachteiliger Effekte. Ein nachteiliger Effekt ist, dass die Konzentration des Produktsauerstoffgas vom Fluss der Gasmischung abhängig ist. Daher ist, wenn der Fluss der Gasmischung gestört wird, auch die Konzentration des Produktgases betroffen. Ein weiterer nachteiliger Effekt ist, dass die untergemischte Luft möglicherweise „nass" ist und unerwünschte Kondensation im Produktsauerstoffgas verursachen kann.
Ein weiterer bisheriger Vorschlag ist das „Überabziehen" (overdraw) der Druckwechseladsorptionsvorrichtung durch Absaugen des Produktsauerstoffgases mit einer hohen Durchflussrate. Eine hohe Durchflussrate bewegt und erweitert jedoch die erste Zone 6, zweite Zone 8, und MTZ 10. Insbesondere die MTZ 10 bewegt und erweitert sich durch und über das Anschlussende 14 des Adsorbers hinaus, wie in 1B gezeigt. Wenn das passiert, wird das Produktsauerstoffgas in einer unbekannten und unsteuerbaren niedrigeren Konzentration abgezogen. Das „Überabziehen" weist auch eine Anzahl nachteiliger Effekte auf. Erstens wird die Effizienz der Vorrichtung beeinträchtigt, weil es schwierig ist, die Wasserzone 6 und die MTZ 10 zu stabilisieren. Zweitens ist es schwierig, die MTZ 10 zu steuern, wenn die MTZ 10 sich am Anschlussende 14 befindet, was es im Gegenzug schwierig macht, die Konzentrationsspanne des erzeugten Produktsauerstoffgases zu steuern, wie in 1C gezeigt. Drittens ist es schwierig, bestimmte Konzentrationen zu duplizieren. Zuletzt sind Strömungsrate und Konzentration des Produktgases an sich voneinander abhängig, da die Strömungsrate das Konzentrationslevel des Produktgases steuert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Druckwechseladsorptionsvorrichtung nach Anspruch 1 beansprucht und eine Methode zur selektiven Änderung der relativen Konzentrationen einer Gasmischung nach Anspruch 8, bereitgestellt. Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Patentansprüchen offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung eliminiert die beschriebenen nachteiligen Effekte, durch die Bereitstellung einer neuen und verbesserten Druckwechseladsorptionsvorrichtung (Sauerstoffkonzentrator), die derart eingestellt werden kann, dass verschiedene gewünschte Konzentrationen und Strömungsraten von Produktsauerstoffgas erzielt werden, wobei Strömungsrate und Konzentration unabhängig voneinander gesteuert werden. Dieses wird erreicht durch die Bereitstellung variabler Steuerungsmittel in der Vorrichtung, die, unabhängig von der Strömungsrate, die Durchleitung einer variablen Menge an Produktgas durch die Adsorber in Gegenstromrichtung steuern, um eine gewünschte Konzentration des Produktgases innerhalb eines Bereichs verfügbarer Konzentrationen herzustellen. Wenn die gewünschte Konzentration an Produktgas einmal unabhängig erreicht ist, ist die Vorrichtung in der Lage, die Strömungsrate des Produktgases unabhängig von der Konzentration des Produktgases zu steuern.
Dieses und andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist ein Graph der Konzentration von N₂ in Luft, während sie durch einen Adsorber strömt, der gestaltet ist, um ein hochkonzentriertes Produktgas zu erzeugen. (Stand der Technik)
1B ist ein Graph der Konzentration von N₂ in Luft, während sie durch einen Adsorber strömt, der gestaltet ist, um ein niedriger konzentriertes Produktgas zu erzeugen. (Stand der Technik)
1C ist ein Graph der Konzentrationsspanne des Produktgases, das von einem Adsorber, wie in 1B dargestellt, erzeugt wurde. (Stand der Technik)
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Strömungsverbindungen und Wirkbestandteile eines Sauerstoffkonzentrators gemäß dieser Erfindung verdeutlicht.
3 ist eine Vorderansicht eines Sauerstoffkonzentrators, der die Verbindungen und Bestandteile der 2 beinhaltet.
4 ist ein Graph der Konzentration von N₂ in der gasförmigen Mischung während sie durch einen Adsorber strömt, der gestaltet ist, um verschiedene gewünschte Konzentrationen von Produktgas herzustellen.
5 ist ein Graph des resultierenden Konzentrationsbereichs des Produktgases aus einem Adsorber wie in 2 gezeigt, im Bezug auf den in 1C gezeigten Graph.
6 ist ein Schema des elektrischen Systems des Sauerstoffkonzentrators aus 2.
Detaillierte Beschreibung der geschilderten Ausführungsform
Sich nun den Zeichnungen zuwendend und zuerst unter Beachtung der 2 und 3, wird eine allgemein mit 20 bezeichnete Ausführungsform einer Druckwechseladsorptionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Abspaltung bzw. Fraktionierung zumindest einer Komponente oder eines Bestandteils aus einer gasförmigen Mischung durch Druckwechseladsorption gezeigt. Mit Bezug auf 2 wird die gasförmige Mischung in die Vorrichtung 20 mittels einer Zusammenstellung von Arbeitsbauteilen 30 eingeleitet. Die Bauteile 30 empfangen zunächst einen Einspeisungsgasstrom in einen Eingang 22 eines Einlassresonators 58, um den Lärm des Einströmens des Einspeisungsstroms zu dämpfen. Der Einspeisungsstrom strömt weiter durch den Resonatorauslass 23 und wird mittels einer Pumpen- oder Kompressoranordnung 24 durch Rohrleitungen 106 bewegt. Die Kompressoranordnung 24, die den Kompressor 110 und den Wärmetauscher 108 beinhaltet, bewegt den Einspeisungsstrom durch die Rohrleitungsanordnung 107 zu einem Ventilblock 64, und insbesondere zu einem ersten Zulaufventil 116.
