Anlage zur Erzeugung eines an einer vorgegebenen Komponente angereicherten Nutzgases

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung eines an einer vorgegebenen Komponente angereicherten Nutzgases gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Anlagen sind inbesondere zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereicherter Luft bekannt. Die in ihnen enthaltenen Trenneinheiten können einerseits Membranen umfassen, die unterschiedliche Durchlässigkeit für Sauerstoff und Stickstoff aufweisen. Sie können aber auch Betten aus Adsorbermaterial umfassen, welches Sauerstoff und Stickstoff unterschiedlich stark bindet.

Allgemein kann eine der Komponenten des Ausgangs-Gasgemisches sich im Laufe der Zeit in der Trenneinheit ansammeln und deren Arbeitsvermögen beeinträchtigen. Im Falle der Erzeugung Sauerstoff angereicherter Luft sind dies insbesondere Feuchtigkeitsbestandteile, die sich bleibend an das Adsorbermaterial hängen und damit die Trennung zwischen Nutzgas und Restgas beeinträchtigen.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend weitergebildet werden, dass der Ansammlung schädlicher Komponenten in der Trenneinheit entgegengewirkt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Anlage mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage kann man zum Austreiben der schädlichen Komponente bzw. mehrere schädliche Kompo- nenten aus der Trenneinheit einen Teil des im Gasspeicher

enthaltenen trockenen Nutzgases wieder zum Einlass der Trenneinheit zurückführen. Das trockene Nutzgas spült dann die in der Trenneinheit zurückgehaltenen schädlichen Komponenten heraus, wodurch die Trenneinheit wieder ihr ursprüngliches gutes Trennvermögen erhält.

Durch diese Maßnahme wird auch erreicht, daß die Startphase verkürzt wird, die nach einem Ingangsetzen verstreicht, bis die Trenneinheit den gewünschten Anreicherungsgrad bzw. Trenngrad erreicht hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Bei einer Anlage gemäß Anspruch 2 ist eine Beschädigung der Trenneinheit durch Beaufschlagung mit zu hohem Druck verhindert .

Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 3 und 4 sind im Hinblick auf die Steuerung des Gasgemischstromes in die Trenneinheit und das Abziehen des Restgas- Stromes bzw. des Nutzgasstromes aus der Trenneinheit von Vorteil. Man kann diese Gasströme jeweils so einstellen, dass man der Adsorptionsdynamik und der Desorptions- dynamik des Adsorbermateriales für Nutzgas und Restgas Rechnung trägt .

Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 5 bis 7 erlauben es, die Qualität des aktuellen Arbeitens der Trenneinheit über die gemessenen Konzentrationen von Nutzgas und Restgas bei den entsprechenden Auslässen der Trenneinheit zu messen. Aus den Ausgangssignalen der entsprechenden Konzentrationsmesser kann eine übergeordnete Steuerung ableiten, ob die aktuellen Verfahrens- parameter geändert werden sollen, bzw. ob eine Regenera-

tionsphase eingeleitet werden muss.

Eine Anlage, wie sie im Anspruch 8 angegeben ist, erlaubt ein quasi kontinuierliches Erzeugen von Nutzgas.

Dabei kann man bei der Anlage gemäß des Anspruchs 9 automatisch die Zeit für die Adsorption bzw. Desorption auf einen günstigen Wert einstellen.

Bei einer Anlage gemäß Anspruch 10 erfolgt eine Einstellung des zuströmenden Gasgemisches und des abströmenden Nutzgases bzw. Restgases in Abhängigkeit von mindestens einer gemessenen Konzentration, so dass es auch auf diesem Wege möglich ist, die Zusammensetzung des Nutzgases weitgehend unabhängig vom aktuellen Zustand der Trenneinheit konstant zu halten.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 ist im Hinblick auf ein automatisches Konstanthalten des Anreicherungsgrades von Vorteil.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 12 gestattet es, den Druck des in die Trenneinheit gegebenen Gasgemisches auf einfache Weise nach dem jeweiligen Bedürfnis- sen einzustellen.

