ES2273421T3

ES2273421T3 - Aparato y procedimiento de adsorcion modulada por presion.

Info

Publication number: ES2273421T3
Application number: ES98930170T
Authority: ES
Inventors: Norman Richard Mccombs
Original assignee: Airsep Corp
Current assignee: Airsep Corp
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2007-05-01
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: WO1998057728A1; EP0991460A4; CA2293503A1; DE69836137D1; ATE342118T1; US5871564A; DE69836137T2; EP0991460A1; KR20010013739A; EP0991460B1; JP4097297B2; KR100554777B1; AU7962998A; JP2002504022A; CA2293503C

Abstract

Un aparato de absorción modulada en presión (30) para variar de forma selectiva la concentración de al menos un constituyente de una mezcla gaseosa enviando una mezcla gaseosa al interior de un absorbedor (62) para generar un gas producto particular mientras entrega a otro absorbedor (60) tanto la parte predeterminada del gas producto para purgar el otro absorbedor y una cantidad seleccionada del gas producto, independientemente del caudal, además de la parte predeterminada, para producir una concentración relativa deseada de los constituyentes del gas producto seleccionable de entre un intervalo disponible de concentraciones relativas.

Description

Aparato y procedimiento de adsorción modulada por presión.

Esta invención se refiere, generalmente, a un aparato concentrador de gas para separar mezclas gaseosas mediante adsorción por cambio de presión y, más en particular, a la producción de un producto gaseoso en el cual las concentraciones de los gases constituyentes se pueden variar de manera selectiva.

Antecedentes de la invención

El tipo general de aparato de adsorción por cambio de presión al cual se refiere esta invención se describe en las patentes norteamericanas US4802899 y US5531807. Generalmente, un aparato de adsorción por cambio de presión incluye, al menos, una pareja de adsorbentes, cada uno de los cuales tiene un lecho fijo de material de adsorción para fraccionar, al menos, un gas constituyente de una mezcla gaseosa cuando la mezcla gaseosa, procedente de una corriente de alimentación, se dirige secuencialmente a través de los adsorbentes en una dirección favorable a la corriente. Mientras que un adsorbente realiza la adsorción, el otro adsorbente es purgado, simultáneamente, de sus gases constituyentes adsorbidos mediante gas producto, que se extrae del primero de los adsorbentes y se dirige a través del otro adsorbente en una dirección contracorriente. Una vez que el otro adsorbente se purga, la mezcla gaseosa se dirige, entonces, al otro adsorbente en la dirección favorable a la corriente, con el fin que el otro adsorbente realice la adsorción, mientras que el primer adsorbente se purga simultáneamente.

Se consigue un gas producto altamente concentrado mediante el control de las zonas de transferencia de gas de los adsorbentes. Un adsorbente convencional contiene cuatro zonas, como se ilustra en la figura 1A. Cuando, por ejemplo, entra aire comprimido en el adsorbente 2 a través de una entrada 4, el aire contiene, aproximadamente, un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno, un 0,9% de argón, y una cantidad variable de agua. La primera zona, o zona de agua 6, captura el agua. La segunda zona 8 adsorbe el nitrógeno fraccionado y, en menor grado, el oxígeno. La tercera zona, o zona de transferencia de masa ("MTZ") 10, comprende una concentración variada de gas oxígeno producto, que incrementa su concentración en relación con la distancia a la segunda zona 8, mediante la captura de más nitrógeno fraccionado. La cuarta zona 12 comprende el gas oxígeno producto, altamente concentrado, y se prolonga hasta el extremo terminal 14 del adsorbente 2.

Se consigue un gas oxígeno producto altamente concentrado mediante la estabilización de la zona de agua 6 cercana a la entrada 4 del adsorbente 2, y el mantenimiento de la MTZ 10 como una demarcación abrupta entre la segunda y la cuarta zonas 8, 12. Estas zonas 6, 10 se estabilizan y mantienen mediante la conducción contracorriente de ciertas cantidades de gas oxígeno producto a través del adsorbente 2.

Algunas aplicaciones, sin embargo, requieren una concentración menor de gas oxígeno producto. Un objeto de la presente invención es el control del aparato que produce un gas oxígeno producto, que tiene una concentración y un caudal deseados y específicos, en el cual estas características son independientes entre sí.

Una propuesta anterior para cambiar la concentración deseada de oxígeno en el gas producto es mezclar el aire ambiente, procedente de una corriente de alimentación, con el producto de oxígeno altamente concentrado. Tal propuesta tiene numerosos efectos adversos. Uno de los efectos adversos es que la concentración de gas oxígeno producto depende del flujo de la mezcla gaseosa. Así pues, cuando el flujo de la mezcla gaseosa se perturba, la concentración del gas producto se ve afectada igualmente. Otro efecto adverso es que la mezcla de aire está potencialmente "húmeda" y puede causar una condensación no deseable en el gas oxígeno producto.

