FI89771C - Separation av gaser medelst tryckvaexling - Google Patents

Description

' ", ^ ·~ι 1 1 ///1 Kaasujen erotus paineen vaihtelulla

Keksintö kohdistuu painevaihteluun perustuvan kaa-sunerottimen käyttöön. Keksinnön kohteena on myös paine-5 vaihteluun perustuvan kaasunerottimen käyttö paineistetun ja paineistamattoman tilan välisellä alle 0,1 baarin paine-erolla ja toistotaajuudella, joka on suurempi kuin yksi jakso sekunnissa.

Painevaihteluun perustuvat kaasunerottimet käsit-10 tävät adsorbenttikerroksen, joka adsorboi ensisijaisesti ainakin yhden kaasun kaasuseoksesta. Painevaihteluun perustuva kaasunerotin käyttää tätä ensisijaista adsorptiota mainitun kaasun poistamiseksi ensisijaisesti kaasuseoksesta, niin että saadaan joko enemmän ensisijaisesti adsorboi-15 tua kaasua sisältävä kaasuseos tai vähemmän ensisijaisesti adsorboitua kaasua sisältävä käytetty kaasuseos. Tällaisissa painevaihteluun perustuvissa kaasunerottimissa adsor-benttikerros paineistetaan kaasuseoksella ja ensisijaisesti adsorboitua aineosaa adsorboidaan kerrokseen niin kauan, 20 että kerros on kyllästetty tällä kaasuseoksen aineosalla. Tämän jälkeen kerros tuuletetaan ja ensisijaisesti adsorboidun aineosan käyttämä kaasuseos poistetaan. Sitten kerroksen painetta alennetaan ja kerrokseen adsorboitunut kaasu poistetaan näissä olosuhteissa, jolloin saadaan kaasu, 25 jossa on paljon ensisijaisesti adsorboitua kaasua.

Tällä alalla on viime aikoina tehty paljon työtä nimenomaan niin sanottuun nopeaan painevaihteluun perustuvaan adsorptiomenetelmään liittyen, jossa edellä esitetyn toiminnon jakson kestoaika on yleensä alle 30 sekuntia ja 30 jossa adsorbenttikerros on järjestetty niin, että kaasuseos syötetään kerrokseen toiselta puolelta ja runsaasti ensisijaisesti adsorboitua aineosaa sisältävä kaasuseos poistetaan tältä puolelta desorption jälkeen, mutta se kaasu tai ne kaasut, jotka eivät ole adsorboituneet ensisijaisesti 35 adsorbenttikerrokseen, poistetaan adsorbenttikerroksen jatkuvasti tuuletettavalta vastakkaiselta puolelta. Esimerkkejä tällaisista järjestelmistä selostetaan patenttihakemuk- 2

f Ί I

• / ' 1 sissa EP—A—0 008 619, EP-A-0 013 680 ja EP-A-0 055 160.

Tämän keksinnön ensimmäisen näkökohdan mukaan pai-nevaihteluun perustuvaa kaasunerotinta käytetään sen paineistetun ja paineistamattoman tilan välisellä alle 0,1 5 baarin paine-erolla. Oheistetuissa patenttivaatimuksissa 2 ja 3 on esitetty kaasunerottimen kaksi suositeltavaa käyttötapaa .

Nykyisissä nopeaan painevaihteluun perustuvissa kaasunerottimissa kerrokseen kohdistuu painevaihtelu, jo 10 kaonainakin 1/2 tai useimmiten 2/3 baaria. Näin suuren painevaihtelun muodostamiseksi tarvitaan huomattava määrä energiaa. Käytettäessä tämän keksinnön ensimmäisen näkökohdan mukaista painevaiheluun perustuvaa kaasunerotinta hyvin paljon pienemmällä paine-erolla ja alle 0,1 baarin 15 paine-erolla tarvitaan paljon vähemmän energiaa, vaikka yleensä jokaiseen painevaihteluun liittyen muodostuukin pienempi määrä kaasua.

Painevaihteluun perustuva kaasunerotin toimii keksinnön toisen näkökohdan mukaan mieluimmin sellaisella 20 toistotaajuudella, joka on yli 10 jaksoa sekunnissa, ja tavallisesti sellaisella toistotaajuudella, joka on 50 -200 jaksoa sekunnissa. Näin ollen keksinnön toisen suoritusmuodon mukainen paine vaihteluun perustuva kaasunerotin on paljon nopeampi kuin aikaisemmat rakenteet, jotka koske-25 vat nopeaan painevaihteluun perustuvaa adsorptiota, kertoimen ollessa tällöin jopa 1 000. Painevaihteluun perustuva kaasunerotin käsittää yhdistelmänä tämän keksinnön ensimmäisen ja toisen näkökohdan, ja näin ollen sen toiminnan suuri toistotaajuus kompensoi enemmän kuin riittävästi jo-30 kaisen jakson aikana tuotetun pienen kaasumäärän. Tämän keksinnön ensimmäisen ja toisen näkökohdan yhdistelmällä saadaan hyvä kaasuntuotanto vain pienellä energiamäärällä.

Keksinnön mukaiselle kaasunerottimelle on tunnusomaista, että siinä on painelaitteet, jotka toimivat reso-35 nanssijärjestelmän resonanssitaajuudella adsorbenttikerrok-sen paineistamiseksi ja paineen poistamiseksi siitä, niin että poistetun kaasuseoksen paine-energia saadaan suurim- . 1 '1 3 - f f \ malta osalta talteen ja että se on sovitettu toimimaan paineistetun ja paineistamattoman tilan välisellä alle 0,1 baarin paine-erolla. Keksinnön mukaisen kaasunerottimen suositeltavat suoritusmuodot on esitetty oheistetuissa pa-5 tenttivaatimuksissa 5-10.

Käytettäessä keksinnön mukaista resonanssijärjestelmää saadaan talteen paljon puristusenergiaa, koska tällöin voidaan säilyttää se paine-energia, joka sisältyy kerroksen toiselta puolelta huuhdeltuun kaasukomponenttiin.

10 Keksinnön mukaisella järjestelyllä pääasiassa vain adsor-benttikerroksen kitkahäviöt menevät hukkaan. Näin ollen painevaihteluun perustuvan kaasunerottimen käyttämiseen tarvittava energiamäärä pienenee vielä käsiteltävän keksinnön tämän näkökohdan mukaan.

15 Tämän keksinnön kaksi ensimmäistä näkökohtaa ja keksinnön mukainen resonanssijärjestelmään kuuluva kaasun-erotin ("kolmas näkökohta") yhdistetään mieluimmin toisiinsa. Tämän patenttihakemuksen tekijä on muodostanut termin "akustisen paineen vaihteluun perustuva kaasunerotus" ku-20 vaarnaan tätä järjestelmää.

FI-patenttihakemus 874 918 sisältää selostuksen ja patenttivaatimukset kaasuresonanssilaitteesta, jossa on resonanssiputki, jonka poikkileikkaus kasvaa sen koko pituudella, lämpölähde resonanssiputken toisessa päässä ja 25 laite värähtelyjen synnyttämiseksi kaasuun resonanssiput-. kessa. Resonanssiputki on muodoltaan mieluimmin suippokaa- rinen ja lämpölähde sekä kaasuun värähtelyjä resonanssiput-kessa synnyttävä laite on muodostettu mieluimmin pulssi-.. . polttoyksikkönä, jonka pulssintoistotaajuus vastaa kaasu- 30 resonanssiputken resonanssitaajuutta. Tällaisen lämpökäyt-töisen kaasuresonanssilaitteen synnyttämiä paineaaltoja : · selostetaan myös ja esitetään patenttivaatimukset, jotka liittyvät painevaihteluun perustuvan kaasunerottimen käyttöön.

35 Tämän keksinnön toinen ja kolmas näkökohta eivät käsitä FI-patenttihakemuksessa 874 918 selostettuja ja patenttivaatimuksissa esitettyjä yhdistelmiä.

