NO176869B - Fremgangsmåte for drift av en trykksvingnings-gasseparator, samt trykksvingnings-gasseparator innrettet til å arbeide i henhold til fremgangsmåten - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for drift av en trykksvingnings-gasseparator, samt en trykksvingnings-gasseparator innrettet til å arbeide i henhold til fremgangsmåten.

Trykksvingnings-gasseparatorer inkluderer en seng av adsorberende materiale som fortrinnsvis adsorberer minst én gass fra en blanding av gasser. En trykksvingnings-gasseparator bruker denne foretrukkete adsorbsjon til fortrinnsvis å fjerne denne gassen fra en blanding av gasser enten for å fremskaffe en gassblanding med en høyere konsentrasjon av den fortrinnsvis adsorberte gass, eller en uttynnet gassblanding som har en lavere konsentrasjon av den fortrinnsvis adsorberte gass. I slike trykksvingnings-gasseparatorer er den adsorberende seng utsatt for trykk fra gassblandingen og den fortrinnsvis adsorberte komponent adsorberes på sengen inntil sengen er mettet med denne ene komponent av gassblandingen. Sengen blir deretter ventilert og gassblandingen, som er uttynnet på grunn av den fortrinnsvis adsorberte komponent, blir fjernet. Sengen blir deretter utsatt for et redusert trykk og under disse omstendigheter blir gassen, som er adsorbert på sengen, desorbert for å fremskaffe en gass som er rik på gassen som fortrinnsvis er adsorbert.

I den senere tid er det utført mye arbeid på dette område spesielt når det gjelder den såkalte hurtig trykksvingnings-adsorbsjon, hvor tiden pr. syklus for den ovennevnte fremgangsmåte typisk er mindre enn 3 0 sekunder og hvor den adsorberende sengen er anordnet slik at blandingen av gasser blir ført inn til sengen fra én side, og gassblandingen rik på den fortrinnsvis adsorberte komponent blir fjernet fra den samme side etter desorbsjon, men gassen eller gassene som ikke fortrinnsvis er adsorbert til den adsorberende seng blir fjernet fra den motsatte side av den adsorberende seng, som kontinuerlig blir ventilert. Eksempler på slike systemer er beskrevet i EP-A-0 008 619, EP-A-0 013 680, EP-A-0 055 160, og NO-C-173 708. EP-A-0 267 727 beskriver en gassresonans-innretning som omfatter et resonansrør som strekker seg i tverrsnitt langs sin lengde fra den ene ende til den annen, en varmekilde plassert ved den ene ende av resonansrøret, samt en innretning for å utløse oscillasjoner i en gass i resonans-røret. Resonansrøret er fortrinnsvis formet som en spissbue og varmekilden samt innretningen som utløser oscillasjonene i gassen i resonansrøret utgjøres fortrinnsvis av en pulsert brenner med en puls-repetisjonsfrekvens som svarer til resonansfrekvensen til gassen i resonansrøret. Trykkbølgene som genereres ved en slik termisk drevet gassresonans-innretning anvendes for drift av en trykksvingnings-gasseparator.

Med eksisterende hurtig trykksvingnings-adsorbsjons-gass-separatorer blir sengen utsatt for en trykksvingning på minst en halv, og mer vanlig to tredels bar. En betydelig mengde energi er nødvendig for å fremskaffe en så stor trykksvingning.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte for drift av en trykksvingnings-gasseparator, karakterisert ved at den drives med en trykkforskjell mellom dens trykkbelastete og trykkavlastete tilstander på mindre enn 10<4>Pa.

Ved å drive trykksvingnings-gasseparatoren i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse over en mye lavere trykkforskjell og over en trykkforskjell mindre enn 10<4>Pa kreves det mye mindre energi selv om det typisk blir frem-brakt, et mindre gassvolum ved hver trykksvingning.

I overensstemmelse med et fordelaktig trekk ved foreliggende oppfinnelse blir trykksvingnings-gasseparatoren drevet ved en repetisjonsfrekvens større enn én syklus pr. sekund.

Trykksvingnings-gasseparatoren arbeider fortrinnsvis ved en repetisjonsfrekvens større enn 10 sykler pr. sekund, og arbeider typisk ved en repetisjonsfrekvens på mellom 50 og 200 sykler pr. sekund. Følgelig vil en slik trykksvingnings-gasseparator være svært mye raskere enn de tidligere forslag til hurtig trykksvingnings-adsorbsjon ved en faktor på opp til 1000. Trykksvingnings-gasseparatoren inkluderer fortrinnsvis en kombinasjon av ovennevnte trekk ved foreliggende oppfinnelse, og under disse omstendigheter vil den høye repetisjons-frekvensen ved dens funksjon mer enn kompensere for det lave volum gass produsert i hver syklus. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en god gjennomstrømning av gass med et lavt energiforbruk.

Oppfinnelsen omfatter også en trykksvingnings-gasseparator innrettet til å arbeide i henhold til fremgangsmåten, karakterisert ved at den omfatter en seng av adsorberende materiale, at den danner en del av et resonant system, at den inkluderer innretninger som arbeider ved resonansfrekvensen til det resonante system for å trykkbelaste og trykkavlaste sengen av adsorberende materiale, slik at trykkenergien til den desorberte gassblanding i hovedsak blir gjenvunnet.

Ved å bruke et resonanssystem som ovenfor angitt blir mye av kompresjonsenergien bevart, fordi det er mulig å bevare trykkenergien inneholdt i gasskomponenten som er fjernet fra den ene side av sengen. Med gasseparatoren ifølge foreliggende oppfinnelse er det hovedsakelig bare friksjonstap i den adsorberende seng som tapes. Følgelig vil en ytterligere reduksjon av den mengde energi som er nødvendig for å drive en trykksvingnings-gasseparator kunne oppnås. I denne søknad benyttes uttrykket "akustisk trykksvingnings-gasseparasjon" for å beskrive dette system.

