DE19723564C2 - Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff oder Stickstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff oder Stickstoff nach dem Druckwechseladsorbtions­ verfahren (PSA-Verfahren) bestehend aus mindestens zwei Ad­ sorbtionsbehältern, die in gleichen Zeitintervallen wechsel­ seitig zu- und abschaltbar sind, wobei zwischen den Ablei­ tungen der Behälter eine Verbindungsleitung vorgesehen ist mit druck- und mengenregelnder Einrichtung, welche die ge­ wonnenen Gasmengen für die Rückspülung der Adsorbtionsbe­ hälter steuert.

Ein derart verwendetes Druckwechseladsorbtionsverfahren ist beispielsweise aus der DE-PS 32 07 089 bekannt. Dieses Ver­ fahren läßt sich kurz so darstellen, daß üblicherweise Luft einen Zyklus durchläuft, der folgende Phasen umfaßt: (1) Adsorbtion bei niedrigem Druck, (2) Aufdrücken auf den hohen Druck, (3) Spülen bei dem hohen Druck und Abführen von angereichertem Abgas, d. h. der unreinen, weniger leicht adsorbierbaren oder leichten Komponente, und (4) Druckmin­ derung, wobei die leicht adsorbierbare oder schwere Kompo­ nente bei niedrigem Druck als gewünschtes Produktgas mit ge­ steigerter Reinheit freigesetzt wird. Für die Durchführung dieser Verfahren ist aus der DE-PS 32 07 089 eine Anlage bekannt, die aus drei Adsorberbetten besteht, um das Ein­ satzgas, welches in der Regel aus Stickstoff und Sauerstoff besteht, zu zerlegen. Diese Anlagen sind sehr kompakt und in der Auslegung, bedingt durch die Vielzahl der Ventile und deren Steuerung, sehr kostenaufwendig.

Dazu ist es nur erforderlich, die Drossel in der Verbin­ dungsleitung zwischen den Produktgasableitungen der Adsorb­ tionsbehälter durch eine Drossel auszutauschen, die ein verändertes Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Dros­ selbohrung aufweist, damit die benötigte Rückspülgasmenge sichergestellt ist. Auf diese Weise ist es möglich, kleinere Vorrichtungen mit einer geringen Kapazität kostengünstig auch für größere Kapazitäten verfügbar zu machen und/oder die Vorrichtungen auch bei stark schwankender Kapazität wirtschaftlich auszulegen und zu betreiben, indem je nach Bedarf an Produktgas zusätzliche Paare der Adsorbtions­ behälter entweder paarweise abgeschaltet oder zugeschaltet werden.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Drossel als druck- und mengenregelnde Einrichtung weitere zahlreiche Vorteile gegenüber der herkömmlichen Regeleinrichtung auf. So kann z. B. mit einer derartig ausgebildeten Drossel eine Kleinst­ anlage mit einer Quantität von kleiner 30 m³/h oder eine industrielle Anlage, die möglicherweise durch eine entspre­ chende Ausführungsform, beispielsweise in Modulbauweise, bei steigendem Bedarf ohne großen Aufwand auch noch erweiterungs­ fähig ist, sehr wirtschaftlich betrieben werden, ohne das veränderte oder speziell ausgeführte Regeleinrichtungen benötigt werden.

Der geringe geräte- und regeltechnische Aufwand bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Drossel macht es aber auch möglich, daß insbesondere kleine mobile Anlagen sehr anwen­ dungsfreundlich ausgeführt werden können.

Weiterhin kann eine Anlage mit der erfindungsgemäßen Drossel trotz der grundsätzlichen Notwendigkeit der Verwendung von Druckluft beim Druckwechselverfahren mit oder ohne eigenen Kompressor ausgeführt werden, weil die Drossel auch für den Anschluß an zentrale Druckluftquellen des Betreibers geeignet ist.

Darüber hinaus kann die Kapazität einer derartigen Anlage nicht oder nur mit einem erheblichen Kostenaufwand dem Be­ darf an Produktgas angepaßt werden, der beispielsweise beim Sommerbetrieb, infolge des höheren Verlustes an Sauerstoff, größer ist als im Winterbetrieb.

Aus der DE-OS 34 23 968 A1 ist eine modular aufgebaute Vor­ richtung zur industriellen Sauerstoffkonzentration nach dem PSA-Verfahren bekannt, die auf verhältnismäßig großmaßstäb­ liche industrielle Anlagen ausgerichtet ist. Diese Vor­ richtung besteht aus vier Modulen und zwar aus einem ersten Modul, das wenigstens eine Gasadsorbtionseinrichtung zur Durchführung der Gastrennung umfaßt; einem zweiten Modul, das einen Zwischenbehälter zum Sammeln einer im ersten Modul getrennten Gaskomponente umfaßt; einem dritten Modul, das Einrichtungen zur Zuführung des Gasgemisches zum ersten Modul und zur Ableitung des Abgases vom ersten Modul umfaßt und einem vierten Modul, das Einrichtungen zur Überleitung der einen Gaskomponente vom ersten Modul zum zweiten Modul und zur Zuführung von Gas zum ersten Modul für die Spülung des ersten Moduls umfaßt; sowie Einrichtungen zur hydraulischen, elektrischen und mechanischen Verbindung der vier Module. Diese Vorrichtung ist ausschließlich für Grobanlagen ge­ eignet. Darüber hinaus kann, wenn überhaupt möglich, die Quantitätsbreite des zu erzeugenden Produktgases nur in geringen Grenzen verändert werden, so daß die Quantität bei einem wechselnden Bedarf vom Betreiber nicht dem tatsäch­ lichen Verbrauch angepaßt werden kann. Die Folge kann sein, daß einerseits bei einer geringeren Abnahme von Produktgas aus dem Zwischenbehälter ein Teil des Produktgases an die Atmosphäre abgegeben werden muß und andererseits bei einem zeitweisen größeren Bedarf keine ausreichende Menge an Pro­ duktgas im Zwischenbehälter zur Verfügung steht.

Aus der EP 0 207 686 ist eine Vorrichtung bekannt, die aus mindestens zwei Adsorbtionsbehältern besteht, die durch eine T-förmige Verbindungsleitung miteinander verbunden sind. Diese Verbindungsleitung verbindet die Ableitungen der Ad­ sorbtionsbehälter mit einem Sensor, mit dem der Partial­ druck des abgezweigten Gases aus dem in der Adsorbtionsphase befindlichen Adsorbtionsbehälter gemessen wird. Mit diesem ermittelten Wert wird ein Ventil gesteuert, über das zum einen die Menge der zuzuführenden komprimierten Luft zu und zum anderen das abzuführende Abgas zum Rückspülen für den abgeschalteten Adsorbtionsbehälter aus dem in der Adsorb­ tionsphase befindlichen Adsorbtionsbehälter bestimmt wird. Der Steuer- und Regelaufwand für diese Vorrichtung ist jedoch sehr hoch und unwirtschaftlich, insbesondere wenn eine der­ artige Anlage als industrielle Großanlage eingesetzt werden soll. Durch die Regelung der zuzuführenden Luft zu dem sich in der Adsorbtionsphase befindlichen Adsorbtionsbehälter über den gemessenen Partialdruck steht an den Drosseln kein gleichmäßiger Druck und damit keine gleichmäßige Menge zur Rückspülung des abgeschalteten Adsorbtionsbehälters an. Folglich herrschen nicht bei jeder Rückspülung die gleichen Verhältnisse beim Rückspülen vor. Ungleichmäßige Verhältnisse beim Rückspülen beeinflussen aber die gewünschte Gaskonzen­ tration.

Darüber hinaus sind die Drosseln in der Verbindungsleitung weitgehend zueinander abzustimmen, damit die Rückspülung des jeweils abgeschalteten Adsorbtionsbehälters effektiv durch­ geführt werden kann. Diese Abstimmung ist infolge der un­ gleichmäßigen anliegenden Druckverhältnisse in den Adsorb­ tionsbehältern nicht oder nur mit hohem regeltechnischen Aufwand möglich.

Die Aufgabe der Erfindung ist, die eingangs erwähnten Vor­ richtungen in der Weise zu verbessern, daß mit geringem Steuer- und Regelaufwand konstante Mengen- und Druck­ verhältnisse bei der Rückspülung vorherrschen und daß ohne weiteren regeltechnischen Aufwand die Anlage an den ge­ wünschten Reinheitgrad oder die Menge des zu erzeugenden Gases anpaßbar oder erweiterbar ist.

Ausgehend von dem bekannten Druckwechseladsorbtionsverfahren wird die Erfindung dadurch gelöst, daß die druck- und mengen­ regelnde Einrichtung aus einer einzigen Drossel (6) in der Verbindungsleitung (5) besteht, die einen Drosselkörper (28) und eine Drosselbohrung (29) aufweist, die an ihren gegen­ überliegenden Enden mit annähernd gleichen Senkungen (30a, 30b) versehen ist.

Durch diese Drossel wird gewährleistet, daß die Adsorbtions­ behälter mit ihren Adsorberbetten durch die wechselseitige Arbeitsweise maximal für eine wirtschaftliche und effektive Trennung des zugeführten Einsatzgases, beispielsweise in Sauerstoff und Abgas, ausgenutzt werden können. Vielmehr durch eine derartig ausgebildete Drossel in der Leitung zwischen den Ableitungen der Adsorbtionsbehälter kann der Druck und die Menge für die Rückspülung, der wechselseitig abschaltbaren Behälter, exakt vorbestimmt und konstant gehalten werden, wodurch gewährleistet ist, daß der abge­ zweigte Teilstrom aus dem abgeführten Produktgas für die jeweilige Rückspülung immer mit gleichem Druck und gleicher Menge anliegt. Damit kann der Aufwand an notwendiger Steuer- und Regel- sowie Ventiltechnik auf ein Minimum reduziert werden, was u. a. dazu führt, daß diese Vorrichtung sehr wirtschaftlich ausgelegt und betrieben werden kann. Aber auch die Erweiterung und die Einstellung des Reinheitsgrades ist ohne weiteren regeltechnischen Aufwand möglich. Zu diesem braucht nur die Drossel durch eine Drossel ausgetauscht wer­ den, bei der das Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser der Drosselbohrung verändert ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind zu den Adsorbtionsbehältern mehrere paarweise geschaltete und wechselseitig betriebene Adsorbtionsbehälter zu- und ab­ schaltbar.

Letztlich ist es möglich die Herstellungskosten und auch die Betriebskosten für eine derartige Anlage zu reduzieren, was ausschließlich auf die erfindungsgemäße Drossel als druck- und mengenregelnde Einheit zurückzuführen ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bespielsweise veranschaulicht sind.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Anlage mit zwei paarweise geschalteten und wechselseitig betriebenen Adsorbtionsbehältern,

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Anlage mit mehreren jeweils paarweise geschalteten und wechselseitig betriebenen Adsorbtionsbehältern und

Fig. 3: eine mögliche Ausführungsform der Drossel.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die Vorrichtung die Adsorb­ tionsbehälter 1a, 1b, die aufrechtstehend nebeneinander an­ geordnet sind; zwei Sammelbehälter 3a, 3b, die getrennt mit den Adsorbtionsbehältern 1a, 1b über die Leitungen 17a, 17b in Verbindung stehen; zwei Rückschlagventile 4a, 4b in den Leitungen 17a, 17b; eine die Ableitungen 17a, 17b verbindende Leitung 5, die zwischen den Adsorbtionsbehältern 1a, 1b und den Rückschlagventilen 4a, 4b angeordnet ist; eine in der Leitung 5 eingebundene, den Druck und die Menge des Rück­ spülgases regelnde Drossel 6, sowie die Zuführungsleitungen 26a, 26b des Einsatzgases zu den Adsorbtionsbehältern 1a, 1b und den Ventilen 7, 8, 9, 10 in der Leitung 24a, 24b, 25.

Jeder der Adsorbtionsbehälter 1a, 1b enthält ein nicht ge­ zeigtes aber für das Druckwechseladsorbtionsverfahren übli­ cherweise erforderliches Adsorberbett, das aus einem Zeo­ lith-Molekularsieb besteht, in dem das durchströmende Einsatzgas in Sauerstoff und Abgas getrennt wird.

Unterhalb der Adsorbtionsbehälter 1a, 1b verläuft eine Lei­ tung 25, die zum einen über die Leitung 23 mit dem Kompres­ sor 2 verbunden ist, der mit der Zuführungsleitung 22 für das Einsatzgas in Verbindung steht und in der zum anderen die Magnetventile 8, 9 sowie die Magnetventile 7, 10 und die Leitungen 26a, 16b zu den Adsorbtionsbehältern 1a, 1b einge­ bunden sind.

Die Leitung 26a, die in den Adsorbtionsbehälter 1a von unten einmündet und diesen mit der Leitung 25 verbindet, wird auf der einen Seite von dem Magnetventil 7 und auf der anderen Seite von dem Magnetventil 8 begrenzt und die Leitung 26b, die ebenfalls in den Adsorbtionsbehälter 1b von unten ein­ mündet und diesen mit der Leitung 25 verbindet, wird auf der einen Seite von dem Magnetventil 9 und auf der anderen Seite von dem Magnetventil 10 begrenzt.

Am obersten Ende des Adsorberbehälters 1a ist die Ableitung 17a angeschlossen, die das abgetrennte Produktgas aus dem Adsorbtionsbehälter 1a über die Leitung 17a und ein darin zwischengeschaltetes Rückschlagventil 4a in den Sammelbe­ hälter 3a einführt. Analog dazu ist am obersten Ende des Adsorberbehälter 1b eine Ableitung 17b angeschlossen, die das abgetrennte Produktgas aus dem Adsorbtionsbehälter 1b über die Leitung 17b und ein darin zwischengeschaltetes Rückschlagventil 4b in den Sammelbehälter 3b einführt.

Die Leitungen 17a, 17b sind durch die Leitung 5 verbunden, die zwischen den Rückschlagventilen 4a, 4b und den Adsorbtions­ behältern 1a, 1b angeordnet ist. In der Leitung 5 ist die Drossel 6 vorgesehen.

Beim Betreiben der Vorrichtung wird Einsatzgas über die Leitung 22 dem Kompressor 2 zugeführt und verdichtet. Das verdichtete Einsatzgas wird bei geöffneten Magnetventilen 8, 10 und bei geschlossenen Magnetventilen 7, 9 dem Adsorb­ tionsbehälter 1a zugeführt und beim Durchströmen des Adsor­ berbetts in Sauerstoff und Abgas getrennt. Durch Schließen der Magnetventile 8, 10 und gleichzeitigem Öffnen der Magnet­ ventile 7, 9, wird der Adsorbtionsbehälter 1a entspannt und stickstoffhaltiges Gas entweicht. Gleichzeitig wird der Ad­ sorbtionsbehälter 1b mit verdichtetem Einsatzgas gefüllt und das Einsatzgas beim Durchströmen des Adsorberbetts im Adsorb­ tionsbehälter 1b in Sauerstoff und strickstoffhaltiges Gas getrennt. Der getrennte Sauerstoff entweicht über die Ablei­ tung 17b aus dem Adsorbtionsbehälter 1b und wird über die Leitung 17b dem Sammelbehälter 3b zugeführt. Beim Durchströ­ men des Sauerstoffs durch die Leitung 17b wird über die Lei­ tung 5, welche die Leitung 17b, 17a verbindet, ein durch die Drossel 6 vorbestimmter Teilstrom aus dem abgeführten Sauer­ stoff abgezogen, der infolge des geschlossenen Rückschlagven­ tils 4a in den Adsorbtionsbehälter 1a eingeleitet und zum Spülen des Adsorberbetts genutzt wird. Beim Spülen desorbiert der abgezogene Teil des Sauerstoffs mit dem abgetrennten stickstoffhaltigen Gas und wird als Abgas über die Leitung 26a, 25, dem geöffneten Magnetventil 7 in die Abgasleitung 24a eingeleitet.

Nach Beendigung des Spülvorganges des Adsorbtionsbehälters 1a werden die Magnetventile 7, 9 geschlossen und gleichzeitig die Magnetventile 8, 10 geöffnet und verdichtetes Einsatzgas wird wieder über die Leitung 26a dem Adsorbtionsbehälter 1a zuge­ führt. Zur gleichen Zeit entspannt sich der Adsorbtionsbehäl­ ter 1b durch das geöffnete Magnetventil 10 und der Adsorb­ tionsbehälter 1b wird durch Schließen des Rückschlagventils 4b in der Leitung 17b mit einem Teilstrom des abgeführten Sauerstoff aus der Leitung 17a, der durch die Drossel 6 und die Leitung 5 abgezogen wird, beaufschlagt und gespült, wodurch der Sauerstoff aus dem Teilstrom mit dem stickstoff­ haltigen Gas desorbiert und als Abgas über die Leitung 26b, 25 und dem geöffneten Magnetventil 10 in die Abgasleitung 24b eingeleitet wird.

Dieser Vorgang wiederholt sich während der gesamten Betriebs­ zeit der Vorrichtung durch gleichzeitiges Umschalten der Magnetventile 7, 9 und 8, 10 zwischen den Adsorbtionsbehältern 1a, 1b wechselseitig, so daß eine kontinuierliche Erzeugung von Sauerstoff erreicht werden kann.

Der in den Sammelbehältern 3a, 3b gesammelte Sauerstoff kann über die Leitungen 20, 21 zusammengeführt und dem Verbraucher zugeführt werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind dem Grundaufbau der Vorrichtung nach Fig. 1 beispielsweise drei paarweise geschaltete Ad­ sorbtionsbehälter x1a, x1b; x2a, x2b; x3a, x3b zugeordnet, wo­ bei immer die Adsorbtionsbehälter 1a, x1a, x2a, x3a sowie die Adsorbtionsbehälter 1b, x1b, x2b, x3b parallel arbeiten und paarweise wechselseitig betrieben werden. Dazu sind die Ad­ sorbtionsbehälter x1a, x2a, x3a einerseits durch Leitungen 27a, 27b, 27c in die Leitung 26a des Adsorbtionsbehälters 1a eingebunden und werden durch Kugelhähne 11a, 12a, 13a der Leitung 26a getrennt zu- und abgeschaltet und andererseits sind die Ableitungen 18a, 18b, 18c der Adsorbtionsbehälter x1a, x2a, x3a in die Leitung 17a des Adsorbtionsbehälters 1a ein­ gebunden und werden durch Kugelhähne 14a, 15a, 16a, zu der Leitung 17a getrennt zu- und abgeschaltet. Analog dazu sind die Adsorbtionsbehälter x1b, x2b, x3b einerseits durch Lei­ tungen 27d, 27e, 27f in die Leitung 26b des Adsorbtionsbe­ hälters 1b eingebunden und werden durch Kugelhähne 11b, 12b, 13b der Leitung 26b getrennt zu- und abgeschaltet und andererseits sind die Ableitungen 18d, 18e, 18f der Adsorb­ tionsbehälter x1b, x2b, x3b in die Leitung 17b des Adsorbtions­ behälters 1b eingebunden und werden durch Kugelhähne 14b, 15b, 16b zu der Leitung 17b getrennt zu- und abgeschaltet.

Der Verfahrensablauf der Anlage nach Fig. 2 erfolgt analog der beschriebenen Verfahrensweise nach Fig. 1 mit nur einer Drossel 6. Dazu werden die Kugelhähne 11a, 12a, 13a und die Kugelhähne 14a, 15a, 16a in Abhängigkeit der Magnetventile 7, 8 angesteuert und geschaltet und die Kugelhähne 11b, 12b, 13b, und die Kugelhähne 14b, 15b, 16b in Abhängigkeit der Magnet­ ventile 9, 10 angesteuert und geschaltet.

Eine derartige Zuordnung von paarweise und wechselseitig betriebenen Adsorbtionsbehältern zum Grundaufbau der Vor­ richtung nach Fig. 1 kann beliebig verringert und auch er­ weitert werden und ist nicht durch die beispielsweise in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform begrenzt.

In Fig. 3 ist eine mögliche Ausführungsform der Drossel 6 gezeigt, die im wesentlichen aus einem Drosselkörper 28 und der Drosselbohrung 29 besteht, die an ihren gegenüber­ liegenden Enden mit annähernd gleichen Senkungen 30a, 30b versehen ist, die in einem Winkel 32 von vorzugsweise 60° eingebracht sind und zusätzlich auch zum Kalibrieren des Verhältnisses zwischen dem Durchmesser und der Länge 31 der Drosselbohrung 28 dienen, so daß die Tiefe der Senkungen 30a, 30b, die bei einer Drossel 6 gleich sind, bei den ver­ schiedenen Ausführungsformen der Drosseln 6, die in Abhän­ gigkeit der gewünschten Menge und/oder des Reinheitsgrades zur Anwendung kommen, verändert sein können. Am äußeren Um­ fang ist der Drosselkörper 28 mit einem Gewinde (33) ver­ sehen, über das der Drosselkörper 28 mit nicht gezeigten Rohrverschraubungen in die Leitung 5 eingebunden wird, welches bevorzugt mittig am Drosselkörper 28 durch eine Schlüsselfläche 34 unterbrochen ist.

Die Leistung und die Effektivität der Drossel 6 wird über das Verhältnis der Länge 31 zum Durchmesser der Drosselbohrung 29 bestimmt und festgelegt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff oder Stick­ stoff nach dem Druckwechseladsorbtionsverfahren (PSA- Verfahren), bestehend aus mindestens zwei Adsorbtions­ behältern, die in gleichen Zeitintervallen wechselsei­ tig zu- und abschaltbar sind, wobei zwischen den Ab­ leitungen der Behälter eine Verbindungsleitung vorge­ sehen ist mit druck- und mengenregelnder Einrichtung, welche die gewonnenen Gasmengen für die Rückspülung der Adsorbtionsbehälter steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die druck- und mengenregelnde Einrichtung aus einer einzigen Drossel (6) in der Verbindungsleitung (5) be­ steht, die einen Drosselkörper (28) und eine Drossel­ bohrung (29) aufweist, die an ihren gegenüberliegenden Enden mit annähernd gleichen Senkungen (30a, 30b) ver­ sehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Adsorbtionsbehältern (1a und 1b) mehrere paarweise geschaltete und wechselseitig betriebene Adsorbtionsbehälter (xa und xb) zu- und abschaltbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorbtionsbehälter (xa und xb) getrennt zu- und abschaltbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ableitungen (18a bis 18x) der Adsorb­ tionsbehälter (xa und xb) in die Ableitungen (17a und 17b) der Adsorbtionsbehälter (1a und 1b) führen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Austausch der Drossel (6) die Menge und/oder der Reinheitsgrad des Gases ver­ änderbar ist.