4 r - ^ n 1 - - / f ! Tämän keksinnön neljännen näkökohdan mukaan paine-vaiheluun perustuva kaasunerotin käsittää adsorbenttiker-roksen, viritetyn kalvon, joka on lähellä adsorbenttiker-roksen toista pintaa, mutta erillään siitä, käyttölait-5 teen, joka on järjestetty käyttämään kalvoa sen resonans-sitaajuudella adsorbenttikerrosta päin ja siitä poispäin, venttiililaitteen kaasuseoksen syöttämiseksi kalvon ja kerroksen väliseen tilaan ja käytetyn kaasuseoksen poistamiseksi tästä tilasta ja kaasunpoistoaukon, joka on yhteydes-10 sä adsorbenttikerroksen toiseen pintaan, kalvon liikkeen adsorbenttikerrokseen päin ja siitä poispäin paineistaessa tällöin kerroksen ja poistaessa sen paineen.

Käyttölaite voi olla muodostettu lämpökäyttöisenä kaasuresonanssilaitteena FI-patenttihakemuksessa 874 918 15 selostetulla tavalla tai se voidaan muodostaa sellaisena kaasuresonanssilaitteena, jossa on pulssipolttoyksikkö, joka on sijoitettu suunnilleen pallon muotoisen resonans-sikammion keskiosaan. Tällaisen lämpökäyttöisen kaasureso-nanssilaitteen etuna on, että FI-patenttihakemuksessa 20 874918 mainitut seinämäkitkahäviöt on eliminoitu kokonaan.

Pulssipolttoyksikkö synnyttää suunnilleen pallon muotoisen, laajenevan aaltorintaman, johon ei liity lainkaan seinämä-kitkaa, kun se liikkuu resonanssikammion keskiosasta re-sonanssikammion ulkopuolelle.

: - · 25 Kaasuresonanssilaite käsittää mieluimmin laitteen . räjähtävän kaasuseoksen synnyttämiseksi pulssipolttoyksik- • - köön. Pulssipolttoyksikön pulssitoistotaajuus vastaa mie luimmin suunnilleen pallon muotoisen resonanssikammion re-sonanssitaajuutta, joka riippuu paljon kammion säteestä.

30 Laite, jolla räjähtävä seos syötetään pulssipolttoyksik- köön, voi käsittää viritetyn venttiilin tai resonanssiput-ken, niin että pulssipolttoyksikkö saa räjähtävän seoksen pulsseina. Tässä tapauksessa räjähtävä seos syötetään mieluimmin suunnilleen pallon muotoisen resonanssikammion re-35 sonanssitaajuudella.

Painevaihteluun perustuva kaasunerotin käsittää mieluimmin molekyyliseulamateriaalia olevan kerroksen, joka f · n ) 5 1 on suunnilleen pallon muotoisen resonanssikammion kehällä. Resonanssikammio on muodostettu mieluimmin kaksikymmenta-hokkaana. Tässä tapauksessa jokainen molekyyliseulamateri-aalista koostuva kerros on suunnilleen pyöreä kerrosten 5 ollessa sijoitettu resonanssikammion sivuseinämään ja kolmen pyöreän kerroksen ollessa kokonaan kaksikymmentahokkaan jokaisessa suunnilleen kolmion muotoisessa segmentissä ja aina yhden kerroksen ollessa tällöin kaksikymmentahokkaan jokaisessa kärjessä.

10 Kalvoa, joka erottaa resonanssikammion sisäpuolen molekyyliseulamateriaalia olevasta kerroksesta, voidaan käyttää pääasiassa kartion muotoisissa resonanssikammioissa FI-patenttihakemuksessa 874 918 selostetulla tavalla tai suunnilleen pallon muotoisissa resonanssikammioissa. Kaasun 15 mekaaniset värähtelyt synnyttävät kalvon vastaavan värähtelyn, mutta kalvo muodostaa fyysisen sulun, joka erottaa adsorbenttikerroksen resonanssikammion sisäosasta ja estää tällöin sen, että pulssipolttoyksikön palamistuotteet eivät saastuta adsorbenttikerrosta. Kalvon halkaisija, vahvuus ja 20 jäykkyys valitaan mieluimmin niin, että kalvon luonnollinen resonanssitaajuus vastaa resonanssikammion luonnollista resonanssitaajuutta.

Käyttölaite voidaan muodostaa sähkökäyttölaitteena. Tässä tapauksessa suositetaan, että sähkökäyttölaite käsit-25 tää ankkurikäämin ja staattorin, joista toinen on yhdistetty kalvoon ja toinen on sijoitettu kiinteään, ympärillä olevaan runkoon, jolloin laitetta käytettäessä ankkuriin kohdistettu värähtelyvirta saa ankkurin ja tällöin myös kalvon värähtelemään staattoriin nähden. Staattori voidaan 30 muodostaa kestomagneettina, mutta se on mieluimmin sähkö- magneetti. Syötettäessä sähkökäyttölaitetta päävirtaverkos-ta suositetaan, että kalvo viritetään verkkotaajuudelle, joka on 50 tai 60 Hz, ja että laitetta käytetään yksivaihe-virralla.

35 Käyttölaitteena voi ollä vaihtoehtoisesti mootto ri, joko sähkömoottori tai polttomoottori. Tässä tapauksessa kalvo voidaan yhdistää moottorin pyörimisakseliin kammella tai muulla epäkeskoliitännällä tai moottori voi- 6 ί. ; 7 7'! daan kiinnittää kalvoon ja järjestää niin, että se pyörittää tasapainottamatonta kuormaa.

Venttiililaite kaasuseoksen päästämiseksi kalvon ja adsorbenttikerroksen väliseen tilaan ja kaasuseoksen 5 poistamiseksi tästä tilasta käsittää mieluimmin renkaan muotoisen venttiili-istukan, joka liittyy kalvoon, ja kalvo muodostaa venttiilin sulkuosan, joka muodostaa kaa-sutiiviin sulun renkaan muotoista kalvoa vasten, mutta kalvon liikkuessa pois adsorbenttikerroksesta sulkuosa nou-10 see ylös istukasta ja päästää kaasun istukan ja kalvon väliin.

Venttiililaitteessa voi olla poistoventtiili kalvon keskiosassa, niin että kaasuseos liikkuu säteen suunnassa sisäänpäin renkaan muotoisesta venttiili-istukasta 15 kalvon keskiosan suuntaan. Tässä tapauksessa poistoventtiili on järjestetty niin, että se avautuu tuloventtiilin jälkeen, mutta sulkeutuu suunnilleen samanaikaisesti sen kanssa. Yksi tapa tämän järjestämiseksi on, että poisto-venttiilin sulkuosa liukuu vapaasti tietyissä rajoissa 20 kalvoon kiinnitetyssä akselissa, niin että poistoventtiilin ·.· sulkuosan liikkuessa kalvon mukana pois adsorbenttiker roksesta se on ensimmäisessä asennossaan akselissa, mutta sen liikkuessa kalvon mukana adsorbenttikerroksesta päin se on toisessa asennossaan akselissa.

25 Vaihtoehtoisesti renkaan muotoisen venttiili- istukan ja kalvon muodostama venttiili toimii sekä tulo-että poistoventtiilinä. Tässä tapauksessa suositetaan, että .. . kalvoon kohdistetaan harmoninen värähtely, niin että kal von perusvärähtelyn lisäksi, joka suuntautuu adsorbenttiker-30 rosta päin ja siitä poispäin, esiintyy myös päällekkäistä • lisävärähtelyä, joka on aalto, joka liikkuu kalvon toi selta puolelta sen toiselle puolelle. Kun kalvo siirtyy näin irti adsorbenttikerroksesta, kalvon toinen puoli nousee alustavasti ylös renkaan muotoisesta istukastaan.