Otra propuesta anterior es sobrecargar el aparato de adsorción por cambio de presión mediante la extracción del gas oxígeno producto con un alto caudal. Sin embargo, un caudal alto desplaza y extiende la primera zona 6, la segunda zona 8, y la MTZ 10. En particular la MTZ 10 se desplaza y extiende a través y más allá del extremo terminal 14 del adsorbente 2, como se ilustra en la figura 1B. Cuando esto ocurre, el gas oxígeno producto se extrae con una concentración inferior, desconocida e incontrolable. La sobrecarga tiene, asimismo, varios efectos adversos. Primero, la eficiencia del aparato se ve comprometida porque es difícil estabilizar la zona de agua 6 y la zona MTZ 10. En segundo lugar, es difícil controlar la MTZ 10 cuando la MTZ 10 está en el extremo terminal 14, lo que a su vez hace difícil controlar el intervalo de concentración del gas oxígeno producto generado, como se ilustra en la figura 1C. En tercer lugar, es difícil duplicar concentraciones particulares. Finalmente, el caudal y la concentración del gas producto son intrínsecamente dependientes entre sí, ya que el caudal controla el nivel de concentración de gas producto.

De acuerdo con la presente invención, se reivindica un aparato de adsorción por cambio de presión, según la reivindicación primera, y un procedimiento para cambiar selectivamente las concentraciones relativas de una mezcla gaseosa, de acuerdo con la reivindicación octava. Realizaciones adicionales de la invención se divulgan en las reivindicaciones dependientes.

Resumen de la invención

La presente invención elimina los efectos adversos descritos, proporcionando un aparato (concentrador de oxígeno) de adsorción por cambio de presión nuevo y mejorado, que puede ajustarse para conseguir las distintas concentraciones y caudales deseados de gas oxígeno producto, en el cual el caudal y la concentración se controlan independientemente entre sí. Esto se consigue mediante la incorporación en el aparato de unos medios de control variable que controlan, independientemente del caudal, una cantidad variable del gas producto que debe pasar a través de los adsorbentes en la dirección contracorriente, con el fin de producir una concentración deseada de gas producto, dentro de un intervalo de concentraciones disponibles. Una vez se alcanza independientemente la concentración deseada de gas producto, el aparato es capaz de controlar el caudal de gas producto, independientemente de la concentración de gas
producto.

Éstos y otros objetos, características y ventajas de la invención se harán más aparentes de la lectura de la siguiente descripción, junto con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1A es un gráfico de la concentración de N_{2} en el aire, según éste atraviesa un adsorbente diseñado para generar un gas producto altamente concentrado (estado de la técnica anterior).

La figura 1B es un gráfico de la concentración de N_{2} en el aire, según éste atraviesa un adsorbente diseñado para generar un gas producto de inferior concentración (estado de la técnica anterior).

La figura 1C es un gráfico del intervalo de concentración del gas producto producido por un adsorbente, ilustrado en la figura 1B (estado de la técnica anterior).

La figura 2 es un diagrama esquemático que ilustra las conexiones de los flujos y los componentes operativos de un concentrador de oxígeno, de acuerdo con esta invención.

La figura 3 es una vista frontal de un concentrador de oxígeno, que incorpora las conexiones y los componentes de la figura 2.

La figura 4 es un gráfico de la concentración de N_{2} en la mezcla gaseosa, según ésta atraviesa el adsorbente diseñado para generar las diferentes concentraciones deseadas de gas producto.

La figura 5 es un gráfico del intervalo de concentraciones del gas producto resultante, producido por un adsorbente como el ilustrado en la figura 2, en relación con el gráfico ilustrado en la figura 1C.

La figura 6 es un esquema de sistema eléctrico del concentrador de oxígeno de la figura 2.

Descripción detallada de la realización ilustrada

Volviendo ahora a los dibujos, y considerando inicialmente las figuras 2 y 3, se muestra una realización, generalmente indicada como 20, de un aparato de adsorción por cambio de presión, de acuerdo con la presente invención, para fraccionar al menos un componente o constituyente de una mezcla gaseosa, mediante adsorción por cambio de presión.

Con referencia a la figura 2, la mezcla de aire gaseoso se suministra al aparato 20 a través de un montaje de componentes operativos 30. Los componentes 30 reciben inicialmente una corriente de gas de alimentación a través de una entrada 22 de un resonador de admisión 58, para disminuir el ruido de la entrada de la corriente de alimentación. La corriente de alimentación continúa través de la salida 23 del resonador y se desplaza través de la tubería 106 mediante una bomba o un montaje 24 de compresor. El montaje 24 de compresor, que contiene un compresor 110 y un intercambiador de calor 108, desplaza la corriente de alimentación a través del montaje 107 de tuberías hacia un bloque de válvulas 64, en particular, una primera válvula de alimentación 116.

Desde la válvula de alimentación 116 y a través de las tuberías 128, la corriente de alimentación entra por una entrada 82a de un primer adsorbente 62 en la dirección favorable a la corriente. Mientras que está en el adsorbente 62, la corriente de alimentación se fracciona en la concentración deseada de gas producto. El gas producto sale, entonces, a través de la salida 84a del primer adsorbente 62 y entra en el montaje 66 de colector de producto.