Von dem Zulaufventil 116 und durch Rohrleitungen 128, tritt der Einspeisungsstrom in den Einlass 82a eines ersten Adsorbers 62 in Vorwärtsströmungsrichtung (Gleichstromrichtung, co-current) ein. Während er sich im Adsorber befindet, wird der Einspeisungsstrom in die gewünschte Konzentration des Produktgases fraktioniert. Das Produktgas strömt dann weiter durch den Auslass 84a des ersten Adsorbers 62 in die Anordnung der Produktverteilungsleitungen 66.
Während es sich in den der Produktverteilungsleitungen 66 befindet, wird das Produktgas gesteuert in drei Richtungen geleitet. Die erste Richtung ist durch die T-Verbindung 140 und die Rohrleitung 138 zum Druckausgleichsventil 136. Die zweite Richtung ist durch die T-Verbindung 140 und die Rohrleitung 148 zur Reinigungsöffnung 144. Die letzte Richtung ist durch die T-Verbindungen 140 und 160 und Rohrleitungen 138 und 158 zum zweiten Reinigungskreislauf 156, insbesondere zu einem herkömmlichen Konzentrations ventil 93. Falls die Reinigungsöffnung 144 offen ist und das Konzentrationsventil 93 geschlossen ist, wird die Konzentration des Produktgases hoch sein, wie in 1A gezeigt. In der vorliegenden Erfindung sind die Reinigungsöffnung 144 und das Konzentrationsventil 93 offen und steuern zusammen unabhängig die Konzentration des Produktgases. Insbesondere steuern die Öffnung 144 und das Ventil 93 die Position des MTZ 10 (mögliche Positionen umfassen die Linien 10a, 10b und 10c und Variationen dazwischen, wie durch Pfeile 164 gezeigt) und den Wasserbereich 6 des zweiten Adsorbers 60, wie in 4 gezeigt, und die Konzentrationsspanne des Produktgases, wie in 5 gezeigt.
Zurückkehrend zu 2, strömt ein geringer Teil des Produktgases weiter durch die Reinigungsöffnungen 144, 146, und die T-Verbindungen 150, 142, dieser und das Produktgas, das durch das Ventil 93 und T-Verbindungen 162, 142 strömt, werden in Gegenstromrichtung durch einen Auslass 84b und einen Einlass 82b eines zweiten Adsorbers 60 geleitet. Das Gegenstromproduktgas reinigt den Adsorber 60 und strömt dann mit dem gereinigten Stickstoff durch die Rohrleitung 130 zum Ventilblock 64, insbesondere durch das Ausströmventil 122 und den Abgasschalldämpfer 126 und strömt dann wie gezeigt aus. Der andere, oder verwendbare Teil des Produktgases, der weiter durch die Reinigungsöffnung 144 strömt, wird durch die T-Verbindung 150 zur Strömungssteuerungsanordnung 68 geleitet.
Innerhalb der Strömungssteuerungsanordnung 68 befinden sich ein Mischtank 154, ein Testblockbauteil 169, ein Druckregler 170, ein herkömmliches Strömungssteuerungsventil 92, Rückschlagventile 190a, b, ein herkömmlicher Bakterienfilter 198 und Auslassverbinder 100. Der Mischtank 154 empfängt das Produktgas durch die Rohrleitung 152 und die T-Verbindung 150, um das Gas auf die gewünschte Konzentration zu mitteln. Ist das Gas einmal im Mischtank 154, wird das Produktgas durch die Rohrleitungen 167 geleitet und durch den Druckregler 170 überwacht, bis es das Strömungssteuerungsventil 92 erreicht. Die Produktgasströmungsrate wird unabhängig durch das Strö mungssteuerungsventil 92 gesteuert, um weiter durch die Rohrleitungen 172 und das Rückschlagventil 190a zum Auslassverbinder 100 geleitet zu werden. Wenn der Adsorber 62 gesättigt und der Adsorber 60 gereinigt ist, wird der obige Prozess umgekehrt, und der Adsorber 60 wird verwendet, um Produktgas mit konzentriertem Sauerstoff herzustellen. Der umgekehrte Prozess ist der selbe wie der oben beschriebene, mit drei Ausnahmen. Der erste Unterschied ist, dass der Einspeisestrom aus der Pumpe 24 zum Zulaufventil 118 des Adsorbers 60 geleitet wird. Der zweite Unterschied ist, dass die Reinigungsöffnung 144 durch Reinigungsöffnung 146 ersetzt wird. Der letzte Unterschied ist, dass das Ausströmventil 122 durch das Ausströmventil 120 ersetzt wird. So strömt ein Teil des Produktgases aus dem Adsorber 60 durch die Reinigungsöffnung 146 zur Anordnung 68 und der Rest fliesst in Gegenstromrichtung durch das Ventil 136 und den zweiten Kreislauf 156, um Stickstoff durch das Ventil 120 und den Schalldämpfer 126 zu reinigen. Die Zulaufventile 116, 118, und Ausströmventile 120, 122 sind paarige Magnetventile. In jeder Paarung ist eines geschlossen und das andere ist offen, abhängig von der Richtung des Gasstroms durch die jeweiligen Adsorber 60, 62.
