EP1581330A1 - Verfahren und vorrichtung zur abreicherung von kohlendioxid aus luft - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur abreicherung von kohlendioxid aus luft

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Publication number
EP1581330A1
EP1581330A1 EP03814459A EP03814459A EP1581330A1 EP 1581330 A1 EP1581330 A1 EP 1581330A1 EP 03814459 A EP03814459 A EP 03814459A EP 03814459 A EP03814459 A EP 03814459A EP 1581330 A1 EP1581330 A1 EP 1581330A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
carbon dioxide
membrane
air flow
room unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03814459A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Noack
Jürgen Kunstmann
Christian Gnabs
Norman Bischofberger
Norbert A. Paul
Jörg RATHENOW
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cinvention AG
Original Assignee
Blue Membranes GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Blue Membranes GmbH filed Critical Blue Membranes GmbH
Publication of EP1581330A1 publication Critical patent/EP1581330A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a driving and a directional depletion of carbon dioxide from the air in closed or partially closed room units, optionally with simultaneous oxygenation.
  • the depletion of the CO content can advantageously be combined with further measures to improve the indoor climate, for example with the enrichment of the room air with oxygen and the air conditioning.
  • Usual oxygen enrichment methods for improving the air quality in closed air circuits and rooms or cabins are mostly based on pure oxygen enrichment devices such as pressure swing adsorption systems or hollow fiber membrane modules. Corresponding devices are described, for example, in US Pat. 4,867,766, U.S. 5,890,366, U.S. 6,427,484, U.S. 5,158,584 and U.S. 4,896,514. Some of the above prior art devices provide air conditioning of the oxygen enriched air. Systems have also been proposed (for example DE 195 45 764) which remove carbon dioxide with adsorbers. However, this technology has the disadvantage of simultaneously dehumidifying the air. The consequence is either a very complex regeneration of the adsorber with hot air or vacuum and a separate humidification of the room air, or a disposal of used adsorber cartridges, which makes the corresponding systems uneconomical for most applications.
  • the object of the present invention was therefore to provide a method and an associated device for regulating the carbon dioxide content in closed or partially closed air circuits and rooms or cabins, in particular for depleting the carbon dioxide content, which overcome the disadvantages of the prior art.
  • Another object of the present invention was to provide a method and an associated device for the depletion of carbon dioxide from air in closed or at least partially closed room units, which enables simultaneous enrichment of the air with oxygen.
  • a method for depleting carbon dioxide in the air from a closed or partially closed room unit comprising the following steps:
  • Membrane module with a CO 2 / O selectivity greater than 1;
  • a method for the oxygen enrichment of air with simultaneous depletion of carbon dioxide in a closed or partially closed room unit comprising the following steps:
  • Extracting a first air stream from the room unit Directing the first air stream into a membrane system containing at least one membrane module with a CO 2 / O 2 selectivity of greater than 1; Removal of the carbon dioxide permeated through the membrane;
  • Oxygen enrichment system that generates an oxygen enriched and a nitrogen enriched air flow; Supplying the oxygen-enriched air flow into the room unit; and separate removal of the nitrogen-enriched air stream.
  • a device for the depletion of carbon dioxide in the air from a closed or partially closed room unit comprising:
  • Devices for extracting an air flow from the room unit Devices for introducing the air flow into a membrane system containing at least one membrane module with a CO 2 / O 2 selectivity of greater than 1;
  • a device for oxygen enrichment of air with simultaneous depletion of carbon dioxide in closed or partially closed circuits comprising: devices for removing a first air stream from the room unit;
  • oxygen-enriched and “nitrogen-enriched” each refer to an air composition which has a higher volume percentage of oxygen or nitrogen than natural air.
  • Carbon dioxide enriched or “carbon dioxide depleted” is understood to mean an air composition with an increased or decreased volume percentage of carbon dioxide relative to the starting air composition before treatment in the membrane system.
  • a “membrane module” is understood to mean a suitable geometric arrangement of membrane surfaces in the form of an assembly, the retentate-side or inflow-side and permeate-side or outflow-side regions are separated from one another in terms of flow technology, so that an essentially continuous mass transfer between retentate side or inflow side and permeate side or The outflow side of the membranes essentially only through
  • Permeation through the membrane can take place.
  • the usable in the invention membrane module due to the possible high packing densities of more than lOOOmVm 3, preferably more than 1500 m 2 / m 3 and especially more than 2000m 2 / m 3 advantageously with very small dimensions can be used.
  • a “membrane system” in the sense of the invention is an arrangement of at least one, preferably a plurality of membrane modules, equipped with suitable devices for supplying and extracting air or other gas mixtures to the upstream side of the membranes or membrane modules, and devices for removing permeated gases from the downstream side of the membranes or membrane modules.
  • oxygen enrichment which makes sense from a health and economic point of view primarily depends on a functioning interplay between the
  • the present invention enables both an effective and economical regulation of the CO 2 content in room air, and, in a preferred embodiment, an essentially simultaneous enrichment of oxygen and depletion of carbon dioxide, advantageously with the simultaneous depletion of further odorous substances and a possible regulation of Humidity and temperature.
  • the present invention is based on making use of the higher permeation of CO 2 molecules through certain membranes relative to oxygen. This predominantly kinetic effect enables a highly selective and therefore very economical separation even with very small volume percentages of gases to be separated.
  • such a device or a method is provided for the first time, which can effectively reduce the CO content of the air without an adsorber.
  • the method according to the invention and the device for carbon dioxide depletion can also be combined simply and effectively with other methods of improving the air quality.
  • the combination of an efficient method of oxygen enrichment (or nitrogen depletion) by means of an oxygen enrichment system suitable for this purpose, with the appropriate method of the selective depletion of carbon dioxide according to the invention is particularly advantageous. It has surprisingly been found that the combination of a continuously operating membrane system containing membranes which have a high carbon dioxide selectivity and via which a major amount of carbon dioxide can be discharged from the circuit, for example with a conventional pressure swing adsorption unit or membrane process by which the nitrogen from a Air circuit can be discharged, or the air is enriched with oxygen, is highly effective with low operating costs of the continuously operated device.
  • a (first) air flow is extracted from a room unit by means of suitable devices, for example via a corresponding suction device or a ventilation blower.