Oppfinnelsen innbefatter videre en trykksvingnings-gasseparator innrettet til å arbeide i henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, karakterisert ved at den omfatter en seng av adsorberende materiale, en avstemt membran nær, men adskilt fra en flate av sengen av adsorberende materiale, en driftsinnretning anordnet for drift av membranen ved dens resonansfrekvens mot og bort fra sengen av adsorberende materiale, en ventilinnretning for innførsel av gassblanding til og utblåsning av uttynnet gassblanding fra en åpning mellom membranen og sengen, og et gassutløp i samsvar med den andre flate av den adsorberende seng, slik at bevegelsen av membranen mot og bort fra den adsorberende seng under bruk trykkbelaster og trykkavlaster den.

Driftsinnretningen kan utgjøres av en termisk drevet gassresonans-innretning som beskrevet i EP-A-0 267 727, eller den kan utgjøres av en gassresonans-innretning som omfatter en pulsert brenner plassert i midten av et hovedsakelig sfærisk resonanskammer. En slik termisk drevet gassresonans-innretning har det fortrinn at friksjonstap mot veggen, drøftet i EP-A-0 267 727 er fullstendig eliminert. Den pulserte brenner produserer en hovedsakelig sfærisk ekspanderende bølgefront som ikke møter veggfriksjon av noen art når den beveger seg fra midten til utsiden av resonanskamméret.

Gassresonans-innretningen inkluderer fortrinnsvis en innretning for å tilveiebringe en eksplosiv gassblanding til den pulserte brenner. Den pulserte brenner har fortrinnsvis en pulsrepetisjons-frekvens som er i samsvar med resonansfrekvensen til det hovedsakelig sfæriske resonanskammer som i stor grad er avhengig av sin radius. Innretningen for å tilføre den eksplosive blandingen til den pulserende brenner kan selv inkludere en avstemt ventil eller et resonansrør, slik at den pulserte brenner mottar en pulsert tilførsel av eksplosiv blanding. Ved dette tilfelle blir den eksplosive blanding fortrinnsvis tilført ved resonansfrekvensen til det hovedsakelig sfæriske resonanskammer.

Trykksvingnings-gasseparatoren omfatter fortrinnsvis en seng av molekylært perforert materiale lokalisert på periferien av det hovedsakelig sfæriske resonanskammer. Resonanskamméret er fortrinnsvis utformet som et ikosaeder. I dette tilfelle har hver seng av molekylært perforert materiale fortrinnsvis en generelt sirkulær form med sengene plassert i sideveggen av resonanskamméret, med tre sirkulære senger fullstendig inneholdt innenfor hvert hovedsakelig trekantete seg-ment av ikosaedere og en seng på hvert punkt av ikosaedere.

Membraner for separasjon av innsiden av resonanskamméret fra sengen av molekylært perforert materiale kan brukes i forbindelse med generelt koniske resonanskammere som beskrevet i EP-A-0 267 727, eller med resonanskammere som i hovedsak er sfæriske. De mekaniske oscillasjoner av gassen forårsaker korresponderende oscillasjoner av membranen, men membranen danner en fysisk barriere som adskiller sengen av adsorberende materiale fra innsiden av resonanskamméret og hindrer derved forbrenningsprodukter fra den pulserte brenner i å forurense sengen av adsorberende materiale. Diameteren, tykkelsen og stivheten til membranen velges fortrinnsvis slik at membranen har en naturlig resonansfrekvens i samsvar med resonansfrekvensen til resonanskamméret.

Driftsinnretningen kan dannes av en elektrisk aktuator. I dette tilfelle foretrekkes det at den elektriske aktuator omfatter en ankerspole og en stator hvor den ene er forbundet med membranen og den andre holdes fast til en ramme forbundet med omgivelsene, som fungerer slik at en oscillerende strøm tilført til ankeret forårsaker at ankeret, og følgelig membranen, oscillerer i forhold til statoren. Statoren kan utgjøres av en permanentmagnet, men utgjøres fortrinnsvis av en elek-tromagnet. Når den elektriske aktuator tilføres effekt fra nettet foretrekkes det at membranen er avstemt til en nett-frekvens på 50 eller 60 Hz, og at innretningen drives av en enfase-tilførsel.

Driftsinnretningen kan alternativt dannes av en motor, enten en elektrisk motor eller en intern forbrenningsmotor. I dette tilfelle kan membranen kobles til en roterende aksel på motoren via en krank eller annen eksentrisk forbindelse, eller motoren kan monteres på membranen og anordnes for å rotere en ubalansert last.

Ventilinnretningen for innførsel av gassblanding til, og utblåsning av gassblanding fra åpningen mellom membranen og den adsorberende seng omfatter fortrinnsvis et ringformet ventilsete som ligger an mot membranen, og membranen danner ventilens avstengningsdel som danner en gasstett tetning mot den ringformete membran, men som tillater gass å passere mellom setet og membranen når denne forlater ventilsetet ved at den beveger seg bort fra den adsorberende seng.

Ventilinnretningen kan inkludere en utblåsningsventil plassert i midten av membranen slik at gassblandingen beveger seg radielt innover fra det ringformete ventilsete mot midten av membranen. I dette tilfelle er utblåsningsventilen anordnet for å åpne etter innsugningsventilen, men lukker ved tilnærmet samme tidspunkt som innsugningsventilen. En måte å oppnå dette på er å la utblåsningsventilens avstengningsdel være fri til å gli innenfor grenser på en spindel montert på membranen, slik at utblåsningsventilens avstengningsdel, når den beveger seg med membranen bort fra den adsorberende seng, er i en første posisjon på spindelen, men også slik at den, når den beveger seg med membranen mot den adsorberende seng, er i en andre posisjon på spindelen.