Wie nachstehend deutlich werden wird, werden die Vorrichtung 20 und die Bauteile 30 spezifisch beschrieben und verdeutlicht in Bezug auf die Anwendung der Druckwechseladsorption zur Fraktionierung von Luft zur Gewinnung eines sauerstoffreichen Gasstroms. Daher besteht der in die Vorrichtung eingeleitete Einlassstrom aus komprimierter atmosphärischer Luft. Obgleich die vorliegende Beschreibung auf die Herstellung einer gewünschten Konzentration von Sauerstoffproduktgas beschränkt ist, ist es deutlich, dass fähige Fachleute diese Druckwechseladsorptionsvorrichtung ebenso verwenden könnten, um andere Gase herzustellen.
Der Sauerstoffkonzentrator 20 wie in 3 gezeigt, weist eine Basis 26 auf, die ein schützendes Gehäuse 28 trägt, welches eine Kabinenanordnung 34 mit einer abnehmbaren Rückwand (nicht gezeigt), einer abnehmbaren Vorderwand 38, einer abnehmbaren linken Seitenwand 40, und einer abnehmbaren rechten Seitenwand 42 definiert. Die Basis 26 umfasst eine befestigte zentrale Stützstruktur, die eine Rückwand zur Anbringung von Bauteilen 30 an die Stützstruktur bildet. Ein befestigtes oberes Frontpaneel 48 trägt eine Schalttafel 50. Die Arbeitsbauteile 30 auf der Vorderseite des Konzentrators 20 umfassen den Einlassresonator 58, die Kompressoranordnung 24, die Schalttafel 50, das Paar Adsorber 60, 62, und die Produktströmungssteueranordnung 68. Die Arbeitsbauteile 30 auf der Rückseite des Konzentrators umfasst das Paar Adsorber 60, 62, den Ventilblock 64, Produktströmungssteueranordnung 68, die Anordnung der Produktverteilungsleitungen 66, und eine Platine 70. Die Funktion der Bauteile 30 werden nachfolgend beschrieben. Jeder Adsorber 60, 62 umfasst ein im Wesentlichen längliches Behältnis, das an der Stützstruktur befestigt ist und einen inneren Hohlraum aufweist, der hauptsächlich mit einem Bett aus Adsorptionsmaterial gefüllt ist, das derart angepasst ist, dass es Stickstoff aus durchgeleiteter Luft adsorbiert. Weiterhin umfasst jeder Adsorber 62 oder 60 einen Einlass 82a oder 82b und einen Auslass 84a oder 84b, angrenzend an das jeweils obere und untere Ende des entsprechenden Adsorberbehältnisses 80a oder 80b. Der Einlass und Auslass jedes Adsorbers 60 oder 62 stehen miteinander in Strömungsverbindung durch das Bett aus Adsorbtionsmaterial. Dadurch wird Luft, die in jeden Adsorbereinlass 82a oder 82b geleitet wird dem Adsorbtionsmaterial ausgesetzt, wodurch Stickstoff in der Luft adsorbiert wird, und das entstehende, mit Sauerstoff angereicherte Produktgas, verlässt dann den entsprechenden Adsorber durch Auslass 84a oder 84b
Die Adsorptionsbetten der Adsorber 60, 62 können aus einer Anzahl verschiedener adsorbierender Materialien bestehen, wie z.B. einem Molekularsiebmaterial, das bekannt ist als Natrium-Aluminasilikat („Salzglasur", sodium alumina silicate). Charakteristischerweise adsorbiert das adsorbierende Material Stickstoff aus der Luft, die durch den entsprechenden Adsorber 60 oder 62 vom Einlass 82b oder 82a zum Auslass 84b oder 84a geleitet wird, sodass das Produktsauerstoffgas, das den Adsorberauslass 84b oder 84a verlässt, eine gewünschte Konzentration von Sauerstoffgas aufweist. Weiterhin entlässt das adsorbierende Material seinen adsorbierten Stickstoff wenn ein Reinigungsgas in Gegenstromrichtung durch den Adsorber 60 oder 62 hindurch tritt, um das adsorbierende Material zu regenerieren. Nur einer der Adsorber 60 oder 62 führt zu einer gegebenen Zeit die Adsorption aus, während der andere Adsorber 60 oder 62 einer Regeneration unterzogen wird. Um die Effizienz der Regeneration zu steigern, wird ein Teil des Produktgases, das durch den Adsorber 60 oder 62 erzeugt wurde, der die Adsorption durchführt, verwendet, um den Adsorber zu reinigen, der einer Regeneration unterzogen wird.
Ein herkömmliches Gebläse 63, das schematisch in 6 dargestellt ist, befindet sich direkt hinter der Kompressoranordnung 24, um Luft durch eine in der Rückwand befindliche Belüftungsöffnung (nicht gezeigt) in die Vorrichtung 20 zu befördern. Die Luft zirkuliert durch die Vorrichtung 20, um die Bauteile 30 zu kühlen, und ein Teil dieser Luft wird in den Einlass 22 des Einlassresonators 58 befördert.