  • a room unit in the sense of the invention can be any essentially closed or at least partially delimitable air contingent, for example the air in a room, a building, a (pressure) cabin in a motor vehicle, aircraft, ship or train, a tent , below a mosquito net, with breathing air systems, diving suits,
  • This first air flow taken from the room unit is then passed, for example, via suitably dimensioned and procured pipes, hoses or air channels into a membrane system which has at least one membrane, usually a complete membrane module, consisting of a suitable assembly of membranes with preferably high CO 2 / O 2 -Selectivity led.
  • a membrane system which has at least one membrane, usually a complete membrane module, consisting of a suitable assembly of membranes with preferably high CO 2 / O 2 -Selectivity led.
  • the CO / O 2 selectivity of the membrane module or the membranes contained therein greater than 1, for example 1.1 or 1.5, particularly preferably greater than 2.
  • the CO 2 / O 2 selectivity is understood as the ratio of the relative permeation speeds of CO to O through the membrane, so that a CO / O 2 selectivity of greater than 1 means that carbon dioxide permeates through the membrane faster than Oxygen.
  • a CO 2 / O 2 selectivity greater than 2 means that the permeation rate of carbon dioxide through the membrane is more than twice as high as the permeation rate of oxygen.
  • the CO 2 / O selectivity in the membrane systems which can be used according to the invention is particularly preferably greater than 3, in particular greater than 5.
  • Membrane systems with CO 2 -selective membrane modules which are suitable according to the invention include membranes consisting of carbon membranes, ceramic membranes
  • Membranes plastic membranes, as well as combinations and / or composites of these membranes.
  • Corresponding selective membranes or membrane modules for a membrane system which can be used in the present invention are described, for example, in DE 10 013 457, WO 01/68533, DE 10 051 910, WO 02/32558 and DE 19 849 216 and WO 00/24500.
  • the membranes, membrane systems and membrane modules described there are, in principle, also suitable as membranes and in membrane modules in the membrane system used in the present invention, if appropriate after appropriate modification of the physicochemical properties.
  • membranes or membrane modules made of pyrolytically produced carbon-based material are preferred, such as the materials described in WO 02/32558 and produced by the methods described therein, including the ceramic materials mentioned therein.
  • Transition metal salts by incorporating metals, in particular transition or noble metals, or by coating the membrane surfaces with membrane-active plastic layers.
  • Membranes used according to the invention can, for example, have the following
  • the person skilled in the art will dimension the membrane system accordingly, depending on the total amount of air to be treated, so that there is sufficient membrane area to remove a sufficient amount of carbon dioxide from the first air stream by permeation through the membrane.
  • the combined membrane modules can have identical or different CO 2 / O 2 selectivities, for example the combination of one or more membrane modules with a lower CO / O 2 selectivity for pre-enrichment of CO 2 in the permeate with one or more modules with a CO / O 2 selectivity greater than 1, which may also have different membrane area sizes.
  • carbon dioxide will permeate (permeate) primarily due to its higher permeation rate than oxygen.
  • the non-permeated, now carbon dioxide-depleted remainder of the first air stream that was retained by the membrane is e.g. discharged again via a retentate-side outlet opening of the membrane system and passed back in a circuit via appropriate devices, for example fans or pumps, back into the room unit from which the (first) air stream was removed.
  • the carbon dioxide permeated through the membrane is removed on the permeate side of the membrane / membrane module.
  • Removal can be carried out in one embodiment of the invention by suction or vacuum or vacuum on the permeate side of the membrane system using suitable devices, e.g. Pumps.
  • the permeated carbon dioxide can also be removed by absorption in suitable liquid absorbers such as, for example, organic amines, alcohol amines and the like. Diethanolamine is preferred.
  • suitable liquid absorbers such as, for example, organic amines, alcohol amines and the like. Diethanolamine is preferred.
  • the permeated carbon dioxide is removed with a purge gas stream.
  • the purge gas is supplied and discharged via suitable devices, for example pumps and / or fans. Air, for example fresh air, from outside the circuit is usually used as the purge gas.
  • any other suitable gas or gas mixture can also be used, for example also the nitrogen-enriched air from the oxygen enrichment system.
  • the oxygen enrichment system which can be used according to the invention can be any system known from the prior art for enriching oxygen from air.
  • oxygen enrichment systems which can be used according to the invention are pressure swing adsorption systems and hollow fiber membrane modules which, depending on the construction and membrane material used, can be operated with overpressure or with underpressure, for example by applying a vacuum.
  • Corresponding pressure swing adsorption devices and methods which can be used in the present invention are, for example, devices based on zeolite adsorption agents such as those described in US Pat. No. 4,685,939. Further suitable pressure swing adsorption devices which can be used in the present invention as an oxygen enrichment system are described, for example, in US Pat. No. 5,890,366, as described in US Pat. No. 4,896,514 and in US Pat. No. 4,867,766.
  • Hollow fiber membrane-based systems which can be used according to the invention as an oxygen enrichment system are described, for example, in DE 19 645 764 and in US Pat. No. 5,158,584.
  • Plastic separation membrane systems as described in US Pat. No. 6,427,484 can also be used in the method and apparatus of the present invention.
  • membrane-based air separation devices based on zeolite membranes, zeolite mixed-matrix systems, carbon or polymer membranes can also be used for the oxygen enrichment system to be used according to the invention.
  • a second air stream is preferably supplied to the oxygen enrichment system in a suitable manner, from which the oxygen enrichment system generates an oxygen-enriched air stream and a nitrogen-enriched air stream.
  • the nitrogen-enriched air flow is suitably diverted or discarded.
  • the oxygen-enriched air stream is supplied to the room unit in addition to or together with the carbon dioxide-depleted first air stream. It is preferred that the carbon dioxide-depleted first air stream is returned to the Room unit is combined with the oxygen-enriched air flow from the oxygen enrichment system.
  • the device according to the invention comprises O sensors, CO sensors or air quality sensors as well as computer-aided control devices coupled therewith for setting the volume flows of the air flows returned from the membrane system and the oxygen enrichment system into the room unit.
  • O sensors O sensors
  • CO sensors or air quality sensors as well as computer-aided control devices coupled therewith for setting the volume flows of the air flows returned from the membrane system and the oxygen enrichment system into the room unit.
  • computer-aided control devices coupled therewith for setting the volume flows of the air flows returned from the membrane system and the oxygen enrichment system into the room unit.