Mientras que está en el colector de producto 66, el gas producto se dirige, de manera controlable, en tres direcciones. La primera dirección es, a través de una conexión en T 140 y una tubería 138, hacia la válvula de ecualización de producto 136. La segunda dirección es, a través de una conexión en T 140 y una tubería 148, hacia el orificio de purga 144. La última dirección es, a través de conexiones en T 140 y 166, y las tuberías 130 y 158, hacia un segundo bucle de purga 156, en particular, una válvula de concentración 93 convencional. Si el orificio de purga 144 está abierto y la válvula de concentración 93 está cerrada, la concentración del gas producto será tan alta como se muestra en la figura 1A. En la presente invención, el orificio de purga 144 y la válvula de concentración 93 están abiertos, y juntos controlan independientemente la concentración del gas producto. En particular, el orificio 144 y la válvula 93 controlan la posición de la MTZ 10 (las posiciones posibles incluyen las líneas 10a, 10b, y 10c, y las variaciones intermedias, como se ilustra por las flechas 164), y la zona de agua 6 del segundo adsorbente 60, como se muestra en la figura 4, y el intervalo de concentración del gas producto, como se muestra en la figura 5.

Volviendo la figura 2, una pequeña porción del gas producto sale a través de los orificios de purga 144, 146, y las conexiones en T 150, 142, y el gas producto que se desplaza a través de la válvula 93 y las conexiones en T 162, 142 se dirige contracorriente a través de una salida 84b y una entrada 82b de un segundo adsorbente 60. El gas producto en dirección contracorriente purga el adsorbente 60, y se desplaza a continuación, con el nitrógeno de purga, a través de la tubería 130 hacia la bloque de válvulas 64, en particular, hacia la válvula de descarga 122 y hacia el silenciador de descarga 126, y es expulsado entonces, como se muestra. El resto, o una fracción utilizable del gas producto, que se desplaza a través del orificio de purga 144, se dirige, a través de la conexión en T 150, hacia el montaje 68 de control de flujo.

Dentro del montaje 68 de control de flujo se encuentra un tanque de mezclado 154, un bloque de análisis 169, un regulador de presión 170, una válvula de control de flujo 92 convencional, válvulas de retención 190a, b, un filtro de bacterias 198 convencional, y un conector de salida 100. El tanque de mezclado 154 recibe el gas producto través de una tubería 152 y una conexión en T 150, para promediar el gas producto a la deseada concentración. Una vez que atraviesa el tanque de mezclado 154, el gas producto se empuja a través de la tubería 167 y se monitoriza mediante el regulador de presión 170 hasta que alcanza la válvula de control de flujo 92. El caudal del gas producto se controla independientemente mediante la válvula de control de flujo 92 para avanzar a través de la tubería 172 y de la válvula de retención 190a hacia el conector de salida 100.

Cuando el adsorbente 62 se satura y el adsorbente 60 se purga, el proceso anterior se invierte, y el adsorbente 60 se utiliza para producir gas producto de oxígeno concentrado. El proceso inverso es el mismo que el proceso anterior, excepto por tres diferencias. La primera diferencia es que la corriente de alimentación desde la bomba 24 se dirige hacia la válvula de alimentación 118 del adsorbente 60. La segunda diferencia es que el orificio de purga 144 se sustituye por el orificio de purga 146. La última diferencia consiste en que la válvula de descarga 122 se sustituye por la válvula de descarga 120. Así pues, una porción del gas producto fluye desde el adsorbente 60, a través del orificio de purga 146, hacia el montaje 68, y el balance fluye en una dirección contracorriente a través de la válvula 136 y el segundo bucle de purga 156 para purgar nitrógeno a través de la válvula 120 y el silenciador 126. Las válvulas de alimentación 116, 118, y las válvulas de descarga 120, 122 son una pareja de válvulas de solenoide. En cada pareja, una se encuentra abierta y la otra cerrada, dependiendo de la dirección del gas a través del respectivo adsorbente 60, 62.

Como se hará aparente de aquí en adelante, el aparato 20 y los componentes 30 están específicamente descritos e ilustrados, en relación con la aplicación de adsorción por cambio de presión, para el fraccionamiento de aire con el fin de producir una corriente rica en oxígeno. Por lo tanto, la corriente de alimentación suministrada al aparato 20 es aire atmosférico comprimido. Aunque la presente descripción se limita la producción de gas producto con la concentración de oxígeno deseada, es evidente que los expertos en la técnica podrían utilizar este aparato de adsorción por cambio de presión para producir, igualmente, otros gases.

El concentrador de oxígeno 20, mostrado en la figura 3, incluye una base 26, que soporta un alojamiento protector 28, que define un montaje 34 de armario con un panel posterior amovible (no mostrado), un panel frontal 38 amovible, un panel lateral izquierdo 40 amovible, y un panel lateral derecho 42 amovible. La base 26 incluye una estructura de soporte central fija, que constituye una placa trasera para acoplar los componentes 30 a la estructura de soporte. Un panel superior frontal 48 fijo sostiene un panel de control 50. Los componentes operativos 30, situados en la cara frontal del concentrador, incluyen un resonador de admisión 58, un montaje 24 de compresor, el panel de control 50, una pareja de adsorbentes 60, 62, y un montaje 68 de control de flujo. Los componentes operativos 30 del lado trasero del concentrador incluyen una pareja de adsorbentes 60, 62, una bloque de válvulas 64, un montaje 66 de colector de producto, un montaje 68 de control del flujo de producto, y una placa de circuito 70. Las funciones de estos componentes 30 se describen a continuación.