Die Schalttafel 50, wie in 3 gezeigt, umfasst Schaltinstrumente 90, wie z.B. ein herkömmliches Strömungssteuerungsventil 92 und ein herkömmliches Konzentrationsventil 93 (wie z.B. ein Essex Ventil, Modell Nr. FM023-1 mit Variationen der Größe der Öffnungen), einen Zeitmesser 94, einen Trennschalter 96, einen Ein/Aus-Schalter 98, einen Auslassverbinder 100 und einen zusätzlichen Sauerstoffanschluss 102. Diese Schalttafelinstrumente werden nachstehend beschrieben.
Viele dieser Schalttafelinstrumente 90 und Arbeitsbauteile 30 sind elektrisch mit der Platine 70 verbunden. Die Platine 70, wie sie in 6 gezeigt und nachstehend beschrieben wird, ist mit isolierten Abstandshaltern an der Stützstruktur befestigt.
Die Anordnung der Produktverteilungsleitungen 66, gezeigt in 2, umfasst das Druckausgleichsventil 136, Rohrleitungen 138, 148, 158, Reinigungsöffnungen 144, 146, T-Verbindungen 140, 142, 150, 160, 162, und das Konzentrationsventil 93.
Die Produktströmungssteueranordnung 68 umfasst die Rohrleitungen 152, 167, 172, den Mischtank 154, das Testblockbauteil 169, den Druckregler 170, das Strömungssteuerungsventil 92, die Rückschlagventile 190a und 190b, und den Auslassanschluss 100.
Wie oben erwähnt, beginnt der Betrieb der Vorrichtung 20, wenn der Einlassresonator 58 Luft durch den Einlass 22 erhält. Der Resonator 58 ist mit der Kompressoranordnung 24 mittels der Rohrleitungsverbindung 106 verbunden.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die Kompressoranordnung 24 herkömmliche Bauteile wie einen Wärmetauscher 108, Kompressor 110, ein Ablassventil 112 und einen Hochdruckschalter 124. Ventil 112 ist im Betrieb mit dem Kompressor 110 mittels Rohrleitung 106 verbunden. Im Betrieb beschränkt das Ventil 112 den Druck der Luft, mit der der Kompressor 110 versorgt wird, auf einen vorbestimmten Druck. In ähnlicher Weise ist der Hochdruckschalter 124 im Betrieb mit dem Wärmetauscher 108 verbunden, um den Druck des Einspeisestroms in vorbestimmten Grenzen zu beschränken. Der Hochdruckschalter 124 ist ein herkömmlicher Schalter, der hohen Druck innerhalb des Ventilblocks 64 anzeigt. Die Anzeige kann entweder akustisch, visuell oder sogar beides sein. Die visuelle Anzeige wird normalerweise durch herkömmliche LED-Geräte 132, wie sie auf der Platine 70 zu finden sind, stattfinden. (6).
Der Ventilblock 64 ist ein ganzheitliches Ventil- und Portierungssystem, das die ordnungsgemäße Funktion einiger Geräte sicherstellt. Diese Geräte umfassen das Paar Zulaufventile 116, 118, das Paar Ablassventile 120, 122, und den Abgasschalldämpfer 126. Die Zulaufventile 116,118 sind zwischen dem Wärmetauscher 108 und den Adsorbereinlässen 82a, 82b verbunden. In dieser Verbindung erstrecken sich zwei Abschnitte der Rohrleitung 128, 130 in passender Weise vom Ventilblock 64 zu den Adsorbereinlässen 82a und 82b.
Die Auslassventile 120 und 122 sind mit den Adsorbereinlässen 82a, 82b verbunden und leiten gereinigtes Gas und gereinigten Stickstoff in Gegenstrom richtung durch die Leitungen 128, 130 zum Auslassschalldämpfer 126 und dann zur Entlassung in die Atmosphäre durch den Auslassschalldämpfer 126. Geräusche, die normalerweise mit der Entlassung eines unter Druck stehenden Gasstroms in die Atmosphäre verbunden sind, werden durch den Auslassschalldämpfer 126 gedämpft.
Die Produktverteilungsleitungen 66 empfangen das Produktgas von den Auslässen 84b, 84a der Adsorber 60 und 62 und beinhalten ein Produkt- und Druckausgleichsventil 136, um den inneren Druck der Adsorber 60 und 62 zwischen Produktherstellungs- und Regenrationszyklen auszugleichen. Das Produktdruckausgleichsventil 136 ist betriebsmäßig mit den Adsorberauslässen 84a und 84b mittels der Rohrleitungen 138 und T-Verbindungen 140 und 142 verbunden. Durch Öffnen des Ventils 136 werden die Adsorberbehältnisse 80a, 80b durch die Adsorberauslässe 84a, 84b in einer Weise verbunden, die es gestattet, dass sich der Innendruck der Adsorber 60 und 62 ausgleicht. Durch das Schliessen des Ventils 136 wird der Fluss gasförmiger Produkte zwischen den Adsorberauslässen 84a und 84b durch das Ventil 136 verhindert.