35 Pienempi paine, joka on muodostunut kerrokseen kalvon siirtyessä pois siitä, imee kaasuseosta kalvon ja kerroksen 7 Γ.7 7'! väliseen tilaan istukastaan nousseen kalvoventtiilin istukan kautta kalvon toisella puolella. Hetken kuluttua myös kalvon toinen puoli nousee ylös renkaan muotoisesta istukasta. Kalvon toiselle puolelle tulleella kaasulla on tiet-5 ty sivuttainen liikemäärä, joka jatkuu ja kasvaa kalvon taipumisesta johtuen ja saa aikaan kaasuvirtauksen kalvon toiselta puolelta sen toiselle puolelle, mikä aiheuttaa puolestaan sen, että kerroksen ja kalvon välisestä tilasta tuleva käytetty kaasu poistuu kalvon toiselta puolelta. 10 Kalvon kääntyessä takaisin adsorbenttikerrosta päin kalvon toinen puoli koskettaa ensin renkaan muotoiseen venttiili-istukkaan ja sitten myös kalvon toinen puoli. Kalvon siirtyessä edelleen adsorbenttikerrosta päin se paineistaa kerroksen ja siirtyy sitten pois kerroksesta, jolloin kerrok-15 sen paine laskee, minkä jälkeen kalvon toinen puoli nousee ensin ylös venttiili-istukastaan ja jakso toistuu. Tällä tavalla suoritetaan adsorbenttikerroksen paineistaminen ja sen paineen poistaminen kalvon perusvärähtelyn avulla, mutta tämän lisäksi kalvoon suuntautuvasta harmonisesta 20 värähtelystä johtuen siihen syntyy myös poikittainen aaltoliike, joka ohjaa kaasun poikittain adsorbenttikerroksen yläosan läpi. Tällä saadaan nimenomaan tehokas puhdistus-toiminto, joka huuhtelee käytetyn kaasuseoksen kerroksen yläosasta kalvon jokaisen värähtelyn aikana.

25 Tämä harmoninen lisäliike voidaan kohdistaa kal voon esimerkiksi sijoittamalla kalvon toiselle puolelle tietty epäkeskinen massa, jota vastaa mieluimmin kalvon vastaava keventäminen toisella puolella. Tämä on erittäin edullista silloin, kun kalvoa käytetään lämpökonella.

30 Vaihtoehtoisesti, kun kalvon käyttövoimana on sähkökäyttö-laite tai mekaaninen liitäntä, se on sijoitettu pois kalvon keskustasta. Käytettäessä kalvoa kammella tämä harmoninen lisävärähtely voidaan saada aikaan myös kytkemällä kämmen toinen pää suoraan kalvoon, niin että kämmen kal-35 voon yhdistävän yhdystangon kulmakallistuminen kohdistuu suoraan kalvoon ja aiheuttaa sen vastaavan taipumisen.

8

Γ ι“7 I

-J / f ! Tämän keksinnön mukainen painevaihteluun perustuva kaasunerotin on järjestetty mieluimmin niin, että sitä käytettäessä kaasuseos tulee kerrokseen tietyllä tulono-peudella, joka on riittävän pieni, niin että se takaa 5 kaasun laminaarisen virtauksen adsorbenttikerroksessa. Kerrokseentulonopeus, jolla laminaarinen virtaus syntyy, on kerroksen hiukkaskoon funktio, kuten myöhemmin yksityiskohtaisemmin selostetaan, ja näin ollen suositetaankin, että kerroksen hiukkaskoko on suunnilleen 174 mm tai pie-10 nempi. Kun kerrokseen järjestetään laminaarinen virtaus, ensinnäkin ne kitkahäviöt, joita esiintyy akustisen paineen vaihteluun perustuvassa kaasunerotusjärjestelmässä, vähenevät, mikä vähentää vielä erotusprosessissa tarvittavaa energiaa. Kuitenkin tämän lisäksi laminaarista vir-15 tausta käytettäessä saadaan tehokkaampi erotustoiminto käytetyn kaasuseoksen ja sen kaasuseoksen välille, jossa on runsaasti sellaista kaasua, jota adsorbenttikerros ei adsorboi ja joka liikkuu adsorbenttikerroksen toisesta pinnasta sen toiseen pintaan.

20 Adsorbenttikerros on mieluimmin leveä ja matala ja poikkeaa näin ollen niistä adsorbenttikerrosjärjestelyistä, joita käytetään tavanomaisessa nopeaan painevaihteluun perustuvissa adsorptiojärjestelmissä, joissa maksimitehoa varten tarvitaan suhteellisen kapea, mutta syvä 25 kerros. Adsorbenttikerroksen materiaalimäärä vastaa yleensä suunnilleen sitä materiaalimäärää, jota käytetään nopeaan painevaihteluun perustuvissa adsorptiojärjestelmissä, suositettavan kaasun vastaavaa tuotantoa varten.

Erilaisia esimerkkejä tämän keksinnön mukaisesta 30 painevaihteluun perustuvasta kaasunerotuksesta ja siihen liittyvää teoriaa selostetaan nyt viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 on poikkileikkaus ensimmäisestä rakenne-esimerkistä, 35 kuvio 2 on osaleikkaus ensimmäisestä rakenne- esimerkistä , 9 r;: ? ι kuvio 3 on leikkaus kaasunerotusmoduulin ensimmäisestä rakenne-esimerkistä, kuvio 4 on graafinen esitys ja havainnollistaa kaasunerotusmoduulin ensimmäisen rakenne-esimerkin vent-5 tiilien siirtymistä aikaan nähden, kuvio 5 on leikkaus kaasunerotusmoduulin toisesta rakenne-esimerkistä, kuvio 6 on suurennettu poikkileikkaus kalvosta, kuvio 7 esittää ryhmän poikkileikkauksia kaasun-10 erotusmoduulin toisen rakenne-esimerkin kalvosta sen taipumisen havainnollistamiseksi, ja kuvio 8 on poikkileikkaus toisesta rakenne-esimerkistä .

Lämpökäyttöinen kaasuresonanssilaite käsittää 15 suunnilleen pallon muotoisen kammion 1 ja sen keskelle sijoitetun pulssipolttoyksikön 2. Polttoyksikkö 2 käsittää viritetyn suuntaisventtiilin, jota selostetaan tämän keksinnön tekijän aikaisemmassa FI-patenttihakemuksessa 874 918. Ilman ja jonkin sopivan polttokaasun muodos-20 tama polttoseos syötetään kammioon 1 viritetyn suuntaisventtiilin kautta. Polttoseos syttyy jaksottain pallon muotoisen kammion 1 resonanssitaajuutta vastaavalla taajuudella. Polttoyksikössä on sytytystulppa, joka suorittaa alkusytytyksen, mutta sen jälkeen pulssipalaminen jatkuu 25 itsenäisesti.

Vaihtoehtona viritetyn suuntaisventtiilin käyttämiselle polttoyksikössä polttoseos voidaan syöttää kammioon 1 resonoivalla kaasunsyöttöputkella, joka suuntautuu kammioon 1 ja on viritetty niin, että se syöttää poltto-30 seoksen pulsseina halutulla pulssintoistotaajuudella.

Polttoyksikön toimiessa edellä selostetulla tavalla kammion 1 keskiosaan saadaan pulssilämpölähde, joka saa aikaan suunnilleen pallomaisen, laajenevan aaltorintaman. Koska polttoyksikön taajuus vastaa kammion resonanssitaa-35 juutta, polttoyksikkö käyttää kammion resonanssitiloja 10 ·: n i t / / ! ja maksimoi sen tehon, jolla palamisesta syntyvä lämpö-energia muutetaan mekaaniseksi energiaksi, joka liittyy kammiossa 1 olevan kaasun painevaihteluihin. Ensimmäisessä selostetussa esimerkissä tämä mekaaninen energia on tar-5 koitettu käyttämään kaasunerotinta hapen rikastusta varten.