  • the second air flow can originate from fresh or ambient air, for example in rooms or buildings from outside air.
  • the first air stream has a larger volume than the second air stream. It is preferred that the volume ratio of the first air flow to the second air flow is in the range from 500: 1 to 2: 1.
  • the first air flow and the second air flow or the oxygen-enriched air flow resulting therefrom can be via a Activated carbon filters are passed to remove desired odors, dust and the like. In particular, this also serves to pre-clean the air volumes in order to keep the membrane performance constant and to prevent the pores from blocking early.
  • the membranes can be cleaned or regenerated from time to time in the membrane system according to the invention.
  • electrically conductive membrane modules e.g. at
  • Carbon-based membranes this can e.g. through inductive electrical
  • Resistance heating takes place, whereby the membranes are heated in such a way that contaminants evaporate or are oxidatively broken down.
  • other heating sources can also be used to thermally clean the membranes, e.g.
  • Hot air blowers radiators, infrared radiation, radiant tubes, tube lamps, electrical heating conductors, induction heating and the like.
  • the cleaning by means of compressed air or the passage of solvents through the membrane systems can also be used in some embodiments.
  • the membranes can also be cleaned and, if necessary, sterilized by means of suitable oxidizing agents, for example ozone or gamma radiation.
  • suitable oxidizing agents for example ozone or gamma radiation.
  • FIG. 1 shows an essentially closed room unit AB, from which a first air stream la with an increased carbon dioxide content is taken and fed to the purge gas membrane system M1.
  • the purge gas membrane system due to its higher permeation rate, carbon dioxide preferably permeates through the membrane module (not shown), and one
  • Air depleted in carbon dioxide remains on the retentate side of the membrane module. This retained air flow lb, depleted of CO 2 , is returned to the room unit AB.
  • the CO 2 permeated through the membranes of the membrane module (or the air that occurs on the permeate side with a significantly increased CO 2 content) is removed as a carbon dioxide-laden purge gas flow ID from the purge gas membrane system Ml by means of a purge gas stream lc.
  • a second air flow 2a is introduced into an oxygen enrichment system M2, which generates a nitrogen-enriched air flow 2c, which is discharged, and an oxygen-enriched air flow 2b, which is introduced into the room unit AB, in order to increase the relative oxygen content of the air there.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abreicherung von Kohlendioxid in der Luft aus einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Raumeinheit, umfassend folgende Schritte Entnehmen eines Luftstroms aus der Raumeinheit; Führen des Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein Membranmodul mit einer C02/02-Selektivität von grösser als 2; Entfernen des durch die Membran permeierten Kohlendioxids, sowie Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten Luftstroms in die Raumeinheit, wobei das erfindungsgemässe Verfahren gegebenenfalls mit einem Sauerstoffanreicherungsverfahren kombiniert werden kann. Ferner werden entsprechende Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren beschrieben.

Description

Verfahren und Norrichtung zur Abreicherung von Kohlendioxid aus Luft
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nerfahren und eine Norrichtung Abreicherung von Kohlendioxid aus der Luft in geschlossenen oder teilweise geschlossenen Raumeinheiten, gegebenenfalls bei gleichzeitiger Sauerstoffanreicherung.
Die Neratmung von Sauerstoff erzeugt als „Abgas" Kohlendioxid (CO ). Kohlendioxid ist ein geruchloses Gas, das in natürlicher Luft mit einem sehr geringen Anteil von ca. 0,03 Nol.-% auftritt. Höhere Kohlendioxidgehalte in der Umgebungsluft wirken sich für den Menschen physiologisch ungünstig aus. Bereits ab einer Konzentration von 0,5 Nol.-% CO in der Umgebungsluft treten typische Symptome wie Kopfschmerz auf, weshalb die maximale Arbeitsplatzkonzentration von CO2 mit 0,5 Nol.-% (5 000 ppm) angesetzt ist.
In geschlossenen, beispielsweise klimatisierten Räumen ist es daher wünschenswert eine Regulierungsmöglichkeit für den Kohlendioxid-Gehalt in der Luft zu haben, in dem überschüssiges CO2 kontinuierlich aus der Luft entfernt wird.
Darüber hinaus kann die Abreicherung des CO -Gehaltes vorteilhaft mit weiteren Maßnahmen zur Verbesserung des Raumklimas verbunden werden, beispielsweise mit der Anreicherung der Raumluft mit Sauerstoff sowie der Klimatisierung.
Übliche Sauerstoffanreicherungsverfahren zur Nerbesserung der Luftqualität in geschlossenen Luftkreisläufen und Räumen oder Kabinen basieren meist auf reinen Sauerstoffanreicherungs Vorrichtungen wie beispielsweise Druckwechseladsorptions- systeme oder Hohlfasermembranmodule. Entsprechende Vorrichtungen sind beispielsweise in den US-Patenten Νr. 4 867 766, US 5 890 366, US 6427 484, US 5 158 584 sowie US 4 896 514 beschrieben. Einige der oben genannten Vorrichtungen des Stands der Technik sehen eine Klimatisierung der sauerstoffangereicherten Luft vor. Es wurden ferner Systeme vorgeschlagen (z.B. DE 195 45 764), die Kohlendioxid mit Adsorbern entfernen. Diese Technologie hat jedoch den Nachteil simultan die Luft auch zu entfeuchten. Konsequenz ist entweder eine sehr aufwendige Regenerierung des Adsorbers mit Heissluft bzw. Vakuum sowie eine separate Befeuchtung der Raumluft, oder eine Entsorgung verbrauchter Adsorberpatronen, was die entsprechenden Systeme für die meisten Anwendungen unwirtschaftlich macht.
Um die oben genannten physiologischen nachteiligen Effekte einer Kohlendioxidanreicherung in Raumluft zu vermeiden besteht daher ein Bedarf nach geeigneten Verfahren und Vorrichtungen, welche eine Abreicherung des Kohlendioxidgehalts in Raumluft ermöglichen, und die Luft gegebenenfalls auch simultan klimatisieren oder mit Sauerstoff anreichern können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Regulierung des Kohlendoxidgehaltes in geschlossenen oder teilweise geschlossenen Luftkreisläufen und Räumen oder Kabinen, insbesondere zur Abreicherung des Kohlendioxidgehaltes, zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Abreicherung von Kohlendioxid aus Luft in geschlossenen oder zumindest teilweise geschlossenen Raumeinheiten bereit- zustellen, welches eine simultane Anreicherung der Luft mit Sauerstoff ermöglicht.