Alternativt kan ventilen dannet av det ringformete ventilsetet og membranen fungere både som en innsugningsventil og en utblåsningsventil. I dette tilfelle er det foretrukket at en harmonisk vibrasjon tilføres membranen slik at det, i tillegg til dens grunnleggende oscillasjon mot og fra den adsorberende seng, også superponeres en sekundær vibrasjon som fremstår som en bølge som beveger seg fra en side til den annen av membranen. På denne måten, når membranen er i bevegelse bort fra sengen, løfter en side av membranen seg umid-delbart fra dens ringformete sete. Et redusert trykk i sengen under membranens bevegelse bort fra denne trekker gassblanding inn i åpningen mellom membranen og sengen via det åpne membran-ventilsete på den ene side av membranen. Etter en forsinkelse frigjøres også den andre side av membranen fra det ringformete sete. Gassen som føres inn til den ene side av membranen har en sideveis bevegelse som opprettholdes og fremmes av membranens bøyninger, og forårsaker en gasstrøm fra den ene side til den andre av membranen som forårsaker at den fortynnete gass fra åpningen mellom sengen og membranen blir blåst ut fra den andre side av membranen. Idet membranen returnerer mot den adsorberende seng anbringes først den ene side av membranen mot det ringformete ventilsete etterfulgt av den andre side. Under membranens videre bevegelse mot den adsorberende seng trykkbelaster den sengen og beveger seg deretter bort fra sengen for å trykkavlaste den, hvoretter den ene side av membranen igjen løfter seg fra sitt ventilsete først og syklen blir gjentatt. På denne måten blir det ikke bare utført en trykkbelastning og trykkavlastning på den adsorberende seng ved hjelp av den grunnleggende oscillasjon av membranen, men det blir i tillegg, som et resultat av den harmoniske oscillasjonen påtrykket membranen, dannet en transversal bølgebevegelse på membranen som driver gassen transversalt over overflaten av den adsorberende seng. Dette tilveiebringer en spesielt effektiv renseprosess som renser den uttynnete gassblanding fra overflaten av sengen ved hver oscil-las jon av membranen.

Denne supplerende harmoniske bevegelse kan tilføres membranen ved f.eks. å tilføre en eksentrisk masse til den ene side av membranen, fortrinnsvis svarende til en korresponderende lettelse av membranen på den annen side. Dette er spesielt nyttig når membranen drives av en varmekraftmaskin. Når membranen alternativt drives av en elektrisk aktuator eller en mekanisk forbindelse er denne plassert utenfor senter. Når membranen drives via en krank kan denne supplerende harmoniske oscillasjon også oppnås ved å koble en ende av kranken direkte til membranen, slik at skråvinkelen til en forbindelsesstang som forbinder kranken til membranen tilføres direkte til membranen og resulterer i en korresponderende bøying av denne.

Utsvingnings-gasseparatoren i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse er under bruk fortrinnsvis anordnet slik at gassblandingen ankommer sengen med en seng-ankomsthastighet som er tilstrekkelig lav til å sikre at laminær strømning av gassen foregår på innsiden av den adsorberende seng. Seng-ankomsthastigheten ved hvilken laminær strømning opptrer er en funskjon av partikkelstørrelsen til sengen, som i det etter-følgende vil bli mer detaljert forklart, og følgelig foretrekkes det at partikkelstørrelsen til sengen i hovedsak er en firedels millimeter eller mindre. Ved opprettelse av laminær strømning i sengen reduseres primært friksjonstapene som oppstår i det akustiske trykksvingnings-gasseparator-systemet, som åpner mulighet for en ytterligere reduksjon av nødvendig energi for separasjon. I tillegg til dette foregår imidlertid, ved laminær strømning, en mer effektiv separasjon mellom den uttynnete gassblanding og den rike gass som ikke adsorberes av den adsorberende seng under bevegelse fra den ene flate til den andre av den adsorberende seng.

Den adsorberende seng er fortrinnsvis bred og grunn i motsetningen til de adsorberende senge-anordninger som brukes i de konvensjonelle hurtig trykksvingnings-adsorbsjonssyste-mene i hvilke en relativt smal, men dyp seng er nødvendig for maksimal effektivitet. Det typiske volum av materialet i den adsorberende seng er generelt identisk med det som brukes i de hurtig trykksvingnings-adsorbsjonssystémer for tilsvarende produksjon av ønsket gass.

Forskjellige eksempler på, og diskusjon av noe av teorien bak gass-trykksvingnings-separasjon i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med henvisning til de medfølgende tegninge i hvilke: Figur 1 er et tverrsnitt gjennom et første eksempel. Figur 2 er en delvis bortskåret tegning ifølge første eksempel. Figur 3 er et snitt gjennom et første eksempel av en gass-separator-modul. Figur 4 er en graf som viser forskyvning med hensyn på tid av ventilene ifølge første eksempel av en gasseparator-modul. Figur 5 er et snitt gjennom et andre eksempel av en gass-separator-modul . Figur 6 er et forstørret tverrsnitt gjennom membranen. Figur 7 er en serie tverrsnitt gjennom membranen ifølge det andre eksempel av gasseparator-modulen som viser hvordan den utbøyes.

Figur 8 er et tverrsnitt gjennom et andre eksempel.

En termisk drevet gass-resonansinnretning omfatter et generelt sfærisk kammer 1 og en pulserende brenner 2 plassert sentralt inne i kammeret. Brenneren 2 inkluderer en avstemt tilbakeslagsventil slik som den beskrevet i vår tidligere søknad EP-A-0267727. En forbrenningsblanding av luft og en hensiktsmessig forbrenningsgass tilføres kammeret 1 via den avstemte tilbakeslagsventilen. Forbrenningsblandingen blir antent periodisk med en frekvens som svarer til resonansfrekvensen til det sfæriske kammer 1. En antenningsplugg er anbragt i brenneren for å forårsake starttenning, men deretter er den pulserende forbrenning selvdrevet.

Som et alternativ til bruken av en avstemt tilbakeslagsventil i brenneren kan forbrenningsblandingen tilføres kammeret 1 via et gass-tilførselsrør i resonans, som strekker seg inn i kammeret 1 og er avstemt for å tilføre forbrenningsblandingen i pulser ved den nødvendige puls-repetisjonsfrekvens.

Driften av brenneren slik som beskrevet ovenfor tilveiebringer en pulserende varmekilde i senter av kammeret 1 som produserer en i hovedsak sfærisk ekspanderende bølgefront. Fordi frekvensen til brenneren er i samsvar med resonansfrekvensen til kammeret, frembringer brenneren resonanstilstander til kammeret, slik at varmeenergien fra forbrenningen blir omdannet med maksimal effektivitet til mekanisk energi i tilknytning til trykksvingningene i gassen inne i kammeret 1. Ifølge det første beskrevne eksempel blir denne mekaniske energi benyttet til å drive en gasseparator for berikelse av oksygen.