Dabei erfolgt die Druckeinstellung bei einer Anlage gemäß Anspruch 13 besonders wirtschaftlich, da schon der Verdichter soviel Druck aufbaut, wie benötigt wird.

Gemäß Anspruch 14 kann man den Druck, welchen der Gasgemisch-Verdichter aufbaut, automatisch an das jeweilige Arbeitsverhalten der Trenneinheit anpassen, wie sich Letzteres aus dem Ausgangssignal eines Konzentrations- messers erkennen lässt.

Wird eine Anreicherungsanlage nach längerem Stillstand wieder in Betrieb genommen, so wird in der ersten Zeit noch nicht die volle Trennkapazität der Trenneinheit erhalten. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß

Anspruch 15 ist es möglich, die in der Anlaufphase erhaltenen Nutzgasmengen nochmals durch die Trenneinheit hindurchlaufen zu lassen und so die schon erhaltene Vortrennung in eine Trennung mit dem gewünschten Anteil an Nutzgas zu vervollkommnen.

Bei einer Anlage gemäß Anspruch 16 kann die Steuerung des Anlaufventiles automatisch in Abhängigkeit von der Qualität des erhaltenen Nutzgases bzw. des jeweils erhal- tenen Restgases gesteuert werden. Diese Qualitäten lassen beide das momentane Arbeitsverhalten der Trenneinheit erkennen .

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs- beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert . In dieser zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild der fluidischen und elektrischen Teile einer Anlage zur Erzeugung mit Sauerstoff angereicherter Luft aus Umgebungs1uft .

Die in der Zeichnung wiedergegebene Anlage zur Erzeugung mit Sauerstoff angereicherter Luft umfasst als Kern eine insgesamt mit 10 bezeichnete Trenneinheit mit einem Einlass 12 für unter Druck stehende Umgebungsluft , einem ersten Auslass 14 für mit Sauerstoff angereicherte Luft

(Nutzgas) und einen zweiten Auslass 16 für an Stickstoff angereicherte Luft (Restgas) .

Beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel umfasst die Trenneinheit 10 vier Trennkolonnen 18, die über radiale

Arme 20 von einer Welle 22 getragen sind. Die Welle

22 wird durch einen Elektromotor 23, vorzugsweise einen

Schrittmotor angetrieben.

Die Trennkolonnen 18 umfassen jeweils ein zylindrisches metallisches Gehäuse 24, in welchem sich eine Schüttung

25 aus Adsorbermaterial befindet. Dieses Adsorbermaterial kann zum Beispiel ein Silicatmaterial sein. Die Enden der Gehäuse 22 sind durch gasdurchlässige Sintermetall- Scheiben 26 abgeschlossen.

Die Gehäuse 22 laufen mit ihren SintermetallScheiben

26 gasdicht zwischen Endflächen 28 eines zylindrischen Gehäuses 30. Die Endflächen 28 haben an vorgegebenen Stellen öffnungen 32-1, 32-2 und 32-3, die mit dem Ein- lass 12 bzw. dem ersten Auslass 14, bzw. dem zweiten Auslass 16 in Verbindung stehen, wie in der Zeichnung dargestellt .

Für die Zwecke der Erläuterung sei angenommen, dass die Schüttung 25 aus Adsorbermaterial Sauerstoff stärker bindet als Stickstoff.

Hat man die Adsorbermaterial-Schüttung 25 einer Trennkolon- ne 18 dann, wenn diese bei der öffnung 32-1 steht, mit unter Druck stehender Umgebungsluft gefüllt und dreht man dann die Trennkolonnenanordnung um 90° entgegen dem Uhrzeigersinne bis zur öffnung 32-2, so wird dann, wenn man die Trennkolonnenanordnung eine vorgegebene Zeitspanne in dieser Stellung belässt, in erster Linie Stickstoff aus der Schüttung 25 freigegeben, da dieser weniger stark mit dem Adsorbermaterial wechselwirkt .