Cada adsorbente 60, 62 incluye un vaso, substancialmente alargado, acoplado a la estructura de soporte, y que tiene una cavidad interior, la cual está substancialmente llena con un lecho de material de adsorción, adaptado para adsorber nitrógeno del aire conducido hasta él. Adicionalmente, cada adsorbente 62 o 60 incluye una entrada 82a u 82b, y una salida 84a u 84b, contiguas a los extremos superior e inferior, respectivamente, del correspondiente vaso 80a u 80b del adsorbente. La entrada y la salida de cada adsorbente 60 o 62 están en comunicación fluida entre sí, a través del lecho de material de adsorción. Por lo tanto, el aire dirigido hacia dentro de la entrada 82a u 82b de cada adsorbente se expone al material de adsorción, mediante el cual se adsorbe el nitrógeno en el aire, y el gas producto resultante concentrado en oxígeno sale, a continuación, del correspondiente adsorbente a través de la salida 84a u 84b.

El lecho de adsorción de los adsorbentes 60, 62 puede comprender cualquiera de entre una variedad de materiales de adsorción, tal como un material de criba molecular conocido, como el silicato de sodio aluminoso. De modo característico, el material de adsorción adsorbe nitrógeno del aire, conducido a través del correspondiente adsorbente 60 o 62, desde la entrada 82b u 82a hacia la salida 84b u 84a de éste, de modo que el gas oxígeno producto que abandona la salida 84b u 84a del adsorbente posee la concentración de oxígeno deseada. Adicionalmente, el material de adsorción libera el nitrógeno adsorbido cuando un gas de purga se pasa contracorriente a través del adsorbente 60 o 62, con el propósito de regenerar el material de adsorción. Sólo uno de los adsorbentes 60 o 62 realiza la adsorción en un momento dado, mientras que el otro adsorbente 60 o 62 está en regeneración. Para incrementar la eficiencia de regeneración, se utiliza una cantidad de gas producto, producido por el adsorbente 60 o 62 que realiza adsorción, para purgar el otro adsorbente que experimenta la regeneración.

Un ventilador 63 convencional, mostrado esquemáticamente en la figura 6, se sitúa inmediatamente detrás del montaje 24 de compresor, para extraer aire hacia el aparato 20 a través de un orificio de ventilación (no mostrado), localizado en el panel posterior (no mostrado). El aire circula través del aparato 20 con el fin de enfriar los componentes 30, y una porción del aire se extrae hacia la entrada 22 del resonador de admisión 58.

El panel de control 50, ilustrado en la figura 3, comprende una instrumentación 90 del panel, tal como una válvula de control de flujo 92 convencional, y una válvula de concentración 93 convencional (por ejemplo una válvula Essex modelo nº FM023-1, con variaciones en el tamaño del orificio), un cuentavueltas 94, un fusible 96, un interruptor de encendido/apagado 98, un conector de salida 100, y un conector 102 de oxígeno suplementario. Esta instrumentación del panel se describirá a continuación.

Mucha de esta instrumentación 90 del panel y los componentes operativos 30 están conectados eléctricamente a la placa de circuito 70. La placa de circuito 70, mostrada en la figura 6 y descrita a continuación, se monta sobre la estructura de soporte mediante separadores aislados.

El montaje 66 de colector de producto, ilustrado en la figura 2, incluye válvulas de ecualización 136, tuberías 138, 148, 158, orificios de purga 144, 146, conexiones en T 140, 142, 150, 160, 162, y una válvula de concentración 93.

El montaje 68 de control del flujo de producto incluye tuberías 152, 167, 172, un tanque de mezclado 154, un bloque de análisis 169, un regulador de presión 170, una válvula de control de flujo 92, válvulas de retención 190a y 190b, y un conector de salida 100.

Según se refirió anteriormente, el funcionamiento del aparato 20 se inicia cuando el resonador de admisión 58 reciba aire a través de la entrada 22. El resonador 58 se conecta al montaje 24 de compresor mediante un montaje 106 de tubería.

Como se muestra en la figura 2, el montaje 24 de compresor incluye componentes convencionales, tales como un intercambiador de calor 108, un compresor 110, una válvula de seguridad 112, y un interruptor de alta presión 124. La válvula 112 está conectada operativamente al compresor 110 a través de la tubería 106. En funcionamiento, la válvula 112 limita la presión del aire suministrado al compresor 110 a un valor de presión predeterminado. De modo similar, el interruptor de alta presión 124 está conectado operativamente al intercambiador de calor 108, con el fin de limitar la presión de la corriente de alimentación a un límite predeterminado. El interruptor de alta presión 124 es un interruptor convencional, que indica alta presión dentro bloque de válvulas 64. El indicador puede ser bien sonoro, o bien visual, o incluso de ambos tipos. El indicador visual se ve, normalmente, a través de un dispositivo LED 132 convencional, localizado en la placa de circuito 70 (figura 6).