Käsiteltävän keksinnön ensimmäisessä rakenne-esimerkissä, joka esitetään kuvioissa 1 ja 2, suunnilleen pallon muotoinen kammio 1 on rajattu ontolla kaksi-10 kymmentahokasvaipalla 3, joka on muodostettu pääasiassa kolmion muotoisista elementeistä 4. Päistään avonaiset poistoputket 5 suuntautuvat kammioon 1 vaipan 3 ulkopinnasta. Putkien 5 säteen suunnassa sisemmät päät ovat pallon muotoisen kammion 1 keskustasta sellaisella etäisyy-15 dellä, joka vastaa noin kolmeneljäsosaa pallon säteestä.

Tällä säteellä kammion resonanssitilassa on paineen nollapiste. Palamistuotteet voidaan siis poistaa kammiosta 1 näissä pisteissä niin, että tehohäviö ja ulkopuolelle kuuluva ääni ovat minimaaliset. Jos poisto on suoritetta-20 va kauemmaksi kammiosta 1, putket voivat suuntautua silloin vaipan 3 pinnan ulkopuolelle.

Kammion ulkopuolella sijaitsevaan vedensyöttöyk-sikköön (ei esitetty) yhdistetyt putket on sijoitettu samankeskisestä poistoputkiin 5. Nämä putket muodostavat ' - 25 kammioon suunnattavat vesisuihkut. Pieni osa vettä muutetaan höyryksi lämpölähteen avulla lämpöpulssien aikana, joten se täydentää mekaanisen voiman tuotantoa. Vesipisaroista jäävä sumu jäähdyttää kaasut kammiossa seuraa-van laajennusjakson aikana ennen niiden uudelleenpurista-30 mistä, jolloin ylimääräinen lämpöenergia poistuu ja laitteen teho paranee vielä. Kammion 1 pallon muotoiseen sisäpintaan palanneista vesipisaroista muodostunut kuumennettu vesi poistetaan kammion alaosasta ja se voidaan jäähdyttää ja kierrättää uudestaan.

35 Kammion 1 moduulit on tehty kaasunerotusmoduuleina, joista on esimerkki kuviossa 2, jossa tällaisen elementin i 11 c; 771 4' ulkopinta on leikattu pois. Jokainen kaasunerotusmoduu-li käsittää useita pyöreitä elementtejä 7 jokaisen tällaisen elementin 7 käsittäessä kaarevan zeoliittikerrok-sen 8 ja sen sisäänpäin suuntautuvan pinnan peittävän 5 kalvon 9. Jokaisen elementin 7 halkaisija on 0,8 m ja enintään 72 tällaista elementtiä voidaan sijoittaa säteeltään 1 tai 2 metrin kammion sisäpintaan. Laitteen toimiessa kammion 1 kehällä esiintyvät painevaihtelut siirtävät kalvoa 9 edestakaisin säteen suunnassa, toisin 10 sanoen kerroksen 8 pintaan nähden poikittain. Ilmaa otetaan sisään kerroksen 8 kehän ympärillä olevasta renkaan muotoisesta tuloaukosta 10 ja ilma ohjataan kerroksen 8 läpi seuraavassa yksityiskohtaisemmin selostettavalla tavalla. Kerroksen 8 alapinnasta poistuva kaasu, johon on 15 lisätty happea, kerätään liepeen 11 alle ja siirretään putkilla 12 kaksikymmentahokasvaipan 3 putkirunkoon 13. Putkirunko 13 on liitetty yhteisesti kaikkiin kaasun-erotusmoduuleihin 6 ja muodostaa moduuleista 6 lähtevän radan poistoaukkoon (ei esitetty), jonka kautta hapetet-20 tu kaasu poistetaan.

Kalvo 9 eristää zeoliittikerroksen 8 kammiossa 1 olevista palamiskaasuista ja muodostaa tämän lisäksi myös holvirakenteen, joka takaa sen, että ilmaa tulee sisään ja käytetty ilma poistuu sopivista kohdista vä-25 rähtelyjakson aikana. Kalvo 9 on mitoitettu niin, että sillä on sama resonanssitaajuus kuin kammiolla 1. Käsiteltävässä esimerkissä kalvo 9 on tehty teräksestä, ja sen halkaisija on 0,8 m ja vahvuus 6 mm. Kalvo 9 on kiin-. . nitetty reunoistaan kerroksen 8 ulkopuolelle niin, että 30 se on tasapainoasennossaan irti kerroksen 8 kehästä, mutta koskettaa kerrokseen 8 venttiili-istukassa 14, joka on noin 10 cm kerroksen 8 ulkoreunan sisäpuolella. Tästä venttiili-istukasta 14 säteittäisesti ulospäin suuntautuva kerroksen 8 osa on ilmanpitävä, ja kalvon 9 ja 35 kerroksen 8 välinen kosketusalue muodostaa venttiilin, joka ohjaa ilman sisääntuloa aukosta 10 kerroksen 8 12 r;771 pääosaan. Kerroksen 8 keskiosassa on lieriön muotoinen poistoaukko 15, joka on kalvon 9 ollessa tasapainoasennossaan suljettu kartiomaisella venttiiliosalla. Vent-tiiliosa 16 on kalvon 9 keskiosaan kiinnitetyn akselin 17 5 päällä.

Painevaihteluun perustuvan kaasunerottimen toimintajaksoa selostetaan nyt viittaamalla kuvioon 4, joka esittää tuloventtiilin ja poistoventtiilin siirtymistä aikaan nähden. Aikaa esittävässä kohdassa tg kalvo 9 on 10 tasapainoasennossaan. Kun kammiossa aivan kalvon kohdalla olevan kaasun paine laskee, kalvo siirtyy pois kerroksesta 8 säteen suunnassa sisäänpäin. Kalvo 9 nousee heti ylös istukasta 14, jolloin venttiilin sisääntulo avautuu. Poistoventtiili pysyy kuitenkin kiinni, koska akselin 17 15 ja venttiiliosan 16 välissä on liikkumatilaa, niin että akselin 17 siirtyessä ylöspäin venttiiliosa 16 pysyy kuitenkin istukassa. Jakson tg - t^ aikana kalvon 9 alle muodostuu tällöin osatyhjiö, joka imee tuloaukosta 10 istukan 14 kautta sisään ilmaa ja kiihdyttää sitä. Kohdas-20 sa t^, kun kalvo 9 liikkuu lisää ylöspäin, akselin 17 pää koskettaa venttiiliosaan 16, nostaa sen ylös istukasta ja avaa näin poistoventtiilin. Kalvon 9 alle tuloaukosta 10 imetty ilma siirtyy tämän vuoksi kerroksen 8 yli ja siirtyy liikemäärästään johtuen edelleen säteen : -'· 25 suunnassa kerroksen 8 keskiosaan. Tällöin se huuhtelee kerroksen 8 ja kalvon 9 välissä olevan ilman ja poistaa - - sen poistoaukosta 15.

Kun kalvo 9 on tullut maksimisiirtymispisteeseensä, ... se liikkuu sitten jälleen alaspäin kerrosta 8 kohti. Koh- • ; 30 dassa t2 kalvo 9 tulee jälleen tasapainotilaansa ja sul kee tulo- ja poistoventtiilin. On huomattava, että vaikka tuloventtiilin ja poistoventtiilin avautumisen välillä onkin tietty viive, joka johtuu akselin 17 välyksestä, kun venttiilit sulkeutuvat kohdassa t2, tämä tapahtuu kui-35 tenkin samanaikaisesti. Jakson seuraavan vaiheen aikana kalvon 9 alla oleva paine kasvaa ja työntää renkaan muo- 13 o - -> η ί toisen tuloaukon 10 kautta tulleen uuden ilman zeoliit-tikerrokseen 8. Ilman siirtyessä eteenpäin kerroksen 8 läpi zeoliitti toimii melekyyliseulana ja adsorboi ilmasta ensisijaisesti typpeä, niin että kerroksen 8 ala-5 osasta poistuva kaasu on hapetettua/typpeä sisältämätöntä. Sitten ajasta t^ lähtien, joka on maksimisiirtymispiste vastakkaiseen suuntaan kerrosta 8 päin, kalvo 9 siirtyy takaisin tasapainoasentoaan päin vähentäen painetta kerroksen 8 yläpuolella. Tämän alentuneen paineen aikana 10 typpeä poistuu kerroksesta 8 ja siirtyy takaisin pinnan suuntaan. Kalvon 9 tullessa tasapainopisteeseensä jakso toistuu seuraavan sisään tulleen ilmamassan työntäessä hapettoman, paljon typpeä sisältävän kaasun kerroksen 8 pinnasta poistoputkeen 15. Jakso kiihdyttää kaasua sen 15 siirtyessä kerroksen pinnan läpi, niin että kaasun tullessa poistoaukkoon 15 sen liikevoima poistaa sen kammiosta 1 kaasusysäyksenä, joka ei sekoitu kerroksen tuloau-kossa olevaan kaasuun. Seuraavien jaksojen aikana happi ohjataan alaspäin kerroksen 8 läpi sen ulkopintaan, josta 20 se poistetaan jo selostetulla tavalla.