Insbesondere war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren und Vorrichtungen der oben genannten Art bereitzustellen, welche in unaufwändiger und möglichst geräuscharmer Weise Kohlendioxid in einem Luftkontingent abzureichern und gegebenenfalls im wesentlichen gleichzeitig Sauerstoff anzureichern vermag. Die oben genannten Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Verfahrensansprüche und Vorrichtungsansprüche.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abreicherung von Kohlendioxid in der Luft aus einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Raumeinheit zur Verfügung gestellt, umfassend folgende Schritte:
Entnehmen eines Luftstroms aus der Raumeinheit;
Führen des Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein
Membranmodul mit einer CO2/O -Selektivität von größer als 1;
Entfernen des durch die Membran permeierten Kohlendioxids, - Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten
Luftstroms in die Raumeinheit.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Sauerstoffanreicherung von Luft bei gleichzeitiger Abreicherung von Kohlendioxid in einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Raumeinheit bereitgestellt, umfassend folgende Schritte:
Entnehmen eines ersten Luftstroms aus der Raumeinheit; Führen des ersten Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein Membranmodul mit einer CO2/O2-Selektivität von größer als 1; - Entfernen des durch die Membran permeierten Kohlendioxids;
Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten ersten Luftstroms in die Raumeinheit; - Anreicherung eines zweiten Luftstroms mit Sauerstoff mittels eines
Sauerstoffanreicherungssystems, welches einen sauerstoffangereicherten und einen stickstoffangereicherten Luftstrom erzeugt; Zuführen des sauerstoffangereicherten Luftstroms in die Raumeinheit; und separates Abfuhren des stickstoffangereicherte Luftstroms.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Abreicherung von Kohlendioxid in der Luft aus einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Raumeinheit bereitgestellt, umfassend:
Einrichtungen zu Entnahme eines Luftstroms aus der Raumeinheit; Einrichtungen zum Einführen des Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein Membranmodul mit einer CO2/O2-Selektivität von größer als 1;
Einrichtungen zum Entfernen von Kohlendioxid von der Permeatseite des mindestens einen Membranmoduls;
Einrichtungen zum Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten Luftstroms in die Raumeinheit.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Sauerstoffanreicherung von Luft bei gleichzeitiger Abreicherung von Kohlendioxid in geschlossenen oder teilweise geschlossenen Kreisläufen bereitgestellt, umfassend: - Einrichtungen zu Entnahme eines ersten Luftstroms aus der Raumeinheit;
Einrichtungen zum Einführen des ersten Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein Membranmodul mit einer CO2/O2-Selektivität von größer als 1 ;
Einrichtungen zum Entfernen von Kohlendioxid von der Permeatseite des mindestens einen Membranmoduls;
Einrichtungen zum Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten ersten Luftstroms in die Raumeinheit; ein Sauerstoffanreicherungssystem, welches aus einem zugeführten zweiten Luftstrom einen sauerstoffangereicherten und einen stickstoffangereicherten Luftstrom erzeugt; Einrichtungen zum Zuführen des sauerstoffangereicherten Luftstroms in die Raumeinheit; sowie
Einrichtungen zum Abführen des stickstoffangereicherten Luftstroms.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird mit den Begriffen "sauerstoffangereichert" bzw. "stickstoffangereichert" jeweils eine Luftzusammensetzung bezeichnet, die einen höheren Volumenprozentanteil von Sauerstoff bzw. Stickstoff aufweist als natürliche Luft.
Unter "kohlendioxidangereichert" bzw. "kohlendioxidabgereichert" wird eine Luftzusammensetzung mit relativ zur Ausgangsluftzusammensetzung vor der Behandlung im Membransystem erhöhtem bzw. verringertem Volumenprozentanteil von Kohlendioxid verstanden.
Erfindungsgemäß versteht man unter einem "Membranmodul" eine geeignete geometrische Anordnung von Membranflächen in Form einer Baugruppe, deren retentatseitige bzw. anströmseitige und permeatseitige bzw. abströmseitige Bereiche strömungstechnisch voneinander getrennt sind, so dass ein im wesentlichen kontinuierlicher Stoffübergang zwischen Retentatseite bzw. Anströmseite und Permeatseite bzw. Abströmseite der Membranen im wesentlichen nur durch
Permeation durch die Membran erfolgen kann. Das erfindungsgemäß verwendbare Membranmodul kann aufgrund der möglichen hohen Packungsdichten von mehr als lOOOmVm3, bevorzugt mehr als 1500 m2/m3 und insbesondere mehr als 2000m2/m3 vorteilhaft mit sehr geringen Abmessungen eingesetzt werden.
Ein "Membransystem" im Sinne der Erfindung ist eine Anordnung mindestens einer, bevorzugt mehrerer Membranmodule, ausgestattet mit geeigneten Vorrichtungen zur Zu- und Abftjb-rung von Luft oder anderen Gasgemischen an die Anströmseite der Membranen bzw. Membranmodule, sowie Vorrichtungen zur Entfernung von permeierten Gasen von der Abströmseite der Membranen bzw. Membranmodule. Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass mit der Verwendung von Membransystemen eine Regulierung bzw. eine hinreichende Abreicherung des Kohlendioxidgehalts in Raumluft auf einfache, kontinuierliche und wirtschaftliche Weise erzielt werden kann, ohne auf herkömmliche Adsorbeφatronen angewiesen zu sein, die regelmäßig ausgetauscht und der Regeneration zugeführt werden müssen.
Darüber hinaus wurde erfindungsgemäß erkannt, dass eine unter Gesundheits- aspekten und Wirtschaftlichkeitsaspekten sinnvolle Sauerstoffanreicherung vornehmlich von einem funktionierenden Wechselspiel zwischen der
Sauerstoffanreicherung einerseits und der spezifischen Abreicherung von Kohlendioxid und gegebenenfalls weiteren Geruchsstoffen andererseits abhängt, was im Stand der Technik bisher auch keine Berücksichtigung gefunden hat.
