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Patentes

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Número de publicaciónDE3936781 A1
Tipo de publicaciónSolicitud
Número de solicitudDE19893936781
Fecha de publicación8 May 1991
Fecha de presentación4 Nov 1989
Fecha de prioridad4 Nov 1989
Número de publicación19893936781, 893936781, DE 3936781 A1, DE 3936781A1, DE-A1-3936781, DE19893936781, DE3936781 A1, DE3936781A1, DE893936781
InventoresUwe Dr Gerdts
SolicitanteDraegerwerk Ag
Exportar citaBiBTeX, EndNote, RefMan
Enlaces externos: DPMA, Espacenet
Pressure cycling gas adsorption system has selective throttles - in individual prod. gas outlets to common tank-supply conduit
DE 3936781 A1
Resumen
Multi-component gas for purificn or rectification by treatment with adsorption columns filled with molecular sieve material, and each undergoing a cycle of adsorption and regeneration stages, is delivered from the column outlets by valved prod gas lines coupled to a gas-tank. These lines leading to a common gas-tank feeder conduit each hold a throttle whose resistance to gas flow towards the feeder conduit is less than for the opposite flow direction. To provide this difference, the control throttle consists of a non-return valve with a first calibrated throttle operative in parallel with a second flushing aperture providing greater flow resistance. The throttles may involve resilient elements with circular or slotted apertures widening more in one direction that in the opposite (flashing) direction). ADVANTAGE - Continuous operation is combined with avoidance of prod-gas-loss due to excessive flashing gas pressence during regeneration.
Reclamaciones(8)  traducido del alemán
1. Druckwechseladsorptionsanlage zur Reinigung oder Zerlegung eines mehrkomponentigen Gasstromes unter Verwendung von mehreren im zyklischen Wechsel von Produktions- und Regenerationsphase betriebenen, mit Molekularsieb gefüllten Adsorptionskolonnen mit Einlaßventilen zum Leiten eines unter erhöhtem Druck stehenden Einsatzgasstromes in die Einlaßenden der jeweils in der Produktionsphase befindlichen Adsorptionskolonnen, mit Entlüftungsventilen zum Entlüften der jeweils in der Regenerationsphase befindlichen Adsorptionskolonnen, mit mindestens einem Druckausgleichsventil zum Kurzschließen der Auslaßenden der Adsorptionskolonnen während einer Druckausgleichsphase und mit einer über den Strömungsweg drosselnde Steuerelemente an alle Auslaßenden der Adsorptionskolonnen angeschlossenen gemeinsamen Produktgasleitung, an welche ein Gastank angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente ( 7 , 10 ) aus einer Drosselvorrichtung gebildet ist, welche in der Durchflußrichtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als in der entgegengesetzten Durchflußrichtung. 1. pressure swing adsorption to purify or separation of a multicomponent gas stream using a plurality of alternating basis of production and regeneration phase operated, filled with molecular sieve adsorption columns with inlet valves for conducting an elevated pressure feed gas stream into the inlet ends of the Lines in the production phase adsorption columns, with vent valves in for venting the contained respectively in the regeneration phase adsorption columns, with at least one pressure equalization valve for short-circuiting the outlet ends of adsorption columns during a pressure equalization phase, and having a throttling through the flow path control elements connected to all the outlet ends of adsorption columns common product gas line to which a gas tank is connected, characterized in that each of the control elements (7, 10) formed by a throttling device, which in the flow direction from the outlet end (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) to the common product gas line (8) has a smaller flow resistance than in the opposite flow direction ,
2. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente ( 7 , 10 ) aus einer Kombinationsschaltung von einer den Strömungsweg in der Durchflußrichtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) hin freigebenden Drosselöffnung ( 17 , 18 ; 22 ; 124 ; 28 , 29 ; 35 ) geringen Durchflußwiderstandes mit einer den Strömungsweg in der Durchflußrichtung von der gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) zur zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) hin freigebenden Spülöffnung ( 18 , 19 , 24 , 28 , 35 ) erhöhten Durchflußwiderstandes gebildet ist. Second pressure swing adsorption system according to claim 1, characterized in that each of the control elements (7, 10) of a combination circuit of a flow path in the flow direction from the outlet end (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) to the common product gas line (8) towards releasing throttle opening (17, 18; 22; 124; 28, 29; 35) low flow resistance with the flow path in the flow of the common product gas line (8) to the corresponding adsorption column (4, 5) towards releasing scavenging port (18, 19, 24, 28, 35) increased flow resistance is formed.
3. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente ( 7 , 10 ) als Reihenschaltung eines in der Durchflußrichtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) hin öffnenden Rückschlagventils ( 16 ) mit einer ersten kalibrierten Drosselöffnung ( 17 ) und einer zu der Reihenschaltung parallel geschalteten, einen höheren Durchflußwiderstand als die erste aufweisenden zweiten kalibrierten Spülöffnung ( 18 ) ausgebildet ist. 3. pressure swing adsorption system according to claim 1 or 2, characterized in that each of the control elements (7, 10) as a series circuit of a in the flow direction from the outlet end (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) to the common product gas line (8) opening towards is formed non-return valve (16) with a first calibrated orifice (17) and a parallel-connected to the series circuit, a higher flow resistance than the first having second calibrated scavenging port (18).
4. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente ( 7 , 10 ) als Reihenschaltung eines in der Durchflußrichtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) hin öffnenden Rückschlagventils ( 21 ) mit einer ersten kalibrierten Drosselöffnung ( 22 ) und einer in das Schließelement ( 20 ) des Rückschlagventils ( 21 ) eingebrachten, einen höheren Durchflußwiderstand als die erste aufweisenden zweiten kalibrierten Spülöffnung ( 19 ) ausgebildet ist. 4. pressure swing adsorption system according to claim 1 or 2, characterized in that each of the control elements (7, 10) as a series circuit of a in the flow direction from the outlet end (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) to the common product gas line (8) opening towards non-return valve (21) with a first calibrated orifice (22) and one in the closing element (20) of the check valve (21) is introduced, a higher flow resistance is constructed as the first second grooved having scavenging port (19).
5. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente ( 7 , 10 ) als ring- oder spaltförmige Blende ( 25 ) aus einem elastischen Material ausgebildet ist, dessen Querschnittsprofil so gestaltet ist, daß die Blende ( 25 ) in der Durchflußrichtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) hin zu einer weiten Drosselöffnung ( 124 ) erweitert und in der entgegengesetzten Durchflußrichtung zu einer engen Spülöffnung ( 24 ) verengt wird. 5. pressure swing adsorption system according to claim 1 or 2, characterized in that each of the control elements (7, 10) is designed as ring-shaped or gap-shaped aperture (25) of an elastic material, whose cross section profile is designed so that the diaphragm (25) in expanding the flow from the outlet end (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) to the common product gas line (8) towards a wide throttle opening (124) and in the opposite flow direction to a narrow scavenging port (24) is narrowed.
6. Druckwechseladsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente ( 7 , 10 ) als eine den Gasstromweg verschließende Platte ( 27 ) ausgebildet ist, die an Anzahl und/oder Öffnungsquerschnitt verschiedene kalibrierte Öffnungen ( 28 , 29 ) aufweist, von denen ein Teil als Spülöffnung ( 28 ) in beiden Durchflußrichtungen für einen Gasstrom durchgängig ist, während die übrigen kalibrierten Öffnungen als Drosselöffnung ( 29 ) in der Durchflußrichtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) hin durchgängig sind, in der entgegengesetzten Durchflußrichtung jedoch von einer auf der der gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) zugewandten Seite der Platte ( 27 ) angebrachten, teilweise mit ihr verbundenen elastischen Membran ( 30 ) verschlossen sind. 6. pressure swing adsorption plant according to any one of claims 1, 2 or 4, characterized in that each of the control elements (7, 10) as one of the gas flow path closing plate (27) is formed which in number and / or opening cross section, different calibrated orifices (28, 29), part of which as a scavenging port (28) in both flow directions for a gas flow is continuous, while the other calibrated orifices as a throttle opening (29) in the flow direction from the outlet end (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) for common product gas line (8) are out consistently, in the opposite direction of flow, however, was designed by one on the joint product gas line (8) side of the plate (27) attached, are partially closed its affiliated elastic membrane (30).
7. Druckwechseladsorptionsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente ( 7 , 10 ) ein solches Strömungsprofil aufweist, daß es in der Durchflußrichtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) hin einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als in der entgegengesetzten Durchflußrichtung. 7. pressure swing adsorption system according to claim 1 or 2, characterized in that each of the control elements (7, 10) having such a flow profile that, in the flow direction from the outlet end (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) to the common product gas conduit ( 8) towards having a lower flow resistance than in the opposite direction of flow.
8. Druckwechseladsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Steuerelemente ( 7 , 10 ) als eine im Gasstromweg angeordnete, sich in der Durchflußrichtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) hin in ihrem gasdurchlässigen Querschnitt verjüngende Düse ( 33 ) ausgebildet ist, die auf ihrer Außenseite zwischen sich und der Innenwandung des gasführenden Rohres ( 32 ) einen für die Gasströmung in der Durchflußrichtung von der gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) zur zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) hin wirksamen Totraum ( 34 ) bildet. 8. pressure swing adsorption plant according to any one of claims 1, 2 or 7, characterized in that each of the control elements (7, 10) arranged as one in the gas flow path in the flow direction from the outlet end (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) is designed for common product gas line (8) back in their gas-permeable cross-section tapering nozzle (33) on its outer side between itself and the inner wall of the gas-conducting pipe (32) one for the gas flow in the flow direction of the joint product gas line (8) to the corresponding adsorption column (4, 5) through effective dead space (34).
Descripción  traducido del alemán