Kuvioissa 5, 6 ja 7 esitetään eräs muunnelma kaasunerotusmoduulista. Tässä esimerkissä renkaan muotoinen venttiili-istukka 31 on kaarevan adsorbenttikerrok-: sen 32 ympärillä. Paksu, viritetty kalvo 33 värähtelee 25 suunnilleen pallon muotoisen kammion 1 (ei esitetty ku-viossa 5) resonanssitaajuudella. Kerros 32 ja renkaan muotoinen venttiili-istukka 31 vastaavat pääasiassa ensimmäisen esimerkin kerrosta 8 ja istukkaa 14. Kalvo 33 .. . on tasapainottamaton ja siinä on toisella puolella lisä- 30 massa 34 ja toisella puolella syvennys 35 kuvion 6 esittämällä tavalla. Tämä kalvon 33 epäsymmetria synnyttää siinä harmonisen värähtelyn kalvon värähdellessä taaksepäin ja eteenpäin säteen suunnassa perustaajuudella kammiossa 1 etenevien pallomaisten aaltorintamien vaikutuk-35 sesta. Tämä harmoninen värähtely on poikittaisaalto, joka liikkuu vasemmalta oikealle kuviossa 5 esitetyllä tavalla.

14 r ~ η n a

-· y / / I

Kuvio 7 esittää kaaviona tätä vaikutusta. Kuviossa 7 kalvo on esitetty viivana ja poikittaisvärähtelyn amplitudi on esitetty huomattavasti liioiteltuna, jolloin nähdään, kuinka kalvon 33 siirtyessä pois kerroksesta 32 5 ensin sen vasen puoli, kuten kuvioissa 5, 6 ja 7 esitetään, nousee ylös renkaan muotoisesta istukasta 31, jolloin uutta ilmaa voidaan imeä kalvon 33 ja venttiili-istukan 31 väliin muodostuneeseen aukkoon kaasunerotusmoduulin vasemmalla puolella. Kalvon 33 siirtyessä lisää pois adsor-10 benttikerroksesta 32 adsorbenttikerroksen 32 päällä oleva paine laskee vielä, jolloin kerroksen 32 vasemmalta puolelta tulee sisään lisää uutta ilmaa ja lisää käytettyä, typpeä sisältävää kaasua poistuu kerroksesta 32. Uuden ilman liikkuessa sisäänpäin kerroksen 32 ja kalvon 33 15 väliseen tilaan sillä on huomattava nopeus vasemmalta oikealle kuvioissa 5 ja 6 esitetyllä tavalla. Kun kalvo 33 on taipunut maksimipisteeseensä, se alkaa palata takaisin kaarevaa kerrosta 32 päin. Jälleen kalvon vasen puoli liikkuu ensin, kuten kuviosta 7 voidaan selvästi nähdä, 20 ja tämä saa aikaan sen, että kalvon 33 vasen puoli muodostaa sulun renkaan muotoisen istukan 31 kanssa kalvon vasemmalla puolella, kun taas kalvon oikea puoli ei kosketa vieläkään renkaan muotoisen istukan 31 oikeaan puoleen, kuten kuviosta 7 voidaan jälleen todeta. Ilman poikittais-: 25 liike kaarevan kerroksen 32 pinnan läpi huuhtelee käyte- tyn, paljon typpeä sisältävän ilman tehokkaasti kerroksen . 32 pinnasta ja ulos kaasunerotusmoduulin oikealta puolelta renkaan muotoisen istukan 31 oikean puolen ja kalvon 33 .. . välistä. Kalvon 33 liikkuessa edelleen adsorbenttikerros- 30 ta päin se liittyy mahdollisesti renkaan muotoisen istukan 31 koko kehään sulkien tällöin venttiilin ja paineistaen moduuliin tulleen uuden ilman sekä työntäen sen ad-sorbenttikerrokseen 32. Kun kalvo on tullut maksimitaipu-mispisteeseensä kerrosta 32 päin, se alkaa jälleen palata 35 takaisin ja siirtyä irti kerroksesta 32. Jälleen kalvon vasen puoli nousee ensin ylös renkaan muotoisesta istukas- 15

J

taan 31, jolloin uutta ilmaa pääsee virtaamaan moduuliin vasemmalta puolelta ja prosessi toistuu. Kalvoon 33 liittyvä poikittaisaaltotoiminto tehostaa myös ilman liikkumista poikittaissuuntaan kaasunerotusmoduulin vasemmalta 5 puolelta sen oikealle puolelle.

Edellä selostettu painevaihteluun perustuva kaasun-erotin on sekä tehokkaampi että pääomakustannuksiltaan huokeampi kuin tavanomainen happea tuottava laitos, esimerkiksi kryogeeninen hapen talteenottoyksikkö. Säteel-10 tään kahden metrin pallo, jonka pinta on peitetty kokonaan kaasunerotusmoduuleilla, pystyy tuottamaan päivässä 100 tonnia 98 %:sta happea, jolloin hapen talteenottosuhde, toisin sanoen hapen syöttämisen ja poistamisen välinen tilavuussuhde, on 100:15, ja energian ominaiskulutus, 15 toisin sanoen se mekaaninen energia, joka tarvitaan tuottamaan kilo happea, on 0,125 kWh/kg. Tuotettua 98 %:sta happiseosta voidaan käyttää teollisissa prosesseissa kuten raudan ja teräksen valmistuksessa, mutta sitä voidaan käyttää myös muihin tarkoituksiin, esimerkiksi jäteveden 20 puhdistamiseen tai hapen tuottamiseen lääketieteellisiä tarkoituksia varten. Näitä vaihtoehtoisia käyttösovellutuksia varten laitteen mittakaavaa ja tuotetun hapen kon-sentraatiota voidaan muuttaa asianomaiseen tarkoitukseen sopivalla tavalla. Tarvittaessa vain pieniä määriä happea 25 edellä selostettua kaasunerotusyksikköä, jossa on vain yksi pyöreä kerros ja kalvo, voidaan käyttää suippokaari-: - sessa kaasuresonanssilaitteessa, joka vastaa edellä mai nitussa EP-patenttihakemuksessa selostettua rakennetta.

Toisessa painevaihteluun perustuvan kaasunerottimen 30 rakenne-esimerkissä käytetään ensimmäisen esimerkin mukaisessa muunnelmassa selostettua kerros- ja kalvojärjestelyä, mutta kalvon käyttövoimana on sähkökäyttölaite 40. Kaasun-erotin käsittää kalvon 41, jonka kehä on puristettu 0-ren-kaan 42 ja useiden samaan kulmaan toisistaan erilleen si-35 joitettujen pallojen 43 väliin. 0-rengas 42 on sijoitettu renkaan muotoiseen uraan kotelon 44 yläosaan, kun taas 16 G7771 pallot 43 on sijoitettu kotelon alaosaan 45. Kotelon molemmat puoliskot on puristettu yhteen pulteilla 46 kalvon 41 puristamiseksi 0-renkaan 42 ja pallojen 43 väliin. Adsorbentilla täytetty kaareva kerros 47 on sijoi-5 tettu kotelon alapuoliskoon 45 ja ympäröity renkaan muotoisella tiivisteellä 48, joka suuntautuu kalvon 41 kehään. Kaasunpoistoaukko 49, joka on yhteydessä kerroksen 47 takapintaan, suuntautuu ylös kotelon alapuoliskosta 45. Kotelon yläosassa 44 on sähkökäyttölaite 40, joka 10 käsittää staattorin 50, joka voi olla kestomagneetti, mutta se on mieluimmin sähkömagneetti, joka magnetoidaan tasavirtamagneettikäämillä. Liikkuvan käämin muodostama sydän 51 on yhdistetty epäkeskisesti kalvoon 41. Kuvio 8 esittää kalvon keskustan ja sydämen keskustan välistä 15 siirtymistä. Sähkökäyttölaitteen 40 järjestely vastaa pääasiassa kaiuttimissa käytettyä käyttöjärjestelyä.