El bloque de válvulas 64 es un sistema integrado de válvulas y transferencia que asegura el funcionamiento adecuado de los diversos instrumentos. Los instrumentos incluyen una pareja de válvulas de alimentación 116, 118, la pareja de válvulas de descarga 120, 122, y el silenciador de descarga 126. Las válvulas de alimentación 116, 118 se encuentran conectadas entre el intercambiador de calor 108 y las entradas 82a, 82b del adsorbente. En esta conexión, dos secciones de tubería 128, 130 se prolongan, de modo adecuado, desde el bloque de válvulas 64 a las entradas 82a y 82b del adsorbente.

Las válvulas de descarga 120 y 122 están interconectadas con las entradas 82a, 82b del adsorbente, y conducen el gas y el nitrógeno purgados en la dirección contracorriente, a través de las tuberías 128, 130, al silenciador 126, para descargarse, posteriormente, a la atmósfera a través del silenciador 126. Los ruidos asociados normalmente con la descarga de una corriente de gas presurizado a la atmósfera se encuentran amortiguados por el silenciador 126.

El montaje 66 de colector de producto recibe el gas producto desde las salidas 84b, 84a de los adsorbentes 60 y 62, e incluye una válvula 136 de producto y ecualización, para igualar la presión interna de los adsorbentes 60 y 62 entre ciclos de producción de producto y de regeneración. La válvula de ecualización de producto 136 está conectada operativamente a las salidas 84a y 84b del adsorbente mediante la tubería 138 y las conexiones en T 140 y 142. Mediante la apertura de la válvula 136, los vasos 80a, 80b del adsorbente se comunican entre sí a través de las salidas 84a, 84b del adsorbente de manera que se permite la igualación de la presión interna de los adsorbentes 60 y 62. Mediante el cierre de la válvula 136 se evita el flujo de producto gaseoso entre las salidas 84a y 84b del adsorbente, a través de la válvula 136.

Adicionalmente, y en referencia a la figura 2, un par de orificios de purga 144, 146 se encuentran conectados, en una relación de flujos paralelos, con la válvula de ecualización de producto 136, por medio de una sección de tubería 148 entre las conexiones en T 140 y 142, y una tercera conexión en T 150. En funcionamiento, los orificios 144, 146 limitan el flujo de purga de gas oxígeno producto que avanza contracorriente a través de los adsorbentes 60, 62 para obtener la concentración alta de gas oxígeno producto óptima. Los orificios 144, 146 reducen, asimismo, las excursiones de la presión del gas oxígeno producto, sólo en correlación con la válvula de concentración 93, como se ilustra en la figura 5, que avanzan a través de las conexiones en T 150 hacia la tubería 152, la cual está conectada con un tanque de mezclado 154.

Junto con la igualación de la presión interna de los adsorbentes 60 y 62 se ilustra, de acuerdo con la invención, un segundo bucle de purga 156, que incluye una sección de tubería de purga 158, que se conecta, en una relación de flujo paralelo, a la válvula de ecualización de producto 136, y a los orificios de purga 144, 146, mediante conexiones en T 160, 162 en la tubería 138. Interconectada con la tubería de purga 158 se encuentra la válvula de concentración 93. La válvula 93 comprende múltiples orificios, que abarcan desde un caudal mínimo a un caudal máximo, los cuales se pueden alterar para conseguir las diferentes concentraciones deseadas de gas producto. En la tabla 1, a continuación, los símbolos A-G representa los diversos tamaños de orificio que proporcionan diferentes cantidades de gas producto dentro del bucle de purga 156, en la que A representar el mínimo y G representa el máximo.

Durante una operación de regeneración de uno de los adsorbentes 60, 62, la válvula de concentración 93 se ajusta, bien manualmente o, si así se desea, automáticamente, para permitir que una cierta cantidad de gas oxígeno producto se mueva entre las salidas 84a, 84b de los adsorbentes 62, 60. Según aumenta la cantidad de gas oxígeno producto que fluye a través de la válvula de concentración 93, la MTZ 10 del adsorbente se expande a través del lecho de adsorción 2, como se ilustra en la figura 4, hasta la línea 10c, de modo controlable, mientras que, simultáneamente, se estabiliza la zona de agua 6. En otras palabras, si la cantidad de gas producto que fluye a través de la válvula 93 disminuye, la MTZ 10 del adsorbente se vuelve más abrupta (como se muestra en la línea 10a), de modo similar pero no idéntico a la corriente de oxígeno al 95%, ilustrada en la figura 1A. Por lo tanto, la MTZ 10 del adsorbente 60 se puede controlar, como se muestra mediante las flechas 164, para producir el gas oxígeno producto resultante de la concentración deseada, dentro de un intervalo de concentraciones disponibles. El gas oxígeno producto resultante tiene un intervalo de concentraciones manejable y controlable mediante la reducción de las excursiones de presión del gas, como se ilustra en la figura 5, que puede ser controlado adicionalmente a través del montaje 68 de control del flujo de producto, descrito a continuación.

Cuando el gas oxígeno producto abandona el montaje 66 de colector de producto, como se muestra en la figura 2, el gas producto entra en el montaje 68 de control de flujo a través del tanque de mezclado 154, con el fin de promediar la concentración del gas producto. Adicionalmente, el tanque de mezclado 154 puede contener un material de adsorción, por ejemplo aquellos utilizados en los adsorbentes 60, 62, para asegurar que el nitrógeno se promedia en el gas producto.