Dreht man nun die Trennkolonnen 18 in zwei folgenden Intervallen so weit, bis die betrachtete Trennkolonne

18 nun die öffnung 32-3 erreicht hat, so hat nun das in der Trennkolonne verbliebene Gas Gelegenheit aus der Schüttung 24 abzuströmen. Dieses Gas enthält aber mehr Sauerstoff, da sich Letzterer mit dem Adsorbermate- rial fester verbindet.

Nachstehend wird nun die Beschickung der Trenneinheit 10 mit Umgebungsluft und das Abziehen von Sauerstoffangereicherter Luft sowie mit Stickstoff angereicherter Luft von der Trenneinheit 10 genauer beschrieben. Noch weiter unten wird dann beschrieben, wie Feuchtigkeitsanteile, die sich stark mit dem Adsorbermaterial verbinden und dessen Arbeiten langfristig nachteilig beeinflussen, aus der Trenneinheit abgeführt werden.

Das Zuführen unter Druck stehender Umgebungsluft zur Trenneinheit 10 besorgt ein Verdichter 34, der über ein Luftfilter 36 aus der Umgebung ansaugt. Die vom Verdichter abgegebene beim Verdichten erhitzte Luft wird über einen Wärmetauscher 38 und einen Kondensatabscheider 40, ein Rückschlagventil 42 und einen steuerbaren Druckregler 44 sowie eine steuerbare Drossel 46 dem Einlass 12 der Trenneinheit 10 zugeführt.

Die steuerbare Drossel 46 wird durch einen Motor 48 verstellt, der von einer nur schematisch dargestellten Steuereinheit 50 her betätigt werden.

Der Druck, der vom Verdichter 34 aufgebaut wird, wird durch einen Drucksensor 52 gemessen, der mit der Steuereinheit 50 verbunden ist.

Der einstellbare Druckregler 44 umfasst zur Einstellung des Regeldruckes einen Elektromagneten, der ebenfalls von der Steuereinheit 50 her gespeist wird.

Der Nutzgasauslass 14 der Trenneinheit 10 ist über eine steuerbare Drossel 54 , die durch einen Elektromotor 56, vorzugsweise, ein Schrittmotor, gestellt wird, mit dem Einlass eines zweiten Verdichters 58 verbunden.

Der Elektromotor 56 wird ebenfalls durch die Steuereinheit 50 betätigt.

ähnlich wird das Abströmen von Restgas vom Auslaß 16 durch eine steuerbare Drossel 53 beeinflußt, welche durch einen Elektromotor 55 verstellt wird. Dieser wird wieder durch die Steuereinheit 50 erregt.

Der Verdichter 58 ist über ein 3 -/2-Magnetventil 60 sowie ein Rückschlagventil 62 mit einem Nutzgasspeicher 64 verbunden .

Letzterer steht über einen Druckregler 66, der als Drei-/ Zwei-Ventil mit pneumatischer Steuerung dargestellt ist, mit einer Abgabeleitung 68 für mit Sauerstoff angereicherte Luft in Verbindung. Der Druck auf der Abgabeleitung 68 wird durch einen Drucksensor 70 gemessen, der ebenfalls mit der Steuereinheit 50 verbunden ist. Ein weitere Drucksensor 71 mißt den Druck im Nutzgasspei- eher 64. Die Ausgangssignale der Druckensoren 70 und 71 werden auf Eingänge der Steuereinheit 50 gegeben.

Das 3/2-Magnetventil 60 dient dazu, in einer Anlauf- phase der Anlage, in welcher der Trenngrad der Trennein- heit 10 noch reduziert ist, die vom Verdichter 58 abgegebene schon angereicherte, jedoch noch nicht ausreichend angereicherte Luft wieder über das Rückschlagventil 42, den Druckregler 44 und die steuerbare Drossel 46 auf den Eingang der Trenneinheit 10 zurückzuführen. Bei der nochmaligen Behandlung dieser vorangereicherten

Luftanteile, die zusammen mit vom Verdichter 34 bereitgestellten Luft-Teilmengen auf die Trenneinheit 10 gelangen, wird dann letzlich der gewünschte Anreicherungsgrad an Sauerstoff erhalten.