Tavallisesti yksivaihevaihtovirta yhdistetään liikkuvan käämin sydämeen, ja vaihtovirrasta johtuen sydän liikkuu ylöspäin ja alaspäin kuviossa 8 esitetyllä 20 tavalla, jolloin kalvo värähtelee. Kalvo on järjestetty värähtelemään verkkotaajuudella. Kalvon akselin ja sydämen akselin sivuttaissiirtymisestä johtuen kalvo värähtelee edellä kuvioon 7 viittaamalla selostetulla tavalla.

Adsorptio/desorptio, jossa nestepaine nousee ja 25 laskee, pystyy erottamaan kaasuja kuten typpeä ja happea ilmasta zeoliittimolekyyliseulalla, joka on huokoinen kerros, jossa on lajiteltuja tai kooltaan yhtenäisiä hiukkasia. Kaasuseokset syötetään tavallisesti kerroksen ylä-osaan ja seoksen yksi aineosa poistetaan pienemmällä vir-30 tausnopeudella kerroksen alaosasta. Tuotantomäärät riippuvat erotetulta fraktiolta vaadittavasta puhtaudesta. Erotuksen energiahyötysuhde on huomattavan suuri tuotettaessa erotettua kaasua, joka syötetään ilmakehän paineella, ja on suurempi käytännön sovellutuksissa kuin missään 35 kryogeenisessa erotusmenetelmässä. Molekyyliselektiivisyys muodostaa perustan adsorptiolla suoritettaville erotus- i 17 77771 toiminnoille ja esimerkiksi tiedetään, että typpi adsorboidaan ensisijaisesti zeoliittipintaan, koska sen molekyylirakenne poikkeaa hapen molekyylirakenteesta. Ad-sorptioprosessi on myös kokonaan palautuva paineen tauut-5 tuessa. Zeoliitin molekyyliselektiivisyys ^/C^-seosten typpeä varten pidetään 2,8 vastaavana laajalla painealu-eella ympäristön lämpötiloissa. Koska molekyyliprosessit ovat luontaisesti.nopeita, on selvää, että nimenomaan diffuusio rajoittaa adsorptionopeuksia eikä molekyyliadsorp-10 tio, koska inerttejä aineosia kuten ilmassa olevaa argonia esiintyy aina ja ne muodostavat typen ja adsorbent-tikerroksen välisen sulun. Lisäksi, koska adiabaattinen kokoonpuristuminen on myös palautuvaa, paljon puristus-energiaa voidaan saada talteen, jos käytetään resonoivaa 15 akustista paineistusjärjestelmää, niin että molemmat hallitsevat tekijät energiahyötysuhteeseen nähden parannetussa prosessissa ovat todennäköisesti kitkavirtausvastus kerroksessa ja siihen liittyvä huuhteluvirtausvastus ilmakehän paineessa kerroksen yläosassa. Näitä tekijöitä tar-20 kastellaan seuraavassa.

Selektiivinen adsorptio

Kahden tiheydeltään samanlaisen kaasulajin B:n ja C:n adsorptiota puhtaaseen pintaan oletetaan ohjattavan tuotteella, jonka molekyyliselektiivisyys on s, ja lajien 25 suhteellisten pintaantulonopeuksien, ilmaistuna lajin A inerttinä rajakerroksena ja vahvuutena, £ estäessä virtauksen pintaan, ja kahden muun lajin keskinäisellä dif-fuusiokertoimella D tässä rajakerroksessa. Stefanin laki esittää, että massan kokonaisdiffuusionopeus q adsorboidun 30 lajin pintayksikköä kohden rajapinnassa on DPft 1“TlnCA ' (1) 35 18 r ο ί n 1 Ly// ! jolloin po on kokonaistiheys ja cA on inertin lajin A:n pieni osa konsentraatio. (Miinusmerkki tarkoittaa negatiivista lagaritmia). Yhtälön (1) kvalitatiivinen arviointi osoittaa, että pienien hiukkasien adsorptiokerroksessa 5 voidaan odottaa verrattain suuria adsorptionopeuksia.

Ottamatta tiheyseroja huomioon, jossa lajit B ja C esiintyvät pieninä osakonsentraatioina cD ja c„ (niin

D L

että cB + = 1), voidaan edellyttää, että molekyy- liselektiivisyyden s vaikutus vastaavasti lajien B ja C 10 kohdalla on, että — - *Cg- — · --- , ja q* + qc “ q , .c, ♦ cc · <1 .c, * Cc · J q» c (2) 15 Yhtälö (2) osoittaa, että hetkellinen tehollinen selek- tiivisyys 6 on rajakerrosta käytettäessä yksinkertaisesti

*» *CB

O **" * - qc ec (3) 20 joka on suurempi kuin s prosessin alussa ja pienenee progressiivisesti.

Jotta voitaisiin seurata konsentraatiomuutoksia, on edellytettävä, että rajapintaa lähestyvien sekoitettujen kaasujen alkutilavuus V pienenee progressiivisesti 25 ajan mittaan adsorptiosta johtuen (lajien B ja C välisiä tiheyseroja ei huomioida, sama koskee c :ta tässä vaihees-

A

sa) .

Silloin 30 dt '« V - ,c ' Cc--V -"i't · CB * °c 1 '4>

Jakamalla V:llei, sijoittamalla = x, jossa x on sekoi-

V

tetun kaasun adsorboitu osuus ja korvaamalla ja q^ 35 yhtälöstä (2) i 1 q r ·· T «7 Λ

C. ^ / / I

sc_ dx C- dx t _5_ c f ___ cB.O 1 (s - l)cB + 1 C.O " J (1 - *)ec + s (5)

CB * * CC * 1 - X

5 jossa cn _ ja c„ _ ovat alkuarvoja. Näistä ensimmäisestä n · U L · U

saadaan differentioimalla ja erottamalla muuttujat dx <* - *>eB + 1 „ 1 - x " " (s - l)cB(l - cB) · dcB (6) jolloin saadaan integroimalla molemmat puolet ja asettamalla rajat ,, ,s (7) . f (1 " CB.0) CR 1* 1 1 - * * ( —I-·-i 1 CB.O (1 - c.)s

15 B

Muodostamalla c^:n avulla yhtälöt (5), (6) ja (7) pääs tään odotetulla tavalla samanlaiseen tulokseen. Yhtälö (7) voidaan kirjoittaa tällöin ,.,. (¾)^ if k - .

c

Sitten seuraavia painevaihteluja varten, jotka liittyvät 25 adsorboimattomaan syöttöosaan, joka vastaa konsentraatio-termejä k^, k^, k^,....kn, kumulatiivinen arvo 1 - x esitetään yhtälössä ΓΓ~* " f kl b · h ··· V1 J - 1 - x (8) 30 1 ** k» kn 1 * niin että inkrementtitulos on sama kuin yhtä painevaih-telua varten.