El resto del montaje 68 de control del flujo de producto se encuentra conectado al tanque de mezclado 154 a través de la tubería 167, con el fin de recibir el gas oxígeno producto que fluye a través de aquél. El montaje 68 de control de flujo de producto comprende la válvula de control de flujo 92, el regulador de presión 170, que mantiene un intervalo de concentraciones deseado, y el bloque de análisis 169, como se muestra en la figura 6. El bloque de análisis 169 incluye un interruptor de baja presión 168 y un interruptor de alta presión 124, para detectar la presión del gas oxígeno producto en posiciones preseleccionadas en la tubería 167. Los interruptores 168 y 124 están interconectados con el panel de control 50.

Las válvulas 92 y 93 comprenden, cada una de ellas, muchos tamaños de orificio diferentes. Estos tamaños de orificio se pueden ajustar manualmente (o automáticamente, si así se desea), con el fin de controlar el flujo de gas oxígeno producto, o para conseguir la concentración deseada de gas oxígeno producto, que comprende, en relación con la válvula de concentración 93, desde, aproximadamente, un 95,5% de oxígeno hasta, aproximadamente, un 21% de oxígeno, preferiblemente dentro de intervalos como los ilustrados en la tabla 1.

TABLA 1

Posición de la válvula	Porcentaje	Concentración	(Válvula de	Litros
de concentración	O_{2}		control de flujo)	por minuto

	06	07	08	09	10	11	12	13	14	15
A	77	72	67	62	56	53	50	48	46	45
B	57	55	54	53	51	50	48	47	45	44
C	51	50	49	47	47	46	45	44	44	43
D	46	45	45	44	44	43	42	42	42	41
E	43	43	42	42	42	41	40	40	39	39
F	41	41	41	40	40	39	39	39	39	39
G	40	40	39	39	39	38	38	37	37	37

Acoplado a la descarga, o al lado de la válvula de control de flujo 92 situado corriente abajo, se encuentra una sección de tubería 172, la cual está conectada al conector de salida 100 sobre el panel 50, a través del cual el gas oxígeno producto abandona el concentrador 20.

El funcionamiento del concentrador de oxígeno 20 se puede describir brevemente mediante una descripción de la secuencia de los 6 medios de válvula del concentrador 20, como se ilustra en las figuras 2 y 6. En el inicio del funcionamiento del concentrador 20, las válvulas 116, 118, 120, 122, y 136 están abiertas para eliminar la presión de retorno y, a continuación, se cierran mediante un mecanismo temporizador de interruptores y relés convencionales, impresos en la placa de circuito impreso 70. La fuente de aire que entra en el concentrador 20 a través de la entrada 22 es, por lo tanto, dirigida a través del adsorbente 62 desde su entrada 82a hacia su salida 84a, en una dirección favorable a la corriente. Una cantidad de oxígeno emitida desde la salida 84a del adsorber, que depende del tamaño del orificio de la válvula de concentración 93 seleccionado, se dirige en paralelo a través de la válvula 93 y, en parte, a través de los orificios 144, 146, en una dirección contracorriente, a través del adsorbente 60 desde la salida 84b a la entrada 82b de éste, y a través de la válvula de descarga 122, la cual se abre mediante el mecanismo temporizador. El balance del gas producto resultante con la concentración deseada de oxígeno se envía al tanque de mezclado 154.

El funcionamiento continúa hasta que el adsorbente 62 está casi saturado con nitrógeno. La determinación de cuándo el adsorbente está casi saturado se ha predeterminado, y se controla a través del mecanismo temporizador, el cual controla las diversas válvulas 116, 118, 120, 122, y 136. Cuando esto le ocurre al adsorbente 62, la válvula de alimentación 116 y la válvula de descarga 122 se cierran, y la válvula de ecualización 136 se abre para permitir la igualación de la presión interna de los adsorbentes 60, 62. Una vez que las presiones del adsorbente se igualan, la válvula de ecualización 136 se cierra, y la válvula de alimentación 118 del adsorbente 60 y la válvula de descarga 120 del adsorbente 62 se abren. La fuente de aire que entra en el concentrador 20 a través de la entrada 22 es, por tanto, dirigida a través del adsorbente 60 desde su entrada 82b hacia su salida 84b, en la dirección favorable a la corriente. De modo similar, una cantidad de gas producto emitido desde la salida del adsorbente 84b, que depende del tamaño del orificio de la válvula del concentrador 93 seleccionado, se dirige a través de la válvula 93 y los orificios 144, 146 en una dirección contracorriente, a través del adsorbente 62 desde la salida 84a hacia la entrada 82a de éste, y a través de la válvula de descarga 120. El gas oxígeno producto resultante tiene la concentración deseada, de acuerdo con el ajuste de la válvula 93.