Weiterhin, und mit Bezug auf 2, ist ein Paar Reinigungsöffnungen 144, 146 in Gleichstromschaltung (Parallelströmungsbeziehung) zu dem Produktdruckausgleichsventil 136 verbunden, mittels des Rohrleitungsabschnitts 148 zwischen den T-Verbindungen 140 und 142 und einer dritten T-Verbindung 150. Im Betrieb begrenzen die Zumessöffnungen bzw. Öffnungen 144, 146 den Reinigungsfluss des Produktsauerstoffgases, das in Gegenstromrichtung durch die Adsorber 60, 62 strömt, um die optimale, hohe Konzentration an Produktsauerstoffgas zu erreichen. Die Öffnungen 144, 146 dämpfen auch, nur in Verbindung mit dem Konzentrationsventil 93, die Schwankungen des Produktsauerstoffgasdrucks, wie in 5 gezeigt, die durch die T-Verbindung 150 weitergeleitet werden zur Rohrleitung 152, die mit einem Mischtank 154 verbunden ist.
Neben dem Ausgleich des Innendrucks der Adsorber 60 und 62, wird gemäß der Erfindung ein zweiter Reinigungskreislauf 156 beschrieben, der einen Abschnitt der Reinigungsleitung 158 beinhaltet, der in Gleichstromrichtung in Bezug auf das Produktdruckausgleichsventil 136 und die Reinigungsöffnungen 144, 146 mittels der T-Verbindungen 160, 162 mit der Rohrleitung 138 verbunden ist. Verbunden mit der Reinigungsleitung 158 ist das Konzentrationsventil 93. Das Ventil 93 beinhaltet eine Vielzahl an Öffnungen, die von einer minimalen Strömungsrate bis hin zu einer maximalen Strömungsrate reichen, welche geändert werden kann, um verschiedene gewünschte Konzentrationen des Produktgases zu erhalten. In unten gezeigter Tabelle 1 stellen die Symbole A-G die verschiedenen Öffnungsgrößen dar, die verschiedene Mengen an Produktgas innerhalb des Reinigungskreislaufs 156 bereitstellen, wobei A das Minimum und G das Maximum ist.
Während eines Regenerationsvorgangs eines der Adsorber 60, 62, ist das Ventil 93 manuell, oder, falls gewünscht, automatisch, derart eingestellt, dass es einer gewissen Menge an Produktsauerstoffgas ermöglicht, sich zwischen den Auslässen 84a, 84b der Adsorber 60, 62 zu bewegen. Wenn sich die Menge des durch das Konzentrationsventil 93 strömenden Produktsauerstoffgases erhöht, breitet sich die MTZ 10 des Adsorbers durch das Bett aus Adsorptionsmaterial 2 wie in 4 gezeigt bis zur Linie 10c in steuerbarer Weise aus, während es gleichzeitig den Wasserbereich 6 stabilisiert. In anderen Worten, wenn sich die Menge an Produktgas, die durch das Ventil 93 strömt, verringert, wird die MTZ 10 des Adsorbers schärfer (wie bei Linie 10a gezeigt), ähnlich aber nicht gleich dem 95%igen Sauerstoffstrom, der in 1A dargestellt ist.
Daher ist die MTZ 10 des Adsorbers 60 steuerbar, wie durch die Pfeile 164 gezeigt, um ein resultierendes Produktsauerstoffgas einer gewünschten Konzentration aus einer Reihe verfügbarer Konzentrationen zu erzeugen. Das resultierende Produktsauerstoffgas weist durch die Verringerung der Druckschwankungen des Gases eine handhab- und steuerbare Konzentrations spanne auf (wie in 5 dargestellt), die zusätzlich durch die anschließend beschriebene Produktströmungssteueranordnung 68 gesteuert werden kann.
Wenn das Produktsauerstoffgas die Produktverteilungsleitungen 66 wie in 2 verlässt, tritt das Produktgas in die Produktströmungssteueranordnung 68 durch den Mischtank 154 ein, um die Konzentration des Produktgases zu mitteln. Weiterhin kann der Mischtank 154 ein adsorbierendes Material enthalten, zum Beispiel dasjenige, das in den Adsorbern 60, 62 enthalten ist, um sicherzustellen, dass der Stickstoff im Produktgas gemittelt ist.
Der Rest der Produktströmungssteueranordnung 68 ist mit dem Mischtank 154 mittels der Leitung 167 verbunden, um das dort hindurch fließende Produktsauerstoffgas aufzunehmen. Die Produktströmungssteueranordnung 68 umfasst das Strömungssteuerungsventil 92, den Druckregler 170, der eine gewünschte Konzentrationsspanne aufrechterhält, und ein Testblockbauteil 169, wie in 6 gezeigt. Das Testblockbauteil 169 weist einen Niederdruckschalter 168 und einen Hochdruckschalter 124 auf, um den Druck des Produktsauerstoffgases an vorbestimmten Stellen in der Rohrleitung 167 abzufühlen. Die Schalter 168 und 124 sind mit der Schalttafel 50 verbunden.
Die Ventile 92 und 93 umfassen jeweils verschiedene Öffnungsgrößen. Diese Öffnungsgrößen können manuell eingestellt werden (oder automatisch, falls gewünscht), um den Fluss des Produktsauerstoffgases zu steuern, oder um die gewünschte Konzentration an Produktsauerstoffgas zu erreichen, die sich in Bezug auf das Konzentrationsventil 93 im Bereich von ca. 95,5% Sauerstoff bis ca. 21% Sauerstoff bewegt, vorzugsweise in den in 1 dargestellten Bereichen.