Reynoldsin lukujen ollessa pieniä hiukkasia ja 35 pieniä nopeuksia varten pieniä (< 100) laminaarista virtausta koskeva olettamus on hyvin perusteltu. Jos z on 20 , . _ f · ^ n 'i S i ! ! etäisyys kerroksen tulopinnan alla, massavirtaus kerroksen pintayksikköä kohden voidaan määrittää lausekkeena qo —, jossa p on paineylijäämä ja adsorptiomassan vir-5 tausnopeus on Qp kerroksen tilavuusyksikköä kohden. Sitten paineen alenemista kerroksessa ohjataan yhtälöllä d!o 90 Qp. niin että p . A·-' * (9) 10 ja kerroksen aktiivinen syvyys ja suhteellinen virtausnopeus eivät muutu riippumatta siitä, onko A vakio tai verranollinen sin wt:n kanssa (jolloin w on kulmataa-juus ja t on aika) edellyttäen, että Q (toisin sanoen adsorption saturaatio ei rajoita sitä) ja laminaariset 15 virtausolosuhteet ovat voimassa. Tämä yksinkertaisesti ilmaistu ja tärkeä tulos osoittaa, että käyttötaajuus voi vaihdella laajalla alueella. Seuraavassa on edullista, että A = p pQ/ jolloin p on mitaton ja pQ on ilmakehän paine.

20 Kerrostilavuudessa V jokaisen saman halkaisijan 3 d käsittävän tiiviin pallon tilavuus on TT d . Luku n on 6 tilavuudessa V, kun tiivistystilasuhde on jt, ITd3 25 Kasauman pinta-ala tilavuusyksikössä on 2

Ad^ §.&.. = 6j, f joten yhdensuuntaisen kanavan vastaava ITd3 d vahvuus on ^ ^ d. Kun tiedetään, että pinta-alan 30

mitat ovat = l^, radan keskipituus ja kanavan poik-d L

kileikkausleveys tilavuusyksikköä kohden ovat vastaavasti (371) * ja (3h)^ , jotka tarkoittavat huokostilavuussuhdet-d 35 ta 1 - 7) kerrottuna keskenään ja kanavan vahvuuden ollessa l 2ΐ ·:;;77ΐ ^ ) d. Tehollinen paineen muutos on silloin ^ ^o 37) l on )5 pidettyä rataa varten, jolloin p' on mitaton paineen muutos .

5 Laminaarisen virtauksen nopeus q = qQp' esitetään yhtälönä ,,ίΜΐ: ίν.,r.wM· no d l2“ V3'/ 10 jossa ,u on viskositeetti, mitat M .

/ LT

Vastaava adsorptiomassan virtausnopeus on n 6. / ί, V ln c* ln cA(6’,>' (11) Q ‘ Λ -Λ---d1 (1 - „)- 15 niin että suhde — esitetään sitten yhtälöllä «o * . p» . <i2)

\ 6η ) 3 η μ D ln cA

ja kerroksen tulonopeus v yhtälöllä 20 1 „ /η p D ln c.

v - p /—5-* (13) v 3η μ

Yhtälöstä (12) voidaan todeta, että kerroksen aktiivinen 2 syvyys, joka on a:n kerrannainen, on verrannollinen d :n 25 kanssa, kun taas yhtälöstä (13) voidaan todeta, että v on riippumaton d:stä. Molemmat lausekkeet osoittavat tii-vistyssuhteen huomattavan vaikutuksen, koska sekä kerroksen aktiivinen syvyys että v pienenevät, kun Y) kasvaa. Lisäksi on huomattava, että keskimääräinen työno-30 peus kerroksen pinta-alaa kohti jaksotoimintojen aikana on ^ ^°V ja että erotuksen ominaisenergian komponentti, 2 3 joka liittyy kerroksen kitkaan (komponentin kWh/m ), on f -, jolloin 1 - x on tiettyä konsentraatiota 35 72(1 - x) 22 *. —» «"7 λ .·/ / ! koskeva talteenottosuhde yhtälöstä (7). Nämä lausekkeet ovat edelleenkin riippumattomia käyttötaajuudesta, ja omi-naisenergia on myös riippumaton v:stä. Asiaankuuluvaa lauseketta voidaan käyttää samalla tavalla kuvaamaan resonoi-5 mattomia erotuskerroksia, ja se on vastaavuussuhteessa niistä saatujen tulosten kanssa. Resonanssitoiminnon parempi taloudellisuus ja paljon pienemmät paineamplitudit tämän keksinnön mukaisesti painottuvat tällöin.

Kerroksen virtausmallin vertailu 10 Pallon tilavuus = Cd^ 6

Pallojen lukumäärä 6 tilavuusyksikköä kohti.

tTd3

Seuraavassa esitettävä tulosvertailu koskee putkis- tomallia olevaa rakennevaihtoehtoa (reiän halkaisija D) 15 ja alkuperäistä mallia, joka käsittää ryhmän erillisiä levyjä. Tulokset ovat samanlaisia, mutta ne johtavat yksinkertaisempiin lausekkeisiin, jotka ilmaisevat pienempiä adsorptioita, mutta suurempia massan virtausnopeuksia, 2q tulonopeuksia ja kerroksen aktiivisia pituuksia. Ne ovat sinänsä todennäköisesti optimistisia ja levymallia suositetaan. Ero on pieni, noin 20 %, kun on kysymys tärkeästä kerroksen tulonopeuskriteeristä V.

i 23 c;7?i

Kasauman pinta-ala |j— tilavuusyksikköä kohti.

Levyn analogia Putken analogia

Seinämäpin-

Kanavapinnan 3n nan pinta- 6n pinta-ala 2 X ala m*D e g- 5 Kanavan Putken vahvuus 1-Π . tila- »D* 3 n vuus m 4 " ~**

Kanavan «, leveys On) H *ee „ .

7 g halkai- U α

Radan i sij^ 10 pituus (3Π)^ Putkien lukumäärä Un) »

Huokosen tilavuussuhde (1-n) „ , , , Raiakerrok-

Rajakerroksen , n . ... sen vah- 11 ~ *11 , 15 vahvuus (l-η) . —VI a

—-—i-jj vuus JO

o n

Massavirran nopeus Massavirran nopeus p'popod» A-n\» , p'popod» (1-n)» / 9n\ H 12α V 3n/ q 8μ (3η)» , \x 2~) 20 Massan adsorptio Massan adsorptio ppoDlnc.(6n) * ppoDlnC^(6n)» o dMl-nV- ^(l-n)- ' 25 -4-(1^4¾ ·-4-ft?)* Λ O 3/η ) -eS*/5?5* - , V J^Sl £) 30 '

Konservatismiin perustuen molemmissa malleissa on suurin mahdollinen rajakerrosvahvuus eikä pallojen ad-sorptiopintoja huomioida. Mallit eivät kuitenkaan ota 35 huomioon kaasuratojen poikkileikkauksessa esiintyviä epä- ' -. --7 ..

24 - ' ; säännöllisyyksiä, joilla on pienempi vaikutus laminaarises-sa virtauksessa kuin pyörrevirtauksessa.

Akustisen paineen vaihteluun perustuvan kaasunero-tuksen ia nopeaan painevaihteluun perustuvan adsorption 5 väliset erot Näkyvin, mutta vähämerkityksinen ero koskee tällöin taajuutta, jolloin nopeaan painevaihteluun perustuvassa adsorptio järjestelmässä käytetään peräkkäisiä venttiilejä vuorotellen tapahtuvaa paineistamista ja paineen poistamis-10 ta varten ja akustisessa järjestelmässä käytetään resonoivia värähtelyjä, jotta voidaan säilyttää paine-energia, joka sisältyy siihen kaasukomponenttiin, joka poistetaan toisen komponentin erottamisen jälkeen. Tällä perusteella molempien järjestelmien käyttökelpoiset taajuuskais-15 tat ovat todennäköisesti vierekkäin eivätkä limity.