Cuando el adsorbente 60 está a punto de saturarse y purgarse, la válvula de alimentación 118 y la válvula de descarga 120 se cierran, y la válvula de ecualización 136 se abre para permitir, de este modo, la igualación de las presiones internas de los adsorbentes 60, 62. En este punto, los ciclos de funcionamiento se repiten, con el cierre de la válvula de ecualización 136 y la reapertura de la válvula de alimentación 116 y de la válvula de descarga 120. De esto se sigue que, mientras un adsorbente produce un gas producto rico en oxígeno en un ciclo de producción de producto, el otro adsorbente está siendo purgado de los gases adsorbidos en una operación de regeneración, y viceversa.

Cada una de las válvulas de alimentación, descarga y ecualización anteriormente mencionadas es, preferiblemente, una válvula de solenoide, que responde al encendido o apagado de la alimentación de la válvula. El control de las diversas operaciones de producción de producto y de regeneración se realiza mediante la secuencia adecuada de apertura y cierre de las válvulas de alimentación, descarga y ecualización. El control de esas válvulas en el concentrador 20 se consigue mediante mecanismos temporizadores de interruptores y relés convencionales, impresos en la placa de circuito impreso 70. El mecanismo temporizador está conectado de modo operativo a las válvulas, con el fin de encender y apagar éstas al final de un periodo de tiempo predeterminado. Esto es, las operaciones de producción de producto y de regeneración se controlan automáticamente en el concentrador 20 mediante el control automático de la cantidad de tiempo que cada una de las válvulas de alimentación, descarga y ecualización están abiertas y cerradas.

Como se ilustra en la figura 6, el mecanismo temporizador impreso en la placa de circuito 70 controla estas numerosas válvulas mediante circuitería convencional e interruptores conocidos por aquellos expertos en la técnica. La placa 70 está conectada, asimismo, a una unidad de batería 173 y a un avisador 174, como son los dispositivos indicadores LED 132. El avisador 174 está conectado a los interruptores 124, 168. La alimentación se recibe, generalmente, a través de una conexión eléctrica, tal como un enchufe eléctrico 176 y una fuente secundaria externa de alimentación 177. El enchufe 176 y la fuente 177 están interconectados mediante un conector 179, como se muestra. La alimentación se suministra a la placa de circuito 70 a través de un fusible 96, y un interruptor de alimentación maestro 98. La placa de circuito 70 dirige y controla, por lo tanto, las válvulas 116, 118, 120, 122, y 136, el panel de instrumentos 90, el montaje 24 de compresor, con un interruptor de corte de alta temperatura 112 en serie, y el ventilador de circulación del aire. En caso de una emergencia, el aparato 20 tiene una unidad de batería 173 que está conectada eléctricamente a la placa de circuito 70. Cuando la unidad de batería 173 está en funcionamiento, el avisador 174 avisa al usuario.

En otras realizaciones de la presente invención, el circuito eléctrico se puede conectar a un sistema de módem convencional (no mostrado), el cual determina los tiempos de operación y los ajustes, y permite a un administrador controlar y ajustar las válvulas 116, 118, 120, 122 y, opcionalmente, los ajustes de las válvulas 92 y 93, si esas válvulas se encuentran conectadas a la placa de circuito 70.

Los medios de alojamiento 28 se puede fabricar en un material convencional a prueba de ruido, y, para su portabilidad, la base 26 puede tener ruedas 178, 180, como se muestra en las figuras 3 y 4.

Se debe entender que se pueden realizar numerosas modificaciones y sustituciones en las realizaciones descritas sin alejarse del espíritu de la invención. Igualmente, la realización descrita se entiende para el propósito de ilustración y no como una limitación.

Claims

1. Un aparato de adsorción modulado por presión para modificar, selectivamente, las concentraciones relativas de los gases constituyentes de una mezcla gaseosa de dos o más gases constituyentes y que tiene:

(a): Al menos un par de adsorbentes (60, 62), cada adsorbente tiene un extremo (82a, 82b) para recibir la mezcla gaseosa y mover la mezcla gaseosa a través del adsorbente, en una dirección favorable a la corriente, hacia el otro extremo (84a, 84b) del adsorbente, cada adsorbente define una pluralidad de zonas de transferencia de gas (6, 8, 10), que incluyen una zona de transferencia de masa (10) para adsorber, al menos, una porción sustancial de uno de los gases constituyentes en la mezcla gaseosa, con el fin de producir un gas producto, y que descarga el gas producto a través del otro extremo (84a, 84b);

(b): Medios de válvula (116, 118) para dirigir la mezcla gaseosa hacia cada uno de los extremos de recepción de los adsorbentes (82a, 82b), en la dirección favorable a la corriente de modo alternativo;

(c): Un controlador de caudal (92), para controlar el caudal de gas producto;

(d): Un montaje (68) de control de flujo, acoplado de manera fluida a los otros extremos (84a, 84b) de los adsorbentes, para recibir como salida, una porción del gas producto descargado en la dirección favorable a la corriente desde cada uno de los otros extremos (84a, 84b) de los adsorbentes (60, 62); y

(e): Medios de purga (144, 146), conectados de manera fluida a los otros extremos (84a, 84b) de los adsorbentes (60, 62), para dirigir una porción predeterminada del gas producto, que fluye en la dirección favorable a la corriente, desde un adsorbente (60, 62), para que fluya a través del otro adsorbente (60, 62), en una dirección contracorriente, desde el otro extremo (84a, 84b) hacia el primer extremo (82a, 82b) del otro adsorbente (60, 62), para purgar y expulsar, a través del primer extremo (82a, 82b) del otro adsorbente (60, 62), una cantidad suficiente de uno de los gases constituyentes adsorbidos por el otro adsorbente (60, 62);