Die Erfindung betrifft eine Druckwechseladsorptionsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Anlagen werden z. B. eingesetzt, um mit Sauerstoff angereicherte Luft für medizinische Zwecke bereitzustellen. The invention relates to a pressure swing adsorption plant according to the preamble of claim 1. Such systems z. B. be used to provide oxygen-enriched air for medical purposes.

Die Funktionsweise einer typischen solchen Anlage ist folgende: Von einem Kompressor verdichtete Luft gelangt über ein Einlaßventil in das Einlaßende einer ersten von zwei mit Molekularsieb gefüllten Adsorptionskolonnen. The operation of a typical such system is the following: from a compressor compressed air enters via an inlet valve in the inlet end of a first of two adsorption columns filled with molecular sieve. Diese Adsorptionskolonne befindet sich in ihrer Produktionsphase. This adsorption is in its production phase. Das Molekularsieb adsorbiert Stickstoff stärker als Sauerstoff und somit verläßt ein mit Sauerstoff angereicherter Luftstrom, das Produktgas, die erste Adsorptionskolonne an ihrem Auslaßende. The molecular sieve adsorbs nitrogen more strongly than oxygen, and thus leaves an oxygen enriched air stream, the product gas, the first adsorption column at its outlet end. Über ein Rückschlagventil gelangt das Gas über eine für beide Adsorptionskolonnen gemeinsame Produktgasleitung in einen Gastank und von dort zum Verbraucher. Via a check valve the gas passes via a common for both adsorption columns product gas line in a gas tank and from there to the consumer.

Ein kleiner Teil des Produktgases gelangt über eine Spüldüse vom Ausgang der ersten Adsorptionskolonne zum Ausgang der zweiten Adsorptionskolonne. A small portion of the product gas passes through a rinsing nozzle from the output of the first adsorption column to the outlet of the second adsorption column. Diese zweite Adsorptionskolonne befindet sich in ihrer Regenerationsphase, und ist an ihrem Einlaßende über ein Entlüftungsventil mit der Umgebung verbunden. This second adsorption column is in its regeneration phase, and is connected at its inlet end via a vent valve with the environment. Durch den gegenüber der Produktionsphase abgesenkten Druck und durch den sauerstoffreichen Spülstrom vom Auslaßende her wird der zuvor adsorbierte Stickstoff ausgetrieben. With respect to the production phase lowered pressure and by the oxygen-rich purge stream from outlet end of the previously adsorbed nitrogen is expelled.

Die Produktionsphase der ersten Adsorptionskolonne wird so lange fortgesetzt, bis diese Adsorptionskolonne mit Stickstoff gesättigt ist. The production phase of the first adsorption column is continued until the adsorption column is saturated with nitrogen. Dann wird durch kurzzeitiges Öffnen eines Druckausgleichventils, das die beiden Auslaßenden der Adsorptionskolonnen miteinander kurzschließt, ein Druckausgleich zwischen den Adsorptionskolonnen hergestellt. Then, a pressure equalization between the adsorption columns is by briefly opening a pressure equalization valve which short-circuits the two outlet ends of the adsorption columns to each other was prepared. Dann wird durch Umschalten der Ventile an den Einlaßenden der Adsorptionskolonnen die zweite Adsorptionskolonne in ihre Produktionsphase gebracht, während die erste Adsorptionskolonne nun in ihre Regenerationsphase kommt. Then is brought, by switching the valves at the inlet ends of the adsorption columns, the second adsorption column in its production phase, during the first adsorption column now comes in its regeneration phase. Durch die Verwendung von Rückschlagventilen zwischen den Auslaßenden der Adsorptionskolonnen und der gemeinsamen Produktgasleitung wird ein Rückströmen von Gas aus dem Gastank in eine der Adsorptionskolonnen vermieden. By the use of check valves between the outlet ends of adsorption columns and the common product gas conduit backflow of gas from the gas tank is avoided in one of the adsorption columns. Der Druck im Gastank steigt mit dem Druck in der in ihrer Produktionsphase befindlichen Adsorptionskolonne an, der am Ende der Produktionsphase einen Maximalwert erreicht. The pressure in the gas tank increases with pressure in the adsorption column located in its production phase, reaching a maximum value at the end of the production phase. Bei der anschließenden Druckausgleichsphase sinkt der Druck in der Adsorptionskolonne sehr schnell ab, das zugehörige Rückschlagventil schließt demzufolge. During the subsequent pressure equalization phase, the pressure in the adsorption decreases very rapidly, the associated check valve closes accordingly. Dadurch ist aber die Lieferung von Produktgas in den Gastank so lange unterbrochen, bis die zweite Adsorptionskolonne an ihrem Auslaßende einen Druck aufgebaut hat, der den Druck im Gastank übersteigt. Characterized but the delivery of product gas is interrupted as long as the gas in the tank until the second adsorption column is constructed at its outlet a pressure which exceeds the pressure in the gas tank. In dem Moment öffnet das zugehörige Rückschlagventil und die Lieferung von Produktgas in den Gastank setzt wieder ein. The moment the associated check valve and the supply of product gas in the gas tank open sets in again.

Durch die Unterbrechung in der Lieferung von Produktgas und das Ansteigen des Druckes bis zum Maximalwert des Druckes in den Adsorberkolonnen kommt es zu starken Druckschwankungen im Gastank. The interruption in the supply of product gas and the pressure increases to the maximum value of the pressure in the adsorber there is strong pressure fluctuations in the gas tank.