Tabelle 1
Angebracht an der Austritts- oder Stromabwärtsseite des Strömungssteuerungsventils 92 ist ein Rohrleitungsabschnitt 172, der mit einem Auslassverbinder 100 an der Schalttafel verbunden ist, durch den das Gas den Konzentrator 20 verlässt.
Der Arbeitsablauf des Sauerstoffkonzentrators 20 kann im Kurzen durch eine Beschreibung der Ablaufreihenfolge der Ventile des Konzentrators 20 beschrieben werden, wie in 2 und 6 dargestellt.
Beim Start des Konzentrators 20 sind die Ventile 116, 118, 120, 122 und 136 geöffnet, um den Staudruck zu eliminieren, und werden dann mittels eines Zeitschaltmechanismus aus herkömmlichen Schaltern und Relaisschaltern geschlossen, die auf die Platine gedruckt sind. Die Einspeisungsluft, die in den Konzentrator 20 durch den Einlass 22 eintritt, wird daher durch den Adsorber 62 von seinem Einlass 82a zu seinem Auslass 84a in Strömungsrichtung geleitet. Eine Menge des vom Adsorberauslass 84a abgegebenen Sauerstoffs, die von der gewählten Öffnungsgröße des Konzentratorventils 93 abhängt, wird in Strömungsrichtung durch Ventil 93 und teilweise in Gegenstromrichtung durch die Öffnungen 144, 146, durch den Adsorber 60 von dessen Auslass 84b zu dessen Einlass 82b, und durch das Auslassventil 122, das durch den Zeitschaltmechanismus geöffnet wird, geleitet. Der Rest des resultierenden Produktgases der gewünschten Sauerstoffkonzentration wird in den Mischtank 154 eingeleitet.
Der Arbeitsablauf geht weiter, bis der Adsorber 62 mit Stickstoff so gut wie gesättigt ist. Die Bestimmung, wann der Adsorber so gut wie gesättigt ist, wurde vorbestimmt und gesteuert durch den Zeitschaltmechanismus, der die verschiedenen Ventile 116, 118, 120, 122 und 136 steuert. Wenn dies am Adsorber 62 geschieht, werden das Zulaufventil 116, das Ablassventil 122 geschlossen und das Druckausgleichsventil 136 wird geöffnet um zu ermöglichen, dass sich die Innendrücke der Adsorber 60, 62 angleichen. Wenn die Adsorberdrücke angeglichen sind, wird das Druckausgleichsventil 136 geschlossen, und das Zulaufventil 118 für den Adsorber 60 und das Ablassventil 120 für den Adsorber 62 werden geöffnet. Die Einspeisungsluft, die in den Konzentrator 20 durch den Einlass 22 eintritt, wird daher durch den Adsorber 60 von seinem Einlass 82b zu seinem Auslass 84b in Strömungsrichtung geleitet. Gleichermaßen wird eine Menge des vom Adsorberauslass 84b abgegebenen Sauerstoffs, die von der gewählten Öffnungsgröße des Konzentrationsventils 93 abhängt, in Gegenstromrichtung durch Ventil 93 und durch die Öffnungen 144, 146, durch den Adsorber 62 von dessen Auslass 84a zu dessen Einlass 82a, und durch das Auslassventil 122 geleitet. Das resultierende Produktsauerstoffgas weist eine gewünschte Konzentration im Übereinstimmung mit der Einstellung des Ventils 93 auf.
Wenn der Adsorber 60 so gut wie gesättigt und gereinigt ist, werden das Zulaufventil 118 und das Ablassventil 120 geschlossen und das Druckausgleichsventil 136 wird geöffnet um zu ermöglichen, dass sich der Innendruck der Adsorber 60, 62 angleicht. An diesem Punkt werden die Arbeitsablaufzyklen mit dem Schließen des Druckausgleichsventils 136 und dem Wiederöffnen des Zulaufventils 116 und des Ablassventils 122 wiederholt. Es ergibt sich, dass während ein Adsorber sauerstoffreiches Produktgas in einem produktherstellenden Zyklus produziert, der andere Adsorber im Regenerationsbetrieb von den adsorbierten Gasen gereinigt wird, und umgekehrt.
Jedes der zuvor genannten Zulauf-, Ablass- und Druckausgleichsventile ist vorzugsweise vom Typ Magnetventil, das auf das An- oder Abschalten von Energie an das Ventil anspricht. Die Steuerung der verschiedenen produktherstellenden und regenerierenden Arbeitsabläufe wird durch die geeignete Abfolge des Öffnens und Schliessens der Zulauf-, Ablass- und Druckausgleichsventile durchgeführt. Im Konzentrator 20 wird die Steuerung dieser Ventile durch Zeitschaltmechanismen aus herkömmlichen Schaltern und Relais erreicht, die auf die Platine 70 gedruckt sind. Der Zeitschaltmechanismus ist im Betrieb mit den Ventilen verbunden, um die Ventile am Ende einer vorbestimmten zeitlichen Periode an- oder abzuschalten. Daher werden die produktherstellenden und regenerierenden Arbeitsabläufe im Konzentrator 20 automatisch durch die automatische Steuerung derjenigen Zeitdauer gesteuert, die jedes Zulauf-, Ablauf- und Druckausgleichsventil geöffnet und geschlossen ist.