La mejora caracterizada por

(f): Un controlador de concentración de gas (156, 93), separado del controlador de caudal (92), el controlador de concentración de gas conectado de manera fluida al adsorbente (60, 62) para cambiar de modo selectivo las concentraciones de los gases constituyentes en la porción de gas producto enviada al montaje de control de flujo (68), mediante el desvío selectivo, adicionalmente a la porción predeterminada, de cantidades variables de gas producto descargado desde el primer adsorbente (60, 62) para fluir a través del otro adsorbente (60, 62) en la dirección contracorriente para controlar la localización de, al menos, la zona de transferencia de masa (10) en el primer adsorbente (60, 62) y producir una concentración seleccionada, de entre un número de concentraciones, del otro gas constituyente en el gas producto recibido por el montaje de control de flujo (68).

2. El aparato de adsorción modulado por presión, de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el controlador de la concentración de gas (156, 93) comprende medios de válvula (93), que definen un orificio de un tamaño para desviar la cantidad seleccionada de gas producto adicional.

3. El aparato de adsorción modulado por presión, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2, en el cual el controlador de la concentración de gas (156, 93) comprende medios para seleccionar el orificio de entre un número de tamaños de orificio.

4. El aparato de adsorción modulado por presión, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el controlador de la concentración del gas (156, 93) y el controlador de caudal (92) cambian selectivamente, en un intervalo de entre, aproximadamente, 95,5% a, aproximadamente, 21% la concentración del otro gas constituyente en la porción de gas producto recibida por los medios de recepción.

5. El aparato de adsorción modulado por presión, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el rango de concentraciones se encuentra entre, aproximadamente, 77% a, aproximadamente, 37%.

6. El aparato de adsorción modulado por presión, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el controlador de caudal (92) produce un caudal seleccionado de gas producto en un intervalo de, aproximadamente, 6 a, aproximadamente, 15 litros por minuto.

7. El aparato de adsorción modulado por presión, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual una de las zonas de transferencia de gas (6, 8, 10) de cada adsorbente (60, 62) comprende una zona de adsorción de agua (6) para adsorber, sustancialmente, cualquier cantidad de agua en la mezcla gaseosa, y el controlador de concentración de gas (156, 93) estabiliza, adicionalmente, la zona de adsorción de agua (6), y/o en el cual el primero de los gases constituyentes comprende nitrógeno, y el otro gas constituyente comprende oxígeno.

8. Un procedimiento para cambiar selectivamente las concentraciones relativas de una mezcla de gases, con el fin de producir un gas producto con la concentración deseada de uno de los gases constituyentes, seleccionada de entre un número de concentraciones diferentes del gas constituyente en el gas producto, que utiliza un aparato de adsorción modulado por presión, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende:

: mover alternativamente la mezcla gaseosa, a un caudal predeterminado, a través de uno de los adsorbentes para generar el gas producto mediante la adsorción de, al menos, una porción sustancial del otro gas constituyente;

: mover una porción predeterminada del gas producto, generado mediante uno de los adsorbentes, a través del otro adsorbente para purgar suficientemente el otro gas constituyente adsorbido por el otro adsorber,

: desviar desde dicho un adsorbente una porción variable de gas producto, adicionalmente a la porción predeterminada, hacia dicho otro adsorbente para controlar, independientemente del caudal de gas producto, la cantidad de adsorción del otro gas constituyente en dicho un adsorbente, para producir el gas producto con la concentración deseada del otro gas constituyente; y

: enviar a unos medios de recepción (154) el balance de gas producto que tiene la concentración deseada del otro gas constituyente.

9. El procedimiento, de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende, adicionalmente, el paso de controlar el caudal del gas producto enviado dentro de un intervalo predeterminado de caudales, independientemente del paso de desviar la porción variable del gas producto.

10. El procedimiento, de acuerdo con las reivindicaciones 8 o 9, en el cual el paso de desviar una porción variable del gas producto comprende el paso de hacer pasar el gas producto desviado a través de un orificio, y seleccionar el tamaño del orificio para desviar la cantidad deseada de gas producto.

11. El procedimiento, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el cual el paso de desviar la porción variable de gas producto produce la concentración del primer gas constituyente en el gas producto utilizable, en un intervalo de, aproximadamente, 95,5% a, aproximadamente, 21%.

12. El procedimiento, de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual el intervalo de concentraciones del otro gas constituyente en el gas producto es de, aproximadamente, 77% a, aproximadamente, 37%.

13. El procedimiento, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en el cual el caudal predeterminado se encuentra dentro de un rango de caudales de, aproximadamente, 6 a, aproximadamente, 15 litros por minuto.

14. El procedimiento, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en el cual cada adsorbente incluye una zona (6) para adsorber, sustancialmente, cualquier cantidad de agua en la mezcla gaseosa y comprende, adicionalmente, el paso de controlar y estabilizar la zona de adsorción de agua de dicho adsorbente.