Diesen Nachteil versucht eine in der EP 01 76 393 beschriebene Druckwechseladsorptionsanlage zu vermeiden. This disadvantage is trying to avoid a pressure swing adsorption system described in EP 01 76 393. Hier sind die Rückschlagventile durch Drosseln ersetzt worden. Here, the check valves are replaced by inductors. Die Aufgabe der sonst separat angebrachten Spülgasdüse wird auch von diesen Drosseln übernommen. The work of the otherwise separately attached Spülgasdüse is taken from these reactors. Der Einbau der Drosseln hat zur Folge, daß der Druck im Gastank nicht bis auf den Maximalwert in den Adsorptionskolonnen ansteigt. The installation of the restrictors has the effect that the pressure in the gas tank does not rise up to the maximum value in the adsorption columns. Das hat wiederum zur Folge, daß auch während der Druckausgleichsphase der Druck im Gastank noch niedriger als in den Adsorptionskolonnen ist und somit kontinuierlich Produktgas in den Gastank fließt. This in turn has the result that is in the gas tank during the pressure equalization phase, the pressure still lower than in the adsorption columns and the product gas thus continuously flows into the gas tank. Der Druck im Gastank schwankt geringfügig um einen Mittelwert. The pressure in the gas tank varies slightly around a mean value.

Da beide Adsorptionskolonnen abwechselnd in Produktions- und Regenerationsphase arbeiten, müssen die beiden zugehörigen Drosseln gleich dimensioniert werden, und zwar muß ihre Größe auf den relativ hohen Produktgasstrom abgestimmt werden. Since both adsorption columns work alternately in production and regeneration phase, the two associated chokes must have the same dimensions, namely their size must be adapted to the relatively high product gas stream. Daraus ergibt sich aber als Nachteil, daß durch die zu der in Regenerationsphase befindlichen Adsorptionskolonne gehörigen Drossel ein ähnlich großer Gasstrom als Spülgasstrom abfließt wie durch die Produktgasleitung in den Gastank gelangt. However, it does as a disadvantage that by belonging to the adsorption column located in the regeneration phase choke a similarly large gas stream flows as passes through the product gas line into the gas tank as a purge gas. Zur Spülung der Adsorptionskolonne wäre aber ein sehr geringer Spülgasstrom ausreichend. For rinsing the adsorption column but a very small purge gas stream would be sufficient. Rund die Hälfte des Produktgasstromes wird also nutzlos verschwendet. About half the product gas stream is thus wasted useless. Dadurch muß die gesamte Anlage größer dimensioniert werden, um einen vorgegebenen Produktgasstrom am Ausgang des Gastanks zu erzielen. Characterized the complete installation must be dimensioned larger to obtain a predetermined product gas stream at the outlet of the gas tank.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den durch den Einsatz von Drosseln erreichten Vorteil einer kontinuierlichen Lieferung von Produktgas zu nutzen und gleichzeitig den Nachteil einer durch einen überhöhten Spülgasstrom zustande kommenden Verschwendung von Produktgas zu vermeiden. The object of the present invention is to take advantage of the achieved through the use of chokes advantage of a continuous supply of product gas, while avoiding the disadvantage of a next state by an excessive waste of product gas purge gas stream.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an Stelle der einfachen Drosseln Steuerelemente verwandt werden, die aus Drosselvorrichtungen gebildet sind, welche in der Durchflußrichtung vom Auslaßende der zugehörigen Adsorptionskolonne zur gemeinsamen Produktgasleitung hin einen geringeren Strömungswiderstand aufweisen als in der Gegenrichtung. The object is achieved in that instead of the simple chokes controls are used, which are formed from throttle devices, which in the flow from the outlet of the corresponding adsorption for common product gas line toward a lower flow resistance than in the opposite direction.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß es unter Beibehaltung der durch den Einsatz von Drosseln erzielten Vorteile möglich ist, den Spülgasstrom auf das notwendige Maß zu begrenzen, und somit Produktgas einzusparen. The advantage of the invention lies in the fact that it is while maintaining the advantages obtained by the use of reactors able to limit the flow of purge gas to the necessary amount, and thus saving the product gas. Daraus resultiert ein gegenüber dem Stand der Technik erheblich höherer Wirkungsgrad der Anlage. This results in a considerably in comparison with the prior art, a higher efficiency of the plant. Das Druckniveau im Gastank liegt insgesamt höher. The pressure level in the gas tank is higher overall. Bei gleicher Leistung kann die Anlage kleiner dimensioniert werden. For the same power, the system can be made smaller.