Die vorliegenden Erfindung ermöglicht sowohl eine effektive und wirtschaftliche Regulierung des CO2-Gehaltes in Raumluft, als auch, in einer bevorzugten Ausführungsform, eine im wesentlichen gleichzeitige Anreicherung von Sauerstoff und Abreicherung von Kohlendioxid, vorteilhafter weise bei gleichzeitiger Abreicherung weiterer Geruchsstoffe und einer möglichen Regulierung von Luftfeuchtigkeit und Temperatur.
Ein vorteilhafter weiterer Effekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die Luftkontingente auch von Bakterien oder Viren befreit werden können, da diese in den verwendeten Membranmodulen effektiv herausgefiltert werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine Regulierung bzw. Abreicherung des CO2-Gehaltes in Raumluft dadurch vorteilhaft ermöglicht werden kann, dass der aus einer Raumeinheit in einem Kreislaufstrom entnommenen und wieder zugeführten Luft durch die Verwendung selektiver Membransysteme durch selektive Permeation kontinuierlich CO2 entnommen werden kann. Dies ist insbesondere deshalb überraschend, da die geringen Volumenprozentanteile von CO in Raumluft eine nicht nur selektive, sondern auch sehr effektive Gastrennung erfordern.
Die vorliegende Erfindung beruht darauf, dass man sich die relativ zu Sauerstoff höhere Permeation von CO2-Molekülen durch bestimmte Membranen nutzbar macht. Dieser vornehmlich kinetische Effekt ermöglicht auch bei sehr kleinen Volumenprozentanteilen abzutrennender Gase eine hochselektive und damit sehr wirtschaftliche Trennung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine derartige Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches ohne Adsorber wirksam den CO - Gehalt der Luft verringern kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Kohlendioxid- abreicherung kann darüber hinaus mit weiteren Verfahren der Luftqualitätsverbesserung einfach und wirksam kombiniert werden.
Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen detailliert beschrieben. Im Zusammenhang mit der Kombination aus CO2- Abreicherung mit Sauerstoffanreicherung beschriebene Merkmale der CO2- Abreicherung sind selbstverständlich auch bei reinen CO -Abreicherungsverfahren und Vorrichtungen anwendbar, ohne dass dies jeweils ausdrücklich genannt sein muß.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die Kombination einer effizienten Methode der Sauerstoffanreicherung (bzw. Stickstoffabreicherung) mittels eines hierzu geeigneten Sauerstoffanreicherungssystems, mit der dazu passenden Methode der erfindungsgemäßen, selektiven Abreicherung von Kohlendioxid von besonderem Vorteil. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Kombination eines kontinuierlich arbeitenden Membransystems enthaltend Membranen, welche eine hohe Kohlendioxidselektivität aufweisen, und über die eine Hauptmenge an Kohlendioxid aus dem Kreislauf ausgeschleust werden kann, mit beispielsweise einer üblichen Druckwechseladsorptionseinheit oder Membranverfahren, durch welche der Stickstoff aus einem Luftkreislauf ausgeschleust werden kann, bzw. die Luft mit Sauerstoff angereichert wird, hochwirksam bei gleichzeitig niedrigen Betriebskosten der kontinuierlich betriebenen Vorrichtung ist.
Nach den erfindungsgemäßen Verfahren zur Abreicherung der Luft von CO2, ggf. bei gleichzeitiger Anreicherung mit Sauerstoff, wird ein aus einer Raumeinheit ein (erster) Luftstrom mittels geeigneter Einrichtungen entnommen, beispielsweise über eine entsprechende Absaugvorrichtung oder ein Ventilationsgebläse.
Eine Raumeinheit im Sinne der Erfindung kann jedes beliebige im wesentlichen abgeschlossene oder zumindest teilweise von der Umgebung abgrenzbare Luftkontingent sein, beispielsweise die Luft in einem Raum, einem Gebäude, einer (Druck-)Kabine in einem Kraftfahrzeug, Flugzeug, Schiff oder Bahn, einem Zelt, unterhalb eines Moskitonetzes, bei Atemluftsystemen, Tauchanzügen,
Atemschutzausrüstungen, einem Inhalationskreislauf oder dergleichen. Da Sauerstoff angereicherte Luft auch ein höheres spezifisches Gewicht aufweist, sind prinzipiell auch oben offene Umgebungen wie z.B. Wannen und dergleichen als Raumeinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar.
Dieser der Raumeinheit entnommene erste Luftstrom wird anschließend z.B. über geeignet dimensionierte und beschaffene Rohre, Schläuche oder Luftkanäle in ein Membransystem geleitet, welches mindestens eine Membran, üblicherweise ein komplettes Membranmodul bestehend aus einer geeigneten Baugruppe aus Membra- nen mit vorzugsweise hoher CO2/O2-Selektivität geführt. Vorzugsweise ist die CO /O2-Selektivität des Membranmoduls bzw. der darin enthaltenen Membranen größer als 1, zum Beispiel 1,1 oder 1,5, besonders bevorzugt größer als 2.
Die CO2/O2-Selektivität wird vorliegend als das Verhältnis der relativen Permeationsge-schwindigkeiten von CO zu O durch die Membran verstanden, so dass eine CO /O2-Selektivität von größer als 1 bedeutet, dass Kohlendioxid schneller durch die Membran permeiert als Sauerstoff. Eine CO2/O2-Selektivität von größer als 2 bedeutet, dass die Permeationsgeschwindigkeit von Kohlendioxid durch die Membran mehr als doppelt so groß ist wie die Permeationsgeschwindigkeit von Sauerstoff. Besonders bevorzugt ist die CO2/O Selektivität bei den erfindungsgemäß einsetzbaren Membransystemen größer als 3, insbesondere größer als 5.
Der Fachmann ist sich dabei bewusst, dass eine höhere Selektivität in der Regel mit einem geringeren Durchsatz durch die Membran verbunden ist, während selir offenporige Systeme bei hohem Durchsatz eine geringere Trennselektivität zeigen. Bei der Auswahl der verwendeten Membranen ist hier ein dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechender Kompromiss zu wählen.