Um den Sauerstoffgehalt der angereicherten Luft laufend zu überwachen, ist an die zum Verdichter 58 führende Leitung ein Sauerstoff-Konzentrationsmesser 72 angeschlossen, dessen Ausgangssignal auf die Steuereinheit 50 gegeben wird. Das Ausgangssignal des Konzentrationsmessers 72 ist somit ein Maß für die Qualität des Arbeitens der Trenneinheit .

Zur Sicherheit kann man zusätzlich den Stickstoffgehalt am Auslass 16 durch einen Stickstoff-Konzentrationsmesser 74 messen, der ebenfalls mit der Steuereinheit 50 verbunden ist . Zusätzlich kann man auch den Wasserdampfgehalt des Restgases durch einen an den Auslass 16 angeschlossenen Wasserdampfkonzentrationsmesser 76 messen. Steigt das Ausgangssignal des Konzentrationsmessers 76 über einen vorgegebenen Grenzwert an, so erkennt man, dass das Adsorbermaterial zu viel Feuchtigkeit aufgenommen hat und regeneriert werden sollte.

Nach dem Einschalten arbeitet die in der Zeichnung wiedergegebenen Anlage also so, dass das 3/2-Magnetventil 60 so lange aus der durch Federvorspannung eingestellten Ruhestellung ausgelenkt wird, bis der Konzentrationsmesser 72 anzeigt, dass der gewünschte Sauerstoffgehalt der angereicherten Luft erhalten ist. Das Ausgangssignal des Konzentrationsmessers 72 kann man mit demjenigen des Konzentrationsmessers 74 zusammenfassen, da beide Signale in die gleiche Richtung laufen.

Wird nach Erreichen der gewünschten Sauerstoffkonzentra-

tion die Bestromung des Magnetventiles 60 beendet, so fördert der Verdichter 58 nun mit Sauerstoff angereicherte Luft in den Nutzgasspeicher 64. Sowie der Druck im Nutzgasspeicher 64 den durch den Druckregler 66 vorgegebenen Wert überschreitet, kann Sauerstoff angereicherte Luft an der Abgabeleitung 68 gezapft werden. Die Beaufschlagung der Abgabeleitung 68 mit mit Sauerstoff angereicherter Luft kann über das Ausgangssignal des Drucksensors 70 verfolgt werden.

Wird von der Abgabeleitung 68 nur wenig Sauerstoff angereicherte Luft gezapft, so steigt der Druck, welchen der Drucksensor 52 misst an, und die Steuerung 50 kann dann die Erregung des Antriebsmotors des Verdichters 34 entsprechend zurückfahren oder diesen auch ganz ausschalten. Entsprechend kann die Erregung des Verdichters 58 gesteuert werden.

Stellt der mit dem Nutzgasspeicher 64 in Verbindung stehende Drucksensor 71 fest, dass der Druck im Nutzgasspeicher 64 unter eine vorgegeben Grenze abgefallen ist, sorgt die Steuereinheit 50 dafür, dass die beiden Verdichter 34, 58 wieder ihr normales Arbeiten aufnehmen.

Stellt die Steuereinheit 50 anhand eines oder mehrerer der Ausgangssignale der Konzentrationsmesser 72, 74, 76 fest, dass ein Regenerieren der Trenneinheit 10 erforderlich ist, so schaltet die Steuereinheit 50 das Magnetventil 78 aus der in der Zeichnung dargestellten Ruhestellung in die Arbeitsstellung, und es wird trockene mit Sauerstoff angereicherte Luft über den Druckregler 44 und die steuerbare Drossel 46 zum Einlaß 12 der Trenneinheit 10 geleitet. Diese trockene Luft nimmt Feuchtigkeitsanteile, welche sich in den Schüttungen 25 der