Kerroksen kuormitusanalyysi, jota tämä esitys tukee, osoittaa, että akustiselle järjestelmälle suositetaan pienempiä painevaihteluamplitudeja ja tulonopeuksia kuin nopeaan painevaihteluun perustuvalle adsorptiojärjestelmäl-20 le kerroksen kitkahäviöiden vähentämiseksi. Tiettyä tuotantomäärää varten kerroksen pinta-ala on sen vuoksi suurempi akustisessa järjestelmässä, mutta se kompensoidaan paljon pienemmällä syvyydellä. Akustista erotusta varten saadaan näin huomattava lisäys erotuksen energiahyötysuhteeseen.

25 Pienempien pallojen (< 250 μπι) käyttämistä suosi tetaan molemmissa järjestelmissä, jos erotuksesta on saatava puhdasta kaasua. Tämä voi liittyä laminaarisen virtauksen suurempaan merkitykseen pyörrevirtaukseen verrattuna kerroksessa tällaisissa tapauksissa, niin että pyörteinen 30 takaisindiffuusio ja sen vuoksi erotetun komponentin menet täminen eliminoidaan. Tunnusomaista laminaariselle virtaukselle on pieni Reynoldsin luku, mikä riippuu lähinnä tuotteen pallokoosta ja virtausnopeudesta. Laminaarinen virtaus soveltuu tämän vuoksi paremmin akustiseen järjestelmään 35 tiettyä pallokokoa käytettäessä kerroksen tulonopeuksien ollessa pienempiä.

i 25 - , r / i

Nopeaan painevaihteluun perustuvan kaasunerotuksen ja akustisen paineen vaihteluun perustuvan adsorptioero-tuksen merkittävin ero on, että ensin mainitussa järjestelmässä käytetään adsorptiosaturointia kerroksen tulo-olosuh-5 teissä, kun taas akustisessa järjestelmässä näin ei tapahdu. Näin ollen ensin mainitussa järjestelmässä paine nousee nopeasti ja pysyy sitten vakiona sisääntulossa suurimman osan jakson kestoajasta kerroksen ollessa kuormitettu. Paine- ja adsorptioaalto siirtyy sitten alaspäin kerrok-10 sessa, vaikka tällöin tapahtuukin amplitudin eksponentti-vaimeneminen. Tämä edellyttää suhteellisen pitkiä kerroksia, mutta lisää tuotantoa. Kuten analyysissä esitetään, riittävä adsorptioaste saadaan suuremmalla taajuudella, jolloin ei jouduta käyttämään saturointia ja tämän vuoksi 15 akustisella kerroksella voidaan päästä samoihin tilavuus-kuormituksiin pienemmillä tulopaineilla ja nopeuksilla ja saada suuremmat energiahyötysuhteet.

Molemmissa menetelmissä käytetään päällä olevaa, vakaata kaasuvirtausta kerroksen läpi erotetun komponen-20 tin poistamiseksi, ja poistettu osa määrääkin tällöin virtauksen puhtauden. Molemmissa järjestelmissä joudutaan tämän vuoksi käyttämään saturointia pienellä vakiopaineel-la kerroksen alaosassa, koska adsorptio lakkaa todennäköisesti silloin, kun paine on vakio jokaisella arvolla.

25 Yhteenvetona voidaan mainita, että akustisen pai- nevaihteluerotuksen kerroskuormituskriteerinä on tulono-peus eikä taajuus. Suuria taajuuksia käytettäessä kerroksen halkaisijat ovat mieluimmin pieniä, jotta pystytään rajoittamaan energiahäviöt suurista huuhtelunopeuksista.

Claims (10)

26 Patenttivaatimukset s

1. Painevaihteluun perustuvan kaasunerottimen käyttö paineistetun ja paineistamattoman tilan välisellä 5 alle 0,1 baarin paine-erolla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että sitä käytetään toistotaajuudella, joka on suurempi kuin yksi jakso sekunnissa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen käyttö, t u n -10 n e t t u siitä, että sitä käytetään toistotaajuudella, 50 - 200 jaksoa sekunnissa.

4. Painevaihteluun perustuva kaasunerotin, joka käsittää adsorbenttikerroksen (8, 32, 47) ja kuuluu osana resonanssijärjestelmään, tunnettu siitä, että 15 siinä on painelaitteet (9, 33, 41), jotka toimivat resonanssi järjestelmän resonanssitaajuudella adsorbenttikerroksen (8, 32, 47) paineistamiseksi ja paineen poistamiseksi siitä, niin että poistetun kaasuseoksen paine-energia saadaan suurimmalta osalta talteen ja että se on 20 sovitettu toimimaan paineistetun ja paineistamattoman tilan välisellä alle 0,1 baarin paine-erolla.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen painevaihteluun perustuva kaasunerotin, tunnettu siitä, että painelaitteet käsittävät viritetyn kalvon (9, 33, 41), joka 25 on sovitettu adsorbenttikerroksen (8, 32, 47) toisen pinnan kohdalla, mutta erillään siitä, ja että kaasunerotti-meen lisäksi kuuluu käyttölaite (1, 50), joka käsittää . . joko sähkökäyttölaitteen (40) tai termisesti käytetyn kaasu resonanssilaitteen, joka on järjestetty käyttämään 30 kalvoa (9, 33, 41) sen resonanssitaajuudella adsorbentti-kerrosta (8, 32, 47) päin ja siitä poispäin, venttiili-laite (10, 15, 16) kaasunseoksen syöttämiseksi kalvon (9, 33, 41) ja kerroksen (8, 32, 47) väliseen tilaan ja käytetyn kaasuseoksen poistamiseksi siitä ja kaasunpoisto-35 aukko (12, 13, 49), joka on yhteydessä adsorbenttikerrok- 27 .-7 I sen (8, 32, 47) toiseen pintaan, kalvon liikkeen adsor-benttikerrosta päin ja siitä poispäin paineistaessa sen ja poistettaessa paineen siitä.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen paine-5 vaihteluun perustuva kaasunerotin, tunnettu siitä, että järjestelmän resonanssitaajuudella toimivana käyttölaitteena on pulssipolttoyksikkö (2), joka on suunnilleen pallon muotoisen resonanssikammion (1) keskiosassa tai suippokaarisen resonanssikammion päässä.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen painevaihteluun perustuva kaasunerotin, tunnettu siitä, että säh-kökäyttölaitteessa (40) on ankkurikäämi ja staattori, joista toinen on yhdistetty kalvoon (41) ja toinen on kiinnitetty kiinteään, ympärillä olevaan runkoon, ankku-15 riin syötetyn värähtelyvirran pannessa ankkurin ja tästä johtuen myös kalvon (41) värähtelemään staattoriin nähden.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen painevaihteluun perustuva kaasunerotin, tunnettu 20 siitä, että venttiililaite kaasuseoksen syöttämiseksi kalvon (9, 33, 41) ja adsorbenttikerroksen (32, 47) väliseen tilaan ja poistokaasuseoksen poistamiseksi siitä käsittää renkaan muotoisen venttiili-istukan (48), joka liittyy kalvoon (9, 33, 41) ja kalvon (9, 33, 41) muodos-25 taessa venttiilin sulkuosan, joka muodostaa kaasutiiviin sulun renkaan muotoista venttiili-istukkaa (48) vasten, mutta nousee ylös istukasta kalvon liikkuessa pois adsor-benttikerroksesta ja päästää kaasua istukan ja kalvon (9, 33, 41) väliin.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen painevaihteluun perustuva kaasunerotin, tunnettu siitä, että renkaan muotoisen venttiili-istukan ja kalvon muodostama venttiili toimii sekä tulo- että poistoventtiilinä ja että kalvoon kohdistetaan tietty harmoninen värähtely, 35 niin että kalvon perusvärähtelyn lisäksi, joka suuntautuu ;τ ί 28 adsorbenttikerrokseen ja siitä poispäin, syntyy myös tiettyä lisävärähtelyä, joka esiintyy kalvon toiselta puolelta sen toiselle puolelle liikkuvana aaltona.

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mu-5 kainen painevaihteluun perustuva kaasunerotin, tunnettu siitä, että adsorbenttikerroksen (8, 32, 47) hiukkaskoko on suunnilleen neljäsosamillimetriä tai pienempi . i s 2 9