Das im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches genannte Steuerelement kann prinzipiell aus bekannten Elementen zusammengesetzt werden. Said in the characterizing part of the main claim control can be composed principally of known elements. Es läßt sich aufbauen aus einer Reihenschaltung eines Rückschlagventiles und einer ersten Drossel und einer zu dieser Reihenschaltung parallel geschalteten, für den Spülgasstrom dimensionierten zweiten Drossel. It can be constructed from a series circuit of a check valve and a first inductor and a series circuit connected in parallel to this, sized for the second purge gas flow restrictor. Der Produktgasstrom, der in Öffnungsrichtung des Rückschlagventiles fließt, durchströmt die Parallelschaltung von erster und zweiter Drossel, der in Gegenrichtung fließende Spülstrom durchströmt nur die zweite Drossel. The product gas stream that flows in the opening direction of the check valve, flow through the parallel connection of first and second throttle, the flow through purge stream flowing in the opposite direction, only the second throttle.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Steuerelementes besteht darin, die zweite, für den Spülgasstrom dimensionierte Drossel in das Schließelement des Rückschlagventils zu integrieren. An advantageous development of the control element is to integrate the second, dimensioned for the purge gas flow restrictor in the closing element of the check valve. Es könnte sich hierbei z. B. um ein Rückschlagventil mit durchbohrtem Schließkegel handeln. It could be here for. As a check valve with pierced closing cone. In Schließrichtung schließt das Rückschlagventil nicht hermetisch ab, sondern reduziert den Gasstrom auf das als Spülgasstrom benötigte Maß. In the closing direction, the check valve closes not hermetically, but also reduces the gas flow to the required level as a purge gas stream. Mit dem Rückschlagventil ist eine für den Produktgasstrom dimensionierte Drossel in Reihe geschaltet. With the check valve sized for a product gas flow restrictor is connected in series.

Bei einer weiteren Ausführung des Steuerelementes wird ganz auf ein Rückschlagventil verzichtet. In another embodiment, the control element is omitted entirely a non-return valve. Das Querschnittsprofil einer ring- oder spaltförmigen Blende aus einem elastischen Material ist so ausgebildet, daß sich die Öffnung der Blende in der einen Durchflußrichtung zu einer relativ großen Öffnung erweitert, während sie sich in der entgegengesetzten Durchflußrichtung zu einer relativ kleinen Öffnung verengt. The cross sectional profile of a ring-shaped or gap-shaped aperture of an elastic material is formed so that in one direction of flow in a relatively large opening extends the opening of the aperture, while narrowing in the opposite direction of flow to a relatively small aperture. Das kann z. B. dadurch geschehen, daß die Blende im Ruhezustand die kleine Öffnung aufweist und nur in der einen Strömungsrichtung durch die Kräfte, die das durchströmende Gas erzeugt, die Ränder der Blende aufgebogen werden, wodurch sich die Öffnung erweitert. This can eg. For example be done by the diaphragm has the small opening at rest and in only one direction of flow through the forces that produced the gas flowing through the edges of the aperture are bent, thereby widening the orifice. In der entgegengesetzten Strömungsrichtung ist diese Aufbiegung der Ränder durch entsprechende Verstärkungen oder Stützelemente nicht möglich. In the opposite flow direction, this bending of the edges by respective reinforcements or the supporting elements is not possible.

Als weitere Ausführungsform des Steuerelements ist eine den Gasstromweg verschließende Platte denkbar, die verschiedene Öffnungen für den Gasdurchtritt und eine auf der einen Seite teilweise befestigte Membran aufweist. As a further embodiment of the control flow path to a closing plate is conceivable that several openings for the passage of gas and one on the one side partially paved membrane. Eine dieser Öffnungen ist in beiden Durchflußrichtungen durchgängig, sie stellt die für den Spülgasstrom dimensionierte Drossel dar. Die übrigen Öffnungen sind in der einen Strömungsrichtung durchgängig und stellen zusammen mit der vorher erwähnten Öffnung die für den Produktgasstrom dimensionierte Drossel dar. In der entgegengesetzten Strömungsrichtung verschließt die einseitig an der Platte angebrachte Membran alle Öffnungen bis auf die eine grundsätzlich durchgängige. One of these openings is in both flow continuously, it represents the dimensioned for the purge gas flow restrictor. Other openings are in the one direction of flow consistently and put together with the aforementioned opening is the dimensioned for the product gas stream throttle. Closes in the opposite direction of flow one side attached to the plate membrane all openings except for the one universal principle.

Weiterhin ist es möglich, dem Steuerelement die Eigenschaft des richtungsabhängigen Durchflußwiderstandes durch eine besondere strömungstechnische Bauform zu verleihen. Furthermore, it is possible to give the control the property of the direction-dependent flow resistance of a particular fluidic design. Eine sich konisch verengende Blende, die sich nach der engsten Stelle mit senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufender Wandung erweitert, ist eine solche Bauform. A conically narrowing aperture, which widens towards the closest place with running perpendicular to the flow direction of the wall, is one such design. In der einen Durchflußrichtung findet der Gasstrom eine sich langsam verengende Röhre vor und kann diese ohne große Wirbelbildung passieren, der Strömungswiderstand ist relativ gering. In one direction of flow of the gas stream is a slowly narrowing tube before and this can happen without great vortex formation, the flow resistance is relatively low. In der Gegenrichtung prallt der Gasstrom auf die senkrecht zur Strömungsrichtung stehende Wandung der Blende. In the opposite direction of the gas stream impinges on the perpendicular to the flow direction of the diaphragm wall. Eine starke Wirbelbildung und ein daraus resultierender hoher Strömungswiderstand sind die Folge. A strong vortex formation and a resulting high flow resistance is the result.