Ifølge det første eksempel ved foreliggende oppfinnelse vist i figurene 1 og 2 er det generelt sfæriske kammer 1 definert som et hult ikosaedrisk skall 3 dannet av generelt triangulære elementer 4. Utblåsningsrør 5 med åpne ender er rettet innad i kammeret 1 fra den ytre overflate av skallet 3. De radielt innerste ender av rørene 5 ligger på punkter med avstand fra senter av det sfæriske kammer 1 på omkring tre firedeler av sfærens radius. Ved denne radius finnes et nullpunkt for trykk i kammerets resonanstilstand. Forbrenningsprodukter kan derfor ventileres fra kammeret 1 ved disse punkter med minimalt effekttap og minimal ytre støy. Hvis det er nødvendig å føre utstøtingsgassen videre bort fra kammeret 1, kan rørene 5 føres forbi overflaten av skallet 3.

Rør som er tilknyttet en ytre vanntilførsel (ikke vist) er plassert konsentrisk innenfor utblåsningsrørene 5. Disse rørene tilveiebringer innad rettete vannståler. En liten andel av vannet blir omdannet til damp av varmekilden under de termiske pulser og vil derved supplere produksjonen av mekanisk effekt. Den gjenværende tåke av vanndråper avkjøler'' gassene i kammeret under den etterfølgende ekspansjonssyklus, i forkant av rekompresjon, for derved å fjerne overskytende varmeenergi og ytterligere øke effektiviteten til innretningen. Oppvarmet vann bygget opp av vanndråpe som er returnert til den indre sfæriske overflate av kammeret 1 blir drenert bort til utgangspunktet og kan avkjøles og resirkuleres.

Modulene i kammeret 1 er formet som gasseparator-moduler slik som vist for element 4' i figur 2 med sin ytre overflate bortskåret. Hver gasseparator-modul omfatter et antall sirkulære elementer 7, der hvert element 7 består av en konkav seng 8 av zeolitt og en membran 9 som dekker over sengen 8 på dens innad rettete overflate. Hvert element 7 er 0,8 meter i diameter og opp til 72 slike elementer kan anbringes over den indre overflate av et kammer 1 eller 2 meter i radius. Under bruk vil trykksvingningene ved periferien av kammeret 1 tvinge membranen 8 fram og tilbake i radial retning, hvilket vil si retningen transversalt til overflaten av sengen 8. Luft blir trukket inn gjennom et ringformet inntak 10 som omgir periferien av sengen 8 og blir drevet gjennom sengen 8 på en måte som vil bli beskrevet mer detaljert nedenfor. Oksygenberiket gass som forlater sengen 8 ved dens nedre overflate blir sam-let opp under et skjørt 11, og overført via kanaler 12 til det rørformete rammeverk 13 av det ikosaedriske skall 3. Det rør-formete rammeverk 13 er felles forbundet til alle gasseparator-modulene 6 og danner en bane fra modulene 6 til et utløp (ikke vist) fra hvilket den oksygenberikete gassen blir ført bort i rør.

I tillegg til å virke til å isolere zeolittsengen 8 fra forbrenningsgassene inne i kammeret 1, virker membranen 9 også til å fremskaffe en ventilinnretning som sikrer at luft blir tilført og at uttynnet luft blir utblåst ved hensiktsmessige punkter i den oscillatoriske syklus. Membranen 9 er dimensjo-nert for å ha den samme resonansfrekvens som kammeret 1. I det foreliggende eksempel er membranen 9 laget av stål med en diameter på 0,8 m og en tykkelse på 6 mm. Membranen 9 er løsgjort i kantene utenfor sengen 8 slik at den, i sin likevektsposisjon, går klar av periferien til sengen 8, men berø-rer sengen 8 ved et ventilsete 14 utformet ca. 10 cm inn fra den ytre kant av sengen 8. Den delen av sengen 8 som er rettet radielt utad fra dette ventilsete 14 er tettet slik at den er upåvirkelig av luft,.og kontaktområdet mellom membranen 9 og sengen 8 virker til å fremskaffe en ventil som kontrolle-rer inntaket av luft fra porten 10 til hoveddelen av sengen 8. I senter av sengen 8 er det en sylindrisk utblåsningsåpning 15 som, når membranen er i sin likevektsposisjon, er tettet av en konisk ventildel 16. Ventildelen 16 beveger seg på en spindel 17 festet til senter av membranen 9.

Driftssyklusen til trykksvingnings-gasseparatoren blir nå beskrevet under henvisning til figur 4 som viser forskyvningen av inntaksventilen og utløpsventilen med hensyn på tid. Ved tiden t0 er membranen 9 i sin likevektsposisjon. Deretter, idet trykket i gassen i kammeret i umiddelbar nærhet til membranen faller, blir membranen trukket tilbake i retning radielt innad bort fra sengen 8. Membranen 9 frigjøres umiddel-bart fra setet 14 for derved å åpne ventiUnntaket. Utblåsningsventilen forblir imidlertid lukket fordi det er fri bevegelse mellom spindelen 17 og ventildelen 16, slik at ventildelen 16 forblir i anlegg mot setet selv om spindelen 17 er trukket opp. Som et resultat blir det i perioden t0 til t± utviklet et delvis våkum under membranen 9 som trekkes inn og akselererer luft fra inntaket 10 over setet 14. Ved tid tlt idet membranen 9 beveger seg videre oppad, går enden av spindelen 17 i anlegg mot ventildelen 15, frigjør denne fra setet for så å åpne utblåsningsventilen. Luften som trekkes under membranen 9 fra innløpet 10 blir derfor trukket over sengen 8 og dens bevegelse fremmer en fortsatt bevegelse radielt inn ti! senteret av sengen 8. Idet den gjør dette, renser den den fortynnete luft som i utgangspunktet er tilstede mellom sengen 8 og membranen 9, og presser den ut gjennom utblåsningsåpningen 15.

Når membranen 9 har nådd punktet for maksimal forskyvning beveger den seg nedad mot sengen 8 igjen. Ved tid t2 når membranen 9 igjen sin likevektsposisjon og lukker innløps- og utblåsningsventilene. Det bør bemerkes at, selv om det er en forsinkelse mellom åpningen av innløps- og utløpsventilen som en følge av forløpet til spindelen 17, når de lukker ved tid t2 så gjør de dette samtidig. Under den etterfølgende fase av syklusen øker trykket under membranen 9 slik at frisk luft trekkes gjennom det ringformete innløp 10 inn til zeolittsengen 8. Idet luften beveger seg fremad gjennom sengen 8 fungerer zeolitten som en molekylær sil, og adsorberer fortrinnsvis nitrogenet fra luften slik at gassen som strømmer ut gjennom bunnen av sengen 8 er beriket oksygen/uttynnet nitrogen. Deretter, fra tid t3 som er punktet for maksimal forskyvning i den motsatte retning mot sengen 8, beveger membranen 9 seg tilbake mot sin likevektsposisjon for derved å redusere trykket over sengen 8. Under dette reduserte trykk blir nitrogen desorbert fra sengen 8 og trukket tilbake mot overflaten. Idet membranen 9 når sitt likevektspunkt blir syklusen gjentatt med det neste inntak av luft som presser uttynnet oksy-gengass, nitrogenrik gass fra overflaten av sengen 8 til utblåsningsåpningen 15. Syklusen akselererer gassen gjennom dens passasje over sengens flate slik at dens hastighet, når den når utløpet 15, tvinger den bort fra kammeret 1 som et blaff av gass som ikke blander seg med inntaket til sengen. Under flere påfølgende sykler blir oksygen presset ned gjennom sengen til dens ytre overflate hvor den blir ledet bort slik som allerede beskrevet.

En modifikasjon av gasseparator-modulen er vist i figurene 5, 6 og 7. Ifølge dette eksempel omgir et ringformet ventilsete 31 en konkav seng 3 2 av adsorberende materiale. En tykk avstemt membran 33 er i resonans ved resonansfrekvensen til det hovedsakelig sfæriske kammer 1 (ikke vist i figur 5). Sengen 32 og det ringformete ventilsete 31 er generelt identisk med sengen 8 og setet 14 ifølge det første eksempel. Membranen 3 3 er ubalansert og inkluderer en supplerende masse 34 på en side og et bortskåret parti 35, vist i figur 6, på den andre side. Denne asymmetri i membranen 3 3 fører til en harmonisk oscillasjon dannet i membranen 3 3 idet den blir oscil-lert bakut og fremad i den radielle retning ved den grunnleggende frekvens av de sfæriske følgefronter som sprer seg i kammeret 1. Denne harmoniske oscillasjon har form av en transversal bølge som beveger seg fra venstre til høyre som vist i figur 5.

Figur 7 illustrerer denne effekt skjematisk. I figur 7 er membranen representert ved en linje ved amplituden til den transversale oscillasjon sterkt overdrevet for å illustrere hvordan, idet membranen 3 3 beveger seg bort fra sengen 32, først den venstre side, som vist i figurene 5, 6 og 7, blir løftet bort fra det ringformete setet 31 for derved å åpne for at frisk luft blir trukket inn i åpningen mellom membranen 3 3 og ventilsetet 31 på den venstre side av gasseparator-modulen. Videre bevegelse av membranen 33 bort fra den adsorberende seng 32 reduserer ytterligere trykket over den adsorberende seng 32, trekker inn mer frisk luft fra den venstre side av sengen 32 og trekker ut mer av den fortynnete nitrogenrike gass fra sengen 32. Idet frisk luft beveger seg innad i åpningen mellom sengen 32 og membranen 33 har den en betydelig hastighet i retning fra venstre til høyre som vist i figurene 5 og 6. Etter å ha nådd sin maksimale utbøyning starter membranen 3 3 å returnere mot den konkave seng 32. Igjen beveger den venstre side av membranen seg først, som klarest er vist i figur 7, og dette fører til at den venstre side av membranen 3 3 danner en tetning med det ringformete sete 31 på den venstre side av membranen, mens den høyre side av membranen frem-deles ikke er i berøring med den høyre side av det ringformete sete 31, igjen som vist i figur 7. Den transversale bevegelse av luft over flaten til den konkave seng 32 fører til en effektiv rensing av den uttynnete nitrogenrike luft fra overflaten av sengen 32 og ut av den høyre side av gasseparator-modulen mellom den høyre side av det ringformete sete 31 og membranen 33. Når membranen 33 fortsetter å bevege seg mot den adsorberende seng går den til slutt i anlegg mot hele omkretsen av det ringformete sete 31, for derved å lukke ventilen og trykkbelaste den friske luft innført til modulen, og presse den inn i den adsorberende seng 32. Etter å ha nådd et punkt for maksimal utbøyning mot sengen 3 2 starter membranen igjen å returnere og bevege seg bort fra sengen 32. Igjen er det den venstre side av membranen som først blir løftet fra det ringformete sete 31 for å tillate frisk luft å innta modulen fra den venstre side og fremgangsmåten blir gjentatt. Den transversale bølgebevegelse som blir fremkalt i membranen 33 fremmer også bevegelsen av luft i den transversale retning fra den venstre side til den høyre side av gasseparator-modulen.

En trykksvingnings-gasseparator som den beskrevet over tilbyr både større effektivitet og lavere kapitalkostnader sammenlignet med et konvensjonelt anlegg for oksygenproduk-sjon, som f.eks. en lavtemperatur-oksygengjenvinningsenhet.

En sfære med radius 2 m med sin overflate fullstendig dekket av gasseparasjon-moduler er istand til å produsere 100 tonn 98% oksygen pr. dag med et oksygen-gjenvinningsforhold, hvilket vil si volumforholdet mellom innført oksygen og utført oksygen, på 100:15 og et spesifikt energiforbruk, hvilket vil si den nødvendige mekaniske energitilførsel for produksjon av ett kilogram oksygen, på 0,125 kW t/kg. Den produserte 98% oksygenblanding er hensiktsmessig for bruk i industrielle prosesser som f.eks. produksjon av jern og stål, men kan også benyttes til andre formål som f.eks. klo-akkbehandling eller frembringelse av oksygen til medisinsk bruk. For disse alter-native bruksområder kan innretningens størrelse og konsentra-sjonen av produsert oksygen varieres for å tilfredsstille behovene ved den enkelte anvendelse. Der det kun kreves små volum oksygen kan en gasseparator-enhet, dannet av en enkel sirkulær seng og membran f.eks. som den beskrevet ovenfor, benyttes i en spissbuet gassresonans-innretning f.eks. som den beskrevet i den europeiske søknad nevnt ovenfor.

Det andre eksempel på en trykksvingnings-gasseparator benytter en anordning for seng og membran identisk med den beskrevet i modifikasjonen av det første eksempel, men membranen blir drevet av en elektrisk aktuator 40. Gasseparatoren omfatter en membran 41 hvis periferi er fastholdt mellom en O-ring 42 og et antall kuler 43 med likevinklete mellomrom. O-ringen 42 ligger i en ringformet fordypning i den øvre del av huset 44, mens kulene 43 ligger i den nederste del 45 av huset. De to halvdeler av huset holdes sammen av bolter 4 6 for derved å fastholde membranen 41 mellom O-ringen 42 og kulene 43. En konkav seng 47 fyllt med adsorberende materiale er plassert i den nederste halvdel 45 av huset og er omgitt av en ringformet tetning 48 som er anbragt nær periferien til membranen 41. Et gassutløp 49 i sammenheng med den bakre flate av sengen 47 fører bort fra den nedre halvdel 45 av huset. Den øvre del 44 av huset understøtter den elektriske aktuator 40 som består av en stator 50 som kan være en permanentmagnet eller, fortrinnsvis er en elektromagnetisk stator aktivisert av en spole med likestrømsfelt. Et anker 51 dannet av en spole i bevegelse er eksentrisk forbundet med membranen 41. Figur 8 illustrerer forskyvningen AV mellom membranens senter og senteret til ankeret. Anordningen for den elektriske aktuator 4 0 er generelt identisk med den som brukes for drift av høyttalere.

Typisk er at énfase vekselstrøm fra nett er koplet til det bevegelige spoleankeret og, som reaksjon på den vekslende strøm, beveger ankeret seg opp og ned, som vist i figur 8 for derved å få membranen til å oscillere. Membranen er anordnet til å oscillere ved nettfrekvensen. På grunn av den sideret-tete forskyvning mellom membranens akser og ankerets akse oscillerer membranen som ovenfor beskrevet under henvisning til figur 7.

Oversikt over teorien bak foreliggende oppfinnelse

Adsorbsjon/desorbsjon med stigende og fallende fluidtrykk er istand til å separere stoffer som f.eks. nitrogen og oksygen fra luft ved å benytte en molekylær sil av zeolitt i form av en porøs seng av partikler med gradert eller ensartet størrelse. Typisk er at blandete gasser blir innført ved toppen av sengen og at en komponent blir trukket ut ved en lavere strømningsgrad ved sengens grunnflate. Gjennomstrøm-ning er bestemt av den nødvendige renhet til den separerte friksjon. Separasjonens energieffektivitet er potensielt høy for separert gass levert ved atmosfærisk trykk, og er allerede høyere ved praktiske bruksområder enn ved noen av de frem-gangsmåter som angår adskillelse ved lav temperatur.

Molekylær utvelgingsevne danner grunnlaget for separasjo-ner frembragt ved adsorbsjon og er kjent at, f.eks. nitrogen fortrinnsvis blir adsorbert på en overflate av zeolitt på grunn av den forskjellige molekylære oppbygning til nitrogen og oksygen. Adsorbsjonsprosessen er også fullstendig reversibel ved å forandre trykket. Den molekylære utvelgingsevne til zeolitt for nitrogen fra blandinger av N2/02 regnes å være 2,8 over et bredt trykkspekter ved omgivelsestemperaturer. Siden molekylære prosesser i seg selv er hurtige er det åpenbart at adsorbsjonsgrader er begrenset av diffusjon heller enn molekylær adsorbsjon, siden inaktive komponenter som f.eks. argon konstant er tilstede og danner en effektiv barriere mellom nitrogenet og den adsorberende seng. Dessuten vil, fordi adiabatisk kompresjon også er reversibel, mye av kompresjonsenergien bli bevart hvis et akustisk trykkbelastningssystem i resonans blir benyttet, slik at de to dominerende faktorer med hensyn på energieffektivitet ifølge den forbedrete fremgangsmåte mest sannsynlig er friksjonsstrømnings-motstand i sengen, sammen med rensestrømnings-motstand ved atmosfærisk trykk på toppen av sengen. Disse faktorer er nå gransket.

Selektiv adsorbsjon

Adsorbsjonen av to stoffer B og C med identisk tetthet på en ren overflate antas å være bestemt av produktet av den molekylære utvelgingsevne s og de relative ankomstmeng-der av de forskjellige stoffer på overflaten, uttrykt ved et inaktivt grensesjikt av stofftype A og tykkelse S som hindrer strømning til overflaten, og den innbyrdes diffusjonsevne D til de andre to stoffer gjennom dette grensesjikt. Stefans lov antyder at den totale massediffusjonsgrad q pr. arealenhet adsorbert stoff ved grenseflaten er

hvor pQ er den totale tetthet og cA er den lille andel konsentrasjon av det inaktive stoff A. (Det negative fortegn

begrunnes av den negativ logoritme). En kvalitativ vurdering av ligning (1) viser at forholdsvis store mengder adsorbsjon kan forutsees i en adsorbsjonsseng av små partikler.

Ved å se bort fra forskjeller i tetthet, hvis stoffene B og C er tilstede som andeler av volumkonsentrasjoner cB og cc (slik at cB + cc + cA = 1) , kan det postuleres at virknin-gen av den molekylære utvelgingsevne s, ved å henvise til stoffene B og C respektivt, er at

Ligning (2) demonstrerer at den momentane effektive utvelgingsevne a under tilstedeværelse av grensesjiktet ganske enkelt er

som overskrider s ved starten av prosessen og blir progressivt redusert.

For å kunne følge forandringene av konsentrasjon er det nødvendig å postulere et startvolum V av blandete gasser som nærmer seg grenseflaten, hvilket blir progressivt redusert i tid ved adsorbsjon (forskjeller i tetthet mellom stoffene B og Ci tillegg til cA sees bort ifra på dette stadiet). Dette gir:

Ved å dividere med V, sette gt = x, hvor x er den

V

andel av gassblandingen som er adsorbert og ved å erstatte qB og qc fra ligning (2),

hvor <c>Bj<g> og cc>0 er startverdier. Fra den første av disse, ved differensiering og separasjon av variable, som, ved integrasjon av begge sider og innføring av grenser, fører til Uttrykk gitt ved cc i ligningene (5), (6) og (7) fører som ventet til et identisk resultat. Ligning (7) kan skrives som Da er, for etterfølgende trykksvingninger i forbindelse med den ikke-adsorberende leveringsandel i overensstemmelse med konsentras jonsuttrykkene k0, kx, k2, ..... kn, den kumu-lative verdi gitt ved

slik at det trinnvise resultat er det samme som for én trykksvingning.

Laminær strømning innenfor sengen

Med en liten verdi for Reynolds tall (<100) for små partikler og små hastigheter, gir et godt grunnlag for å anta laminær strømning. Hvis z er avstanden nedenfor sengens ankomstoverflate kan massestrømmen pr. arealenhet bestemmes ved qn $& , hvor p er trykkoverskudd, og mengden av adsorb-dz

sjons-massestrøm er Qp pr. volumenhet av sengen. Da er trykk-fallet gjennom sengen bestemt ved

og den aktive dybde av sengen samt den proporsjonale strøm-ningsmengde er uforandret uansett om A er konstant eller proporsjonal med sin wt (hvor w er vinkelfrekvens og t er tid), forutsatt at Q er konstant (hvilket vil si ikke begrenset av metning ved adsorbsjon) og at laminære strømningstil-stander er opprettholdt. Dette enkelt uttrykte og viktige resultat viser at bruksfrekvensen kan varieres innenfor brede grenser. Det er i det etterfølgende hensiktsmessig å sette A = p p0, hvor p er ikke-dimensjonal og p0 er atmosfærisk trykk.

I volum V av sengen opptar tettpakkete sfærer med

ensartet diameter d volumet

Tallet n i volumet V med pakkings-mellomromsforhold 77 er Oppsamlings-overflatearealet er i volumenhet slik at den tilsvarende tykkelse av parallellkanalen er

Ved å ta hensyn til at dimensjonene av arealet

kan midlere banelengde og bredde av kanal-tverrsnitt pr. volumen het tilskrives (377) 1/2 og

respektivt, som begrunner

porevolumrasjon 1 - 77 multiplisert sammen og med kanaltyk

keise

( 1 - n)

3rj d.

Den effektive trykkgradient er da

(3rj)1/2,

som begrunner den strukkete bane der p' er en ikke-dimensjonal trykkgradient.

Den laminære strømningsmengde q = q0P' er gitt ved

hvor fj, er viskositet med dimensjon Den tilsvarende mengde av adsorbsjons-massestrøm er gitt ved slik at forholdet er gitt ved og sengens ankomsthastighet v ved

Fra ligning (12) kan bemerkes at aktiv sengdybde, som er et multiplum av a, er proporsjonal med d<2>, mens v fra ligning (13) er uavhengig av d. Begge uttrykk viser en betydelig innflytelse av pakkingsforholdet rj, siden både aktiv sengdybde og v reduseres når r\ økes.

Det kan videre bemerkes at den gjennomsnittlige arbeids-

mengde pr. enhet sengeareal under syklisk drift er

og at komponenten av spesifikk separasjonsenergi tilskrevet sengfriksjon (kWhr/m<3> av komponent) er

hvor 1 - x

er gjenutvinningsforholdet i forbindelse med en spesiell konsentrasjon avledet fra ligning (7). Disse uttrykkene er fortsatt uavhengig av driftsfrekvensen og den spesifikke energi er også uavhengig av v. Det aktuelle uttrykk kan benyttes tilsvarende for å karakterisere ikke-resonante sepa-rasjonssenger, og er i nær sammenheng med resultatene som er fremkommet fra dem. Den bedrete økonomi som følger av reso-nansdrift med mye lavere trykkamplituder i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse er dermed fremhevet.

S ammen 1 i cf n ing av modeller for senqstrømning

Antall perler

pr. volumenhet

Sammenligningen av resultatene vist nedenfor fremstår fra alternativet med en rørnettverk-modell (innvendig rørdiameter D) til den originale modell som kan oppfattes som en stabel av adskilte plater. Resultatene er identiske, men fører til enklere uttrykk antydet ved mindre adsorbsjon, men større mengder massestrøm, ankomsthastigheter og aktive senglengder. Som sådan er de sannsynligvis optimistiske og platemodellen foretrekkes. Forskjellen er liten, omkring 20%, for det viktige kriterium V for seng-ankomsthastighet.

Totalt areal

pr. volumenhet.

Et konservativt hensyn tilsier at begge modeller innbefatter den maksimalt mulige tykkelse av grensesjiktet, og ser bort ifra adsorbsjonsoverflater innenfor perlene. De begrunner imidlertid ikke uregelmessighetene i tverrsnitt av gass-banene, som vil ha mindre virkning med laminær strømning enn med turbulent strømning.

De viktigste forskjeller mellom akustisk trvkksvingninqs-gasseparasjon og hurtig trykksvigningsadsorbsjon.

Den mest nærliggende, men overfladiske forskjell er den som gjelder frekvens der det hurtig trykksvingnings-adsorb-sjonssystem (RPSA) anvender sekvensielle ventiler for å veksle mellom å trykkbelaste og trykkavlaste, og det akustiske system benytter resonante oscillasjoner for å beholde trykkenergien opplagret i den utstøtte komponent etter separasjon av en annen komponent. På dette grunnlag er det rimelig at de anvendbare frekvensbånd til de to systemer ligger nær hverand-re og uten overlapp.

Senginnlastnings-analysen som denne redegjørelse under-støtter bekrefter at mindre trykksvingningsamplituder og ankomsthastigheter foretrekkes for den akustiske variant fremfor RPSA med hensyn på å redusere tap ved sengfriksjon. For en gitt gjennomstrømning er sengarealet derfor større med den akustiske variant, men er kompensert med mye mindre dybde. Det oppnås en i hovedsak betydelig økning i energieffektivitet ved separasjon på denne måte for akustisk separasjon.

Bruken av små perler (<250 jum) foretrekkes for begge varianter hvis det er nødvendig med ren gass fra separasjonen. Dette kan tillegges overlegenheten til laminær strømning fremfor turbulent strømning gjennom sengen i slike tilfelle, slik at turbulent tilbakediffusjon og dermed tap av den separerte komponent undertrykkes. Kriteriet for laminær strømning er en lav verdi for Reynolds tall, i hovedsak avhengig av produktet av perlestørrelse og strømningshastighet. Laminær strømning blir derfor lettere opprettet for den akustiske variant ved en gitt perlestørrelse med lavere seng-ankomsthastigheter.

Den mest grunnleggende forskjell mellom RPSA og akustisk trykksvingings-separasjon ved adsorbsjon, er at den førstnevn-te gjør bruk av adsorbsjonsmetning ved seng-ankomsttUstander, noe den akustiske variant ikke gjør. Med RPSA stiger trykket derfor hurtig når det er tilført, og forblir deretter konstant ved ankomst under det meste av syklusen mens sengen blir ladet. En bølge av trykk og adsorbsjon passerer deretter ned gjennom sengen, skjønt med et amplitudefall av eksponensiell type. Dette begrunner behovet for forholdsvis lange senger, men øker gjennomstrømningen. Som vist i analysen er det mulig å oppnå en tilstrekkelig grad av adsorbsjon ved øket frekvens til å unngå behovet for å gjøre bruk av metning, og dette er grunnen til at den akustiske seng kan utføre de samme volumet-riske innlastinger ved lavere ankomsttrykk og -hastigheter, og høyere energieffektiviteter.

Begge varianter benytter en superponert stabil gasstrøm gjennom sengen for å trekke ut den separerte komponent, og den uttrukkete andel bestemmer på denne måte dens renhet. Begge varianter gjør derfor nødvendigvis bruk av metning ved det lave konstante trykk ved sengens grunnflate, siden adsorbsjon til slutt opphører når trykket er konstant ved enhver verdi.

Som en oppsummering er kriteriet for senginnlasting for akustisk trykksvingnings-separasjon ankomsthastighet og ikke frekvens. Ved høye frekvenser er sengdiametrene fortrinnsvis små for å begrense energitap fra høye rensehastigheter.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for drift av en trykksvingnings-gasseparator, karakterisert ved at den drives med en trykkforskjell mellom dens trykkbelastete og trykkavlastete tilstander på mindre enn IO<4> Pa.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes en repetisjonsfrekvens som er større enn 1 syklus pr. sekund.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes en repetisjonsfrekvens mellom 50 og 200 sykler pr. sekund.

4. Trykksvingnings-gasseparator innrettet til å arbeide i henhold til fremgangsmåten ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den omfatter en seng av adsorberende materiale (6, 8, 47), at den danner en del av et resonant system, at den inkluderer innretninger (1, 40, 41) som arbeider ved resonansfrekvensen til det resonante system for å trykkbelaste og trykkavlaste sengen av adsorberende materiale, slik at trykkenergien til den desorberte gassblanding i hovedsak blir gjenvunnet.

5. Trykksvingnings-gasseparator innrettet til å arbeide i henhold til fremgangsmåten ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den omfatter en seng av adsorberende materiale (6, 8, 47), en avstemt membran (9, 33, 41) nær, men adskilt fra en flate av sengen av adsorberende materiale (6, 8, 47), en driftsinnretning (1, 50) anordnet for drift av membranen (9, 33, 41) ved dens resonansfrekvens mot og bort fra sengen av adsorberende materiale (6, 8, 47), en ventilinnretning (10, 15, 31) for innførsel av gassblanding til og utblåsning av uttynnet gassblanding fra en åpning mellom membranen (9, 33, 41) og sengen (6, 8, 47), og et gassutløp (12, 13, 49) i samsvar med den andre flate av den adsorberende seng (6, 8, 47), slik at bevegelsen av membranen mot og bort fra den adsorberende seng under bruk trykkbelaster og trykkavlaster den.

6. Trykksvingnings-gasseparator ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at driftsinnretningen som arbeider ved systemets resonansfrekvens utgjøres av en pulserende brenner (2) plassert i midten av et hovedsakelig sfærisk resonanskammer (1) eller ved enden av et spissbuet resonanskammer .

7. Trykksvingnings-gasseparator ifølge krav 5, karakterisert ved at driftsinnretningen utgjøres av en elektrisk aktuator (50) som omfatter en ankerspole og en stator hvor den ene er forbundet med en membran (41) og den andre holdes fast av en ramme (46) forbundet med omgivelsene, slik at en oscillerende strøm tilført ankeret virker til at ankeret; og følgelig membranen (41), under bruk oscillerer i forhold til statoren.

8. Trykksvingnings-gasseparator ifølge et av kravene 5, 6 eller 7, karakterisert ved at ventilinnretningen for innførsel av gassblanding inn i, og utblåsning av gassblanding fra åpningen mellom membranen (3, 33, 41) og den adsorberende seng (8, 47) omfatter et ringformet ventilsete (31, 48) som er i anlegg mot membranen (3, 33, 41) og membranen (3, 33, 41) danner ventil-avstengningsdelen som danner en gasstett tetning mot det ringformete ventilsete (31, 48), og at membranen, når den beveger seg bort fra den adsorberende seng, frigjøres fra setet for at gass skal kunne passere mellom setet og membranen (3, 33, 41).

9. Trykksvingnings-gasseparator ifølge krav 8, karakterisert ved at ventilen dannet av det ringformete ventilsete og membranen fungerer både som en innløps- og en utblåsningsventil, og at en harmonisk vibrasjon tilføres membranen slik at det, i tillegg til dens grunnleggende oscillasjon mot og bort fra den adsorberende seng, også er en superponert sekundær vibrasjon som fremstår som en bølge som beveger seg fra én side til den annen av membranen.

10. Trykksvingnings-gasseparator ifølge et av kravene 4-9, karakterisert ved at partikkelstørrelsen til den adsorberende seng (6, 8, 47) hovedsakelig er en kvart millimeter eller mindre.