Erfindungsgemäß geeignete Membransysteme mit CO2-selektiven Membranmodulen beinhalten Membranen bestehend aus Kohlenstoffmembranen, keramischen
Membranen, Kunststoffmembranen, sowie Kombinationen und/oder Komposita dieser Membranen. Entsprechende selektive Membranen bzw. Membranmodule für ein in der vorliegenden Erfindung verwendbares Membransystem sind beispielsweise beschrieben in der DE 10 013 457, WO 01/68533, DE 10 051 910, WO 02/32558 sowie DE 19 849 216 und WO 00/24500. Die dort beschriebenen Membranen, Membransysteme und Membranmodule eignen sich, ggf. nach entsprechender Modifizierung der physikochemischen Eigenschaften, prinzipiell auch als Membranen und in Membranmodule im Membransystem, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. In den Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung werden Membranen bzw. Membranmodule aus pyrolytisch hergestelltem Kohlenstoff-basierten Material bevorzugt, wie die in der WO 02/32558 beschriebenen und nach den dort beschriebenen Verfahren hergestellten Materialien, einschließlich der dort genannten keramischen Materialien.
Weitere bevorzugte Materialien für Membranen und Membranmodule in den Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind in der deutschen Patentanmeldung DE 102 33 182 beschrieben.
Um die CO2-Selektivität verwendeter Membranen weiter zu erhöhen, können die oben genannten Membranmaterialien in besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zusätzlich oberflächenmodifiziert werden, beispielsweise durch oxidative oder reduktive Oberflächenbehandlung mit geeigneten Oxidations- bzw. Reduktionsmitteln, durch Imprägnierung mit Metallsalzen, insbesondere
Übergangsmetallsalzen, durch Inkorporierung von Metallen, insbesondere von Übergangs- oder Edelmetallen, oder durch Beschichtung der Membranoberflächen mit membranaktiven Kunststoffschichten.
Erfindungsgemäß eingesetzte Membranen können beispielsweise folgende
Aktivschichten aufweisen: Polysulfon, Polyoctylmethylsiloxan, Polyetherimid, Silikon, Ethylzellulose, Polyphenylenoxid, Polysulfon, Polycarbonat, sowie Kombinationen davon.
Das Membransystem wird der Fachmann in Abhängigkeit von der zu behandelnden Gesamtluftsfrommenge entsprechend dimensionieren, so dass eine ausreichende Membranfläche vorliegt, um Kohlendioxid in ausreichender Menge aus dem ersten Luftstrom durch Permeation durch die Membran zu entfernen. Hierzu ist es beispielsweise auch möglich, in einem Membransystem mehrere Membranmodule zu kombinieren. Die kombinierten Membranmodule können dabei identische oder auch unterschiedliche CO2/O2-Selektivitäten aufweisen, z.B. die Kombination eines oder mehrerer Membranmodule mit einer geringeren CO /O2- Selektivität zur Voranreicherung von CO2 im Permeat mit einem oder mehreren Modulen mit einer CO /O2-Selektivität von größer als 1, die gegebenenfalls auch unterschiedliche Membranflächengrößen aufweisen können.
In dem Membransystem wird Kohlendioxid vornehmlich aufgrund seiner gegenüber Sauerstoff erhöhten Permeationsgeschwindigkeit durch die Membran hindurchtreten (permeieren). Der nicht permeierte, nunmehr kohlendioxidabgereicherte Rest des ersten Luftstroms, der von der Membran zurückgehalten wurde, wird z.B. über eine Retentatseitige Auslassöffhung des Membransystems wieder abgeführt und über entsprechende Vorrichtungen, beispielsweise Gebläse oder Pumpen, in einem Kreislauf wieder zurück in die Raumeinheit geleitet, aus welcher der (erste) Luftstrom entnommen wurde.
Auf der Permeatseite der Membran/des Membranmoduls wird das durch die Membran permeierte Kohlendioxid entfernt.
Die Entfernung kann in einer Ausfuiirungsform der Erfindung durch Absaugen mit bzw. Anlegen von Unterdruck oder Vakuum an der Permeatseite des Membransystems unter Verwendung geeigneter Vorrichtungen, z.B. Pumpen, erfolgen.
Ferner kann das permeierte Kohlendioxid auch durch Absorbtion in geeigneten Flüssigabsorbern wie beispielsweise organischen Aminen, Alkoholaminen und dergleichen abgeffiirt werden. Bevorzugt ist Diethanolamin. Der Vorteil der Verwendung von insbesondere selektiv Kohlendioxid absorbierenden organischen Flüssigkeiten zur CO2- Abführung ist, das hierbei die Membranen offenporiger gestaltet werden können, wodurch der Durchsatz und damit die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöht werden.
Gemäß einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung wird das permeierte Kohlendioxid mit einem Spülgasstrom abgeführt. Hierzu wird das Spülgas über geeignete Einrichtungen, beispielsweise Pumpen und/oder Gebläse zu- und abgeführt. Als Spülgas wird üblicherweise Luft, beispielsweise Frischluft, von außerhalb des Kreislaufs verwendet. Es kann jedoch auch jedes andere geeignete Gas oder Gasgemisch verwendet werden, beispielsweise auch die stickstoffangereicherte Luft aus dem Sauerstoffanreicherungssystem.
Das erfindungsgemäß verwendbare Sauerstoffanreicherungssystem kann jedes im Stand der Technik bekannte System zur Anreicherung von Sauerstoff aus Luft sein. Beispiele erfindungsgemäß verwendbarer Sauerstoffanreicherungssysteme sind Druckwechseladsoφtionssysteme und Hohlfasermembranmodule, die j e nach Konstruktion und verwendetem Membranmaterial mit Überdruck oder auch mit Unterdruck, beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums betrieben werden könen. Entsprechende Druckwechseladsoφtionsvorrichtungen und -verfahren, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind beispielsweise auf Zeolith- Adsoφtionsmitteln basierende Vorrichtungen wie die im US Patent Nr. 4 685 939 beschrieben. Weitere geeignete Druckwechseladsoφtionsvoπichtungen, die in der vorliegenden Erfindung als Sauerstoffanreicherungssystem verwendet werden können, sind beispielsweise im US Patent Nr. 5 890 366, wie im US Patent Nr. 4 896 514 sowie im US Patent Nr. 4 867766 beschrieben.
Sofern ein Druckwechseladsoφtionssystem in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfasst das Drackwechseladsoφtionssystemvorzugsweise einen Kompressor zur Komprimierung des zweiten Luftstroms, z.B. auf einen Druck von 0,12 MPa bis 1,0 MPa, vorzugsweise 0,15 MPa bis 0,25 MPa; und ein bis zehn, vorzugsweise 2, Adsorberkarnmern enthaltend Zeolith-Molsieb pro Gerät. Bei groß dimensionierten Anlagen können mehrere dieser Geräte eingesetzt werden.