Wie in 6 gezeigt, steuert der auf der Platine 70 gedruckte Zeitschaltmechanismus diese zahlreichen Ventile mittels herkömmlicher Schaltkreise, und durch dem Fachmann bekannte Schalter. Die Platine 70 ist ebenfalls mit einer Batterieeinheit 173 und einem Summer 174 verbunden, ebenso wie LED-Anzeigegeräte 132. Der Summer 174 ist mit den Schaltern 124, 168 verbunden. Energie wird im allgemeinen durch eine elektrische Verbindung zugeführt, wie beispielsweise einen elektrischen Stecker 176 und eine sekundäre externe Stromquelle 177. Stecker 176 und Quelle 177 sind wie gezeigt mittels Verbinder 179 verbunden. Der Strom wird über einen Trennschalter 96 und Hauptschalter 98 der Platine 70 zugeführt. Die Platine 70 lenkt und steuert dann die Ventile 116, 118, 120, 122, und 136, Schalttafelgeräte 90, die Kompressoranordnung 24 mit einem in Reihe geschaltetem Hochtemperaturschalter 112, und das Luftumwälzungsgebläse. In einem Notfall besitzt die Vorrichtung 20 die Batterieeinheit 173, welche elektrisch mit der Platine 70 verbunden ist. Wenn die Batterieeinheit 173 im Einsatz ist, warnt der Summer den Benutzer.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die elektrischen Schaltkreise mit einem herkömmlichen Modemsystem (nicht gezeigt) verbunden sein, welches die Betriebsablaufzeiten und -einstellungen feststellt und es einem Verwalter ermöglicht, die Stellungen der Ventile 116, 118, 120, 122 und wahlweise die Stellungen der Ventile 92 und 93 zu steuern, falls diese Ventile mit der Platine 70 verbunden sind.
Das Gehäuse 28 kann aus herkömmlichen schalldichten Materialien hergestellt sein, und aus Gründen der Bewegbarkeit kann die Basis 26 Räder 178, 180 aufweisen, wie in 3 und 4 gezeigt.
Es ist verständlich dass zahlreiche Veränderungen und Ersetzungen an der beschriebenen Ausführungsform gemacht werden können, ohne vom Sinn der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist die beschriebene Ausführungsform zum Zwecke der Erläuterung und nicht als Einschränkung vorgesehen.

Claims

Druckwechseladsorptionsvorrichtung zur selektiven Änderung der relativen Konzentrationen von Gasbestandteilen (einem Bestandteil bildenden Gasen) in einer Gasmischung von zwei oder mehr Gasbestanteilen, wobei folgendes vorgesehen ist: a) Mindestens ein Paar von Adsorbern (60, 62), wobei jeder Adsorber ein Ende (82a, 82b) zur Aufnahme der Gasmischung und zur Bewegung der Gasmischung durch den Adsorber in einer Gleichstrom-Richtung zu einem anderen Ende (84a, 84b) des Adsorbers aufweist, wobei jeder Adsorber eine Vielzahl von Gastransfer- oder Übertragungszonen (6, 8, 10) definiert, und zwar einschließlich einer Massentransferzone (10) zum Adsorbieren von mindestens einem substantiellen Teil des einen Gasbestandteils in der Gasmischung, um ein Produkt- oder Erzeugnisgas zu erzeugen, und Abgabe des Produktgases durch das andere Ende (84a, 84b); b) Ventilmittel (116, 118) zum Leiten der Gasmischung in der Gleichstrom-Richtung alternativ zu jedem der Adsorber-Aufnahmeenden (82a, 82b); c) eine Strömungsraten- oder Geschwindigkeitssteuervorrichtung (92) zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsrate des Produktgases; d) eine Strömungssteueranordnung (68) strömungsmittelmäßig gekuppelt mit den anderen Enden (84a, 84b) der Adsorber zur Aufnahme als einer Ausgangsgröße eines Teils des Produktgases abgegeben in der Gleichstrom-Richtung von jedem der anderen Enden (84a, 84b) der Adsorber (60, 62) und e) Reinigungs- bzw. Spülungsmittel (144, 146), welche die anderen Enden (84a, 84b) der Adsorber (60, 62) verbinden zur Leitung eines vorbestimmten Teils des in der Gleichstrom- Richtung von einem Adsorber (60, 62) fließenden Produktgases zur Strömung durch den anderen Adsorber (60, 62), und zwar in einer Gegen stromrichtung, von dem anderen Ende (84a, 84b) zu dem einen Ende (82a, 82b) des anderen Adsorbers (60, 62) zum Reinigen bzw. Spülen und Ausstoßen durch das eine Ende (82a, 82b) des anderen Adsorbers (60, 62) einer hinreichenden Menge des einen Gasbestandteils adsorbiert durch den anderen Adsorber (60, 62); wobei die Verbesserung gekennzeichnet ist durch: f) eine Gaskonzentrationsteuervorrichtung (156, 93) getrennt von der Strömungsratensteuervorrichtung (92), wobei die Gaskonzentrationssteuervorrichtung strömungsmittelmäßig verbunden ist mit den Adsorbern (60, 62) zum selektiven Ändern der Konzentrationen des Gasbestandteils in dem Teil des Produktgases geliefert an die Strömungssteueranordnung (68) zum selektiven Ablenken, zusätzlich zu dem vorbestimmten Teil von variablen Mengen des Produktgases, abgegeben von dem einen Adsorber (60, 62), und zwar zur Strömung durch den anderen Adsorber (60, 62) in der Gegenstromrichtung zur Steuerung der Lage von mindestens der Massentransferzone (10) in dem einen Adsorber (60, 62) und zur Erzeugung einer ausgewählten Konzentration aus einer Anzahl von Konzentrationen des anderen Gasbestandteils in dem Produktgas aufgenommen durch die Strömungssteueranordnung (68).
Druckwechseladsorptionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gaskonzentrationsteuervorrichtung (156, 93) Ventilmittel (93) aufweist, die eine Zumessöffnung definieren, und zwar von einer Größe zur Ablenkung der ausgewählten Menge von zusätzlichem Produktgas.
Druckwechseladsorptionsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Gaskonzentrationssteuervorrichtung (156, 93) Mittel aufweist zum Auswählen der Zumessöffnung aus einer Anzahl von Zumessöffnungsgrößen.
Druckwechseladsorptionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaskonzentrationssteuervorrichtung (156, 93) und die Strömungsratensteuervorrichtung (92) selektiv die Konzentration des anderen Gasbestandteils in dem Teil des Produktgases empfangen von den Aufnahmemitteln ändern, und zwar in einem Bereich von ungefähr 95,5 bis ungefähr 21%.
Druckwechseladsorptionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Konzentrationsbereich von ungefähr 77 bis ungefähr 37% geht.
Druckwechseladsorptionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsratensteuervorrichtung (92) eine ausgewählte Strömungsrate des Produktgases in einem Bereich von ungefähr 6 bis ungefähr 15 Liter pro Minute erzeugt.
Druckwechseladsorptionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine der Gastransferzonen (6, 8, 10) von jedem Adsorber (60, 62) eine Wasseradsorptionszone (6) aufweist, um im Wesentlichen jedwedes Wasser in der Gasmischung zu adsorbieren, und wobei die Gaskonzentrationsteuervorrichtung (156, 93) die Wasseradsorptionszone (6) weiter stabilisiert, und/oder wobei der eine Gasbestandteil Stickstoff enthält und der andere Gasbestandteil Sauerstoff enthält.
Verfahren zur selektiven Änderung der relativen Konzentrationen einer Gasmischung, um ein Produktgas mit einer gewünschten Konzentration von einem der Gasbestandteile zu erzeugen, und zwar ausgewählt aus einer Anzahl von unterschiedlichen Konzentrationen des Gasbestandteils im Gasprodukt unter Verwendung einer Druckwechseladsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei folgendes vorgesehen ist: Alternatives oder abwechselndes Bewegen mit einer vorbestimmten Strömungsrate der Gasmischung durch einen der Adsorber zur Erzeu gung des Produktgases durch Adsorption von mindestens einem wesentlichen Teil des anderen Gasbestandteils; Bewegen eines vorbestimmten Teils des Produktgases, erzeugt durch einen der Adsorber durch den anderen Adsorber, um den adsorbierten anderen Gasbestandteil hinreichend zu spülen; Ablenken oder Ableiten eines veränderbaren Teils des Produktgases von dem erwähnten einen Adsorber zusätzlich zu dem vorbestimmten Teil, und zwar zu dem erwähnten anderen Adsorber zur Steuerung unabhängig von der Strömungsrate des Produktgases, die Adsorptionsmenge des anderen Gasbestandteils in dem erwähnten einen Adsorber zur Erzeugung des Produktgases mit der gewünschten Konzentration des anderen Gasbestandteils und Liefern des Ausgleichsbetrags des Produktgases mit der gewünschten Konzentration des anderen Gasbestandteils an Aufnahmemittel (154).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ferner der Schritt des Steuerns der Strömungsrate des gelieferten Produktgases innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Strömungsraten vorgesehen ist, und zwar unabhängig vom Schritt des Ableitens des variablen Teils des Produktgases.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schritt des Ableitens eines variablen Teils des Produktgases den Schritt des Hindurchleitens des abgeleiteten Produktgases durch eine Zumessöffnung aufweist und die Auswahl der Zumessöffnungsgröße zur Ableitung der gewünschten Menge an Produktgas.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 wobei der Schritt des Ableitens des variablen Teils des Produktgases die Konzentration des einen Gasbestandteils in dem brauchbaren Produktgas in einem Bereich von ungefähr 95,5 bis ungefähr 21% erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Konzentrationsbereich des anderen Gasbestandteils im Produktgas von ungefähr 77 bis ungefähr 37% geht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12 wobei die vorbestimmte Strömungsrate innerhalb eines Bereichs von Strömungsraten liegt, der von ungefähr 6 bis ungefähr 50 Liter pro Minute geht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13 wobei jeder Adsorber eine Zone (6) aufweist, um im Wesentlichen jedwedes Wasser in der Gasmischung zu adsorbieren und wobei ferner der Schritt der Steuerung und Stabilisierung der Wasseradsorptionszone des Adsorbers vorgesehen ist.