Die Erfindung wird an einem Beispiel erläutert. Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisiert den Aufbau der Druckwechseladsorptionsanlage. The invention is illustrated by an example. Fig. 1 of the drawing shows schematically the structure of the pressure swing adsorption system. Die Fig. 2 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Steuerelementes. Figs. 2-6 show various embodiments of the control element.

Es handelt sich bei diesem Beispiel um eine Druckwechseladsorptionsanlage mit zwei Adsorptionskolonnen zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff für medizinische Zwecke. It is in this example a pressure swing adsorption system with two adsorption columns for enriching air with oxygen for medical purposes. Die Erfindung läßt sich genauso bei Anlagen mit mehr als zwei Adsorptionskolonnen anwenden. The invention can be applied as well for systems with more than two adsorption columns.

Die Funktionweise ist folgende: Luft wird von einem Kompressor ( 1 ) verdichtet und gelangt über ein Einlaßventil ( 2 ) in das Einlaßende ( 3 ) einer ersten in ihrer Produktionsphase befindlichen Adsorptionskolonne ( 4 ). The functional operation is as follows: air is compressed by a compressor (1) and passes via an inlet valve (2) into the inlet end (3) of a first located in its production phase adsorption column (4). Die Adsorptionskolonnen ( 4 , 5 ) sind mit einem Molekularsiebmaterial gefüllt, das Stickstoff stärker adsorbiert als Sauerstoff. The adsorption columns (4, 5) are filled with a molecular sieve, the more strongly adsorbed than nitrogen oxygen. Am Auslaßende ( 6 ) der ersten Adsorptionskolonne ( 4 ) tritt ein mit Sauerstoff angereicherter Gasstrom aus, der im folgenden als Produktgas bezeichnet wird. At the outlet end (6) of the first adsorption column (4) comes out a oxygen-enriched gas stream which is hereinafter referred to as product gas.

Das Produktgas fließt über ein erstes Steuerelement ( 7 ) und eine für beide Adsorptionskolonnen ( 4 , 5 ) gemeinsame Produktgasleitung ( 8 ) in einen Gastank ( 9 ) und von dort zu einem nicht dargestellten Verbraucher. The product gas flows via a first control member (7) and one for both adsorption columns (4, 5) common product gas line (8) into a gas tank (9) and from there to a consumer, not shown.

Die beiden Steuerelemente ( 7 , 10 ) haben die Eigenschaft, in der Richtung vom Auslaßende ( 6 , 11 ) der zugehörigen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ) zur gemeinsamen Produktgasleitung ( 8 ) hin einen geringeren Durchflußwiderstand aufzuweisen als in der Gegenrichtung. The two controls (7, 10) have the property in the direction from the outlet (6, 11) of the associated adsorption column (4, 5) for common product gas line (8) out to have a lower flow resistance than in the opposite direction. Daher fließt über das zweite Steuerelement ( 10 ) ein kleiner Bruchteil der Gasmenge, die durch das erste Steuerelement ( 7 ) fließt, in das Auslaßende ( 11 ) der zweiten Adsorptionskolonne ( 5 ) hinein, durch sie hindurch und über ein Entlüftungsventil ( 12 ) in die Umgebung ab. Therefore flows via the second control element (10) a small fraction of the quantity of gas flowing through the first control element (7), in the outlet end (11) of the second adsorption column (5) into, through and via an air vent valve (12) in the environment. Dieser Gasstrom wird als Spülstrom bezeichnet. This gas stream is designated as a purge stream. Er dient dazu, den durch Druckabsenkung im Molekularsiebmaterial der zweiten Adsorptionskolonne ( 5 ) desorbierten Stickstoff aus der Adsorptionskolonne ( 5 ) zu entfernen. It is used to remove the by lowering the pressure in the molecular sieve of the second adsorption column (5) desorbed nitrogen from the adsorption column (5). Diese Adsorptionskolonne ( 5 ) befindet sich in ihrer Regenerationsphase. This adsorption column (5) is in its regeneration phase. Alle bisher nicht erwähnten Ventile ( 13 , 14 , 15 ) sind während dieser Phase geschlossen, die übrigen ( 2, 12 ) geöffnet. All previously mentioned valves (13, 14, 15) are closed during this phase, the remaining (2, 12) is opened.

Wenn das Molekularsiebmaterial in der ersten Adsorptionskolonne ( 4 ) mit Stickstoff gesättigt ist, wird die Produktionsphase für diese Adsorptionskolonne ( 4 ) beendet. If the molecular sieve material is saturated in the first adsorption column (4) with nitrogen, the production phase for these adsorption column (4) is ended. Es schließt sich eine kurze Druckausgleichsphase an, in der durch Öffnen des Druckausgleichsventils ( 15 ) ein Druckausgleich zwischen beiden Adsorptionskolonnen ( 4 , 5 ) hergestellt wird. This is followed by a brief surge phase in which, by opening the pressure equalizing valve (15), a pressure equalization between the two adsorption columns (4, 5) is produced. Die Ventile ( 2 , 12 , 14 ) sind während dieser Phase geschlossen, das Ventil ( 13 ) ist geöffnet. The valves (2, 12, 14) are closed during this phase, the valve (13) is open.