Daneben sind erfindungsgemäß auch Unterdruck verwendende Druckwechseladsoφtionssysteme verwendbar, bei welchen statt des Kompressors üblicherweise eine Vakuumpumpe eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß als Sauerstoffanreicherungssystem verwendbare Hohlfasermembran-basierte Systeme sind beispielsweise in der DE 19 645 764 sowie in dem US Patent Nr. 5 158 584 beschrieben. Auch Kunststofftrennmembransysteme wie in US-Patent Nr. 6 427 484 beschrieben sind im Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendbar.
Ferner können für das erfindungsgemäß einzusetzende Sauerstoffanreicherungs- System auch membranbasierte Lufttrennvorrichtungen basierend auf Zeolith- membranen, Zeolith-mixed-matrix-Systemen, Kohlenstoff- oder Polymermembranen verwendet werden.
Bevorzugt wird dem Sauerstoffanreicherungssystem ein zweiter Luftstrom in geeigneter Weise zugeführt, woraus das Sauerstoffanreicherungssystem einen sauerstoffangereicherten Luftstrom und einen stickstoffangereicherten Luftstrom erzeugt.
Der stickstoffangereicherte Luftstrom wird geeignet separat abgeleitet bzw. verworfen.
Der sauerstoffangereicherte Luftstrom wird zusätzlich zu oder zusammen mit dem Kohlendioxidabgereicherten ersten Luftstrom der Raumeinheit zugeführt. Bevorzugt ist, dass der kohlendioxidabgereicherte erste Luftstrom vor der Rückführung in die Raumeinheit mit dem sauerstoffangereicherten Luftstrom aus dem Sauerstoffanreicherungssystem vereinigt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung O -Sensoren, CO -Sensoren oder Luftqualitätssensoren sowie damit gekoppelte rechnergestützte Steuerungsvorrichtungen zur Einstellung der Volumenströme der aus dem Membransystem und dem Sauerstoffanreicherungssystem in die Raumeinheit zurückgeführten Luftströme. Mittels einer derartigen Vorrichtung ist es beispielsweise möglich, einen definierten mittleren Sauerstoffgehalt und/oder
Kohlendioxidgehalt der Luft in der Raumeinheit einzustellen und aufrechtzuerhalten.
Der zweite Luftstrom kann aus Frisch- bzw. Umgebungsluft stammen, beispielsweise bei Räumen oder Gebäuden aus Außenluft.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der zweite Luftstrom zumindest teilweise auch aus der Raumeinheit, dem ersten Luftstrom vor dem Membransystem oder dem kohlendioxidabgereicherten ersten Luftstrom entnommen. Die Aufteilung des aus der Raumeinheit oder dem ersten Luftstrom entnommenen zweiten Luftstromanteils kann mittels beliebiger, dem Fachmann wohlbekannter Vorrichtungen zur Aufsplittung von Gasvolumenströmen erfolgen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist es ferner aus vornehmlich aus ökonomischen Motiven, wenn der erste Luftstrom ein größeres Volumen aufweist als der zweite Luftstrom. Bevorzugt ist es, dass das Volumenverhältnis von erstem Luftstrom zu zweitem Luftstrom im Bereich von 500:1 bis 2:1 liegt.
In bevorzugten Ausflürrungsformen kann der erste Luftstrom und der zweite Luftstrom bzw. der daraus resultierende sauerstoffangereicherte Luftstrom über einen Aktivkohlefilter geleitet werden, um i erwünschte Geruchsstoffe, Staub und dergleichen zu entfernen. Dies dient insbesondere auch der Vorreinigung der Luftmengen, um die Membranleistung konstant zu halten und ein frühzeitiges Verblocken der Poren zu verhindern.
Ferner ist es in bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, einzelne Luftströme gegebenenfalls zu temperieren, anzufeuchten oder zu klimatisieren.
Bei nachlassender Trenneffektivität infolge von Verunreinigungen, Ablagerungen, Feuchtigkeitsansammlungen oder Verstopfungen der Membranporen können beim erfindungsgemäßen Membransystem die Membranen von Zeit zu Zeit gereinigt bzw. regeneriert werden. Im Falle elektrisch leitfähiger Membranmodule, z.B. bei
Kohlenstoff-basierten Membranen, kann dies z.B. durch induktive elektrische
Widerstandsheizung erfolgen, wodurch die Membranen so erhitzt werden, dass Verunreinigungen verdampfen oder oxidativ abgebaut werden. Jedoch sind auch andere Heizquellen verwendbar, um die Membranen thermisch zu reinigen, wie z.B.
Heißluftgebläse, Radiatoren, Infrarotbestrahlung, Heizstrahlröhren, Röhrenlampen, elektrische Heizleiter, Induktionsheizung und dergleichen.
Auch die Reinigung mittels Druckluft oder Durchleiten von Lösungsmitteln durch die Membransysteme sind in einigen Ausführungsformen verwendbar.
Ferner können die Membranen auch mittels geeigneter Oxidationsmittel, beispielsweise Ozon oder gamma-Strahlung, gereinigt und gegebenenfalls sterilisiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kombinationsverfahrens wird weiterhin an dem beigefügten Verfahrensfließbild gemäß Figur 1 veranschaulicht. Figur 1 zeigt eine im wesentlichen abgeschlossene Raumeinheit AB, aus der ein erster Luftstrom la mit erhöhtem Kohlendioxidanteil entnommen und dem Spülgasmembransystem Ml zugeführt wird. In dem Spülgasmembransystem permeiert aufgrund seiner höheren Permeationsgeschwindigkeit vorzugsweise Kohlendioxid durch das Membranmodul (nicht gezeigt), und eine
Kohlendioxidabgereicherte Luft verbleibt auf der Retentatseite des Membranmoduls. Dieser zurückgehaltene Luftstrom lb wird, abgereichert von CO2, wieder in die Raumeinheit AB zurückgeführt.
Das durch die Membranen des Membranmoduls permeierte CO2 (bzw. die permeatseitig auftretende Luft mit deutlich erhöhtem CO2- Anteil) wird mittels eines Spülgasstroms lc aus dem Spülgasmembransystem Ml als Kohlendioxidbeladener Spülgasstrom ld abgeführt.
Parallel hierzu wird ein zweiter Luftstrom 2a in ein Sauerstoffanreicherungssystem M2 eingeleitet, welches einen stickstoffangereicherten Luftstrom 2c erzeugt, der abgeleitet wird, sowie einen sauerstoffangereicherten Luftstrom 2b, der in die Raumeinheit AB eingeleitet wird, um dort den relativen Sauerstoff gehalt der Luft zu erhöhen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Abreicherung von Kohlendioxid in der Luft aus einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Raumeinheit, umfassend folgende Schritte:
Entnehmen eines Luftstroms aus der Raumeinheit; Führen des Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein Membranmodul mit einer CO /O2-Selektivität von größer als 1 ;
Entfernen des durch die Membran permeierten Kohlendioxids, Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten Luftstroms in die Raumeinheit.
2. Verfahren zur Sauerstoffarireicherung von Luft bei gleichzeitiger
Abreicherung von Kohlendioxid in einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Raumeinheit, umfassend folgende Schritte:
Entnehmen eines ersten Luftstroms aus der Raumeinheit;
Führen des ersten Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein Membranmodul mit einer CO /O2-Selektivität von größer als 1 ;
Entfernen des durch die Membran permeierten Kohlendioxids,
Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten ersten
Luftstroms in die Raumeinheit;
Anreicherung eines zweiten Luftstroms mit Sauerstoff mittels eines Sauerstoffanreicherungssystems, welches einen sauerstoffangereicherten und einen stickstoffangereicherten Luftstrom erzeugt;
Zuführen des sauerstoffangereicherten Luftstroms in die Raumeinheit; und separates Abführen des stickstoffangereicherte Luftstroms.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das permeierte Kohlendioxid mittels Unterdruck, Vakuum oder durch Spülen der Permeatseite des mindestens einem Membranmoduls mit einem Spülgassstrom von der Permeatseite des Membranmoduls entfernt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das permeierte Kohlendioxid durch Absoφtion in geeigneten Absorberfüssigkeiten abgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlendioxidabgereicherte erste Luftstrom vor der Rückführung in die Raumeinheit mit dem sauerstoffangereicherten Luftstrom aus dem Sauerstoffanreicherungssystem vereinigt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom zumindest teilweise aus der Raumeinheit, dem ersten Luftstrom vor dem Spülgasmembransystem oder dem kohlendioxidabgereicherten ersten Luftstrom stammt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Raumeinheit aus einem Gebäude, einem Raum, (Druck-)Kabine in einem Kraftfahrzeug, Flugzeug, Schiff oder Bahn, einem Zelt, unterhalb eines Moskitonetzes, aus Atemluftsystemen, Tauchanzügen, Atemschutzausrüstungen oder einem L halationskreislauf ausgewählt ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Membranmodul Kohlenstoffmembranen, keramische Membranen, Kunststoffmembranen, und Kombinationen und/oder Komposita dieser Membranen umfasst.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Sauerstoffanreicherungssystem ein Druckwechseladsoφtionssystem, ein Hohlfasermembranmodul oder eine membranbasierte Lufttrennvorrichtung basierend auf Zeolithmembranen, Zeolith- mixed-matrix-Systemen, Kohlenstoff- oder Polymermembranen ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas Luft ist, welche gegebenenfalls temperiert und/oder klimatisiert ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis von erstem Luftstrom zu zweitem Luftstrom im Bereich von 500: 1 bis 2: 1 liegt.
12. Vorrichtung zur Abreicherung von Kohlendioxid in der Luft aus einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Raumeinheit, umfassend:
Einrichtungen zu Entnahme eines Luftstroms aus der Raumeinheit; - Einrichtungen zum Einführen des Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein Membranmodul mit einer CO /O2-Selektivität von größer als 1;
Einrichtungen zum Entfernen von Kohlendioxid von der Permeatseite des mindestens einen Membranmoduls; - Einrichtungen zum Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten Luftstroms in die Raumeinheit.
13. Vorrichtung zur Sauerstoffanreicherung von Luft bei gleichzeitiger Abreicherung von Kohlendioxid in geschlossenen oder teilweise geschlossenen Kreisläufen, umfassend: - Einrichtungen zu Entnahme eines ersten Luftstroms aus der Raumeinheit;
- Einrichtungen zum Einfuhren des ersten Luftstroms in ein Membransystem enthaltend mindestens ein Membranmodul mit einer CO2/O2-Selektivität von größer als 1; - Einrichtungen zum Entfernen von Kohlendioxid von der Permeatseite des mindestens einen Membranmoduls;
Einrichtungen zum Zurückführen des in dem Membransystem kohlendioxidabgereicherten ersten Luftstroms in die Raumeinheit; ein Sauerstoffanreicherungssystem, welches aus einem zugeführten zweiten Luftstrom einen sauerstoffangereicherten und einen stickstoffangereicherten Luftstrom erzeugt;
Einrichtungen zum Zuführen des sauerstoffangereicherten Luftstroms in die Raumeinheit; sowie Einrichtungen zum Abführen des stickstoffangereicherten Luftstroms.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Entfernen des Kohlendioxids Einrichtungen zum Anlegen von Unterdruck oder Vakuum an der Permeatseite des Membransystems umfassen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Entfernen des Kohlendioxids Einrichtungen zum Zu- und Abfiihren von Spülgas in das Membransystem umfassen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoffanreicherungssystem ein Druckwechseladsoφtionssystem, ein Hohlfasermembranmodul oder eine membranbasierte Lufttrennvorrichtung basierend auf Zeolithmembranen, Zeolith- mixed-matrix-Systemen, Kohlenstoff- oder Polymermembranen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckwechseladsoφtionssystem pro Gerät umfasst: - einen Kompressor zur Komprimierung des zweiten Luftstroms auf einen
Druck; und ein bis zehn Adsorberkammern enthaltend Zeolith-Molekularsieb.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Membransystem mindestens eine Membran ausgewählt aus Kohlenstoffmembranen, keramischen Membranen, Kunststoffmembranen, und Kombinationen und/oder Komposita dieser Membranen umfasst.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14-18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung femer CO -Sensoren, O -Sensoren, oder Luftqualitätssensoren sowie damit gekoppelte rechnergestützte Steuerungsvorrichtungen zur Einstellung der Volumenströme der aus dem Membransystem und dem Sauerstoffanreicherungssystem in die Raumeinheit zurückgeführten Luftströme umfasst.
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