Nach Abschluß der Druckausgleichsphase geht die erste Adsorptionskolonne ( 4 ) in ihre Regenerationsphase, die zweite ( 5 ) in ihre Produktionsphase. After completion of the pressure equalization phase, the first adsorption column (4) is in its regeneration phase, the second (5) in its production phase. Die Ventile ( 13 , 14 ) sind geöffnet, die Ventile ( 2 , 12 , 15 ) geschlossen. The valves (13, 14) are open, the valves (2, 12, 15) closed. Über das zweite Steuerelement ( 10 ) fließt jetzt der Produktgasstrom in den Gastank ( 9 ), während über das erste Steuerelement ( 7 ) der Spülstrom durch die erste Adsorptionskolonne ( 4 ) in die Umgebung fließt. Via the second control element (10) now flows the product gas stream in the gas tank (9), while flowing through the first control member (7) of the purge flow through the first adsorption column (4) into the environment.

Durch die Drosselwirkung der Steuerelemente ( 7 , 10 ) bedingt, erreicht der Druck im Gastank ( 9 ) nicht den Spitzenwert des Druckes der jeweils in Produktionsphase befindlichen Adsorptionskolonne ( 4 , 5 ). Due to the throttling effect of the control elements (7, 10) due to, the pressure is not reached in the gas tank (9) the peak value of the pressure of the production phase, respectively located in the adsorption column (4, 5). Daher kann auch während der Druckausgleichsphase, in der der Spitzendruck in der einen Adsorptionskolonne auf einen mittleren Druck absinkt, noch Produktgas in den Gastank fließen. Therefore, during the surge phase, in which the peak pressure in a adsorption decreases to an average pressure, yet the product gas flow into the gas tank. Die Lieferung von Produktgas wird also nicht unterbrochen und die Druckschwankungen im Gastank bleiben gering. The supply of product gas is therefore not interrupted and the pressure fluctuations in the gas tank remain low. Durch die besondere Eigenschaft der Steuerelemente ( 7 , 10 ), in beiden Durchflußrichtungen verschiedenen Durchflußwiderstand aufzuweisen, kann der Spülstrom auf das nötige Maß beschränkt werden und der Produktgasfluß liegt auf dem höchstmöglichen Niveau. Due to the special property of the controls (7, 10), in both flow exhibit different flow resistance, the flow can be limited to what is necessary and Produktgasfluß is located at the highest possible level.

Fig. 2 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform eines Steuerelementes ( 7 , 10 ). Fig. 2 shows schematically a possible embodiment of a control element (7, 10).

Das Steuerelement besteht aus einem Rückschlagventil ( 16 ) und einer dazu in Reihe geschalteten Drossel ( 17 ). The control element consists of a non-return valve (16) and a choke connected in series (17). Parallel zu den beiden Bauelementen ( 16 , 17 ) ist eine weitere Drossel ( 18 ) geschaltet. Parallel to the two components (16, 17) is a further throttle (18) connected. In der einen, durch einen dicken Pfeil gekennzeichneten Durchflußrichtung ist das Rückschlagventil ( 16 ) geöffnet und durch beide Drosseln ( 17 , 18 ) kann Gas fließen. In one, marked by a thick arrow flow check valve (16) is opened and both throttles (17, 18) gas flow. In der Gegenrichtung, die durch einen dünnen Pfeil gekennzeichnet ist, ist das Rückschlagventil ( 16 ) geschlossen und Gas kann nur durch die Drossel ( 18 ) fließen. In the opposite direction, which is characterized by a thin arrow, the non-return valve (16) is closed and gas can only flow through the throttle (18). Da Drossel ( 17 ) einen geringen, Drossel ( 18 ) hingegen einen hohen Durchflußwiderstand aufweist, ergibt sich in der einen Richtung ein größerer Durchfluß als in der Gegenrichtung. Since throttle (17) a small, throttle (18), however, has a high resistance to flow, resulting in one direction, a larger flow than in the opposite direction.

In Fig. 3 ist die parallel geschaltete Drossel ( 18 ) von Fig. 2 durch eine Bohrung ( 19 ) im Schließelement ( 20 ) des Rückschlagventils ( 21 ) ersetzt. In Fig. 3 the parallel inductor (18) of Fig. 2 is replaced by a bore (19) in the closing element (20) of the check valve (21). In Reihe mit diesem speziellen Rückschlagventil ( 21 ) ist wieder eine Drossel ( 22 ) geschaltet. In series with this particular check valve (21) a throttle (22) is switched again. In der einen Durchflußrichtung öffnet das Rückschlagventil ( 21 ) und ein großer, durch die Drossel ( 22 ) bestimmter Gasstrom wird freigegeben. In one direction of flow the non-return valve (21) and a large by the throttle (22) opens certain gas stream is released. In der Gegenrichtung schließt das Rückschlagventil ( 21 ). In the opposite direction the check valve (21) closes. Es schließt jedoch nicht hermetisch dicht, ein kleiner Gasstrom fließt durch die Bohrung ( 19 ). However, it does not hermetically sealed, a small gas stream flows through the bore (19).

In Fig. 4a ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. In Fig. 4a, a further embodiment is illustrated. Das gasführende Rohr ( 23 ) wird bis auf eine kleine zentrale Bohrung ( 24 ) von einer elastischen Scheibe ( 25 ) verschlossen. The gas-conducting pipe (23) is closed except for a small central bore (24) by an elastic disc (25). Das Querschnittsprofil der Scheibe ( 25 ) ist mit Versteifungen versehen, so daß in der in Fig. 4a dargestellten Durchflußrichtung der geringe Querschnitt der Bohrung ( 24 ) erhalten bleibt. The cross sectional profile of the disc (25) is provided with stiffeners, such that in the flow shown in Fig. 4a of the minor cross section of the bore (24) is retained. In der entgegengesetzten Durchflußrichtung kann sich die Scheibe ( 25 ) jedoch verformen, so daß der Querschnitt der Bohrung ( 124 ) erweitert wird ( Fig. 4b). In the opposite flow direction, the plate (25) may, however, deform, so that the cross section of the bore (124) is expanded (Fig. 4b).

In Fig. 5a ist eine fertigungstechnisch besonders günstige Ausführungsform dargestellt. In Fig. 5a is a manufactured especially favorable embodiment is shown. Das gasführende Rohr ( 26 ) ist von einer Scheibe ( 27 ) verschlossen, die eine zentrale Bohrung ( 28 ) und zusätzlich mehrere auf der Fläche verteilte Bohrungen ( 29 ) aufweist. The gas-conducting pipe (26) is closed by a disc (27) having a central bore (28) and additionally a plurality of holes distributed on the surface (29). Auf der einen Seite der Scheibe ist eine elastische Membran ( 30 ) angeordnet. On one side of the disc an elastic membrane (30) is arranged. Der äußere Durchmesser der Membran ( 30 ) ist wenig geringer als der Durchmesser der Scheibe ( 27 ). The outer diameter of the membrane (30) is slightly less than the diameter of the disc (27). Zentral weist die Membran ( 30 ) eine Bohrung ( 31 ) auf, die etwas größer als die zentrale Bohrung ( 28 ) der Scheibe ( 27 ) ist. Centrally, the membrane (30) to a bore (31), which is slightly larger than the central bore (28) of the disc (27). Am Rand dieser Bohrung ( 31 ) ist die Membran ( 30 ) mit der Scheibe ( 27 ) durch z. B. Verkleben verbunden. At the edge of this bore (31), the membrane (30) with the disk (27) is connected by z. B. gluing. In der einen Durchflußrichtung legt sich die Membran der Scheibe auf und deckt alle Bohrungen ( 29 ) bis auf die zentrale Bohrung ( 28 ) ab ( Fig. 5a). In one direction of flow, the membrane of the disc laying on and covers all the holes (29) to the central bore (28) (FIG. 5a). Es ist nur ein geringer Gasdurchfluß möglich. It is only a small gas flow possible. In der Gegenrichtung hebt die Membran ( 30 ) von der Scheibe ( 27 ) ab, ein hoher Gasdurchfluß durch alle Bohrungen ( 28 , 29 ) ist möglich ( Fig. 5b). In the opposite direction, the membrane (30) of the disc (27) takes off, a high gas flow through all the bores (28, 29) is possible (Fig. 5b).

Als letztes ist in Fig. 6 eine rein strömungstechnische Ausführungsform dargestellt. The last thing a purely fluidic embodiment is shown in Fig. 6. In der durch einen dicken Pfeil markierten Durchflußrichtung findet das Gas auf seinem Weg durch das gasführende Rohr ( 32 ) eine strömungstechnisch günstig gestaltete Düse ( 33 ) mit relativ geringem Durchflußwiderstand vor. In the area marked by a thick arrow of flow the gas finds its way through the gas-conducting pipe (32) in front of an aerodynamically favorable design nozzle (33) with relatively low flow resistance.

Das Gas kann ohne starke Wirbelbildung die engste Stelle ( 35 ) der Düse ( 33 ) passieren. The gas can happen without strong turbulence is the narrowest point (35) of the nozzle (33). In der Gegenrichtung (dünner Pfeil) staut sich das Gas jedoch in dem ringförmigen Totraum ( 34 ) um die Düse ( 33 ) herum und kann die engste Stelle ( 35 ) der Düse ( 33 ) nur unter starker Verwirbelung passieren, ein hoher Durchflußwiderstand und daher ein geringer Gasdurchfluß sind die Folge. In the opposite direction (thin arrow), however, the gas accumulates in the annular dead space (34) around the nozzle (33) around and can pass through the narrowest part (35) of the nozzle (33) only under high turbulence, a high flow resistance and therefore a low gas flow is the result.

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Clasificación europeaB01D53/047, B01D53/04C10
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8 May 1991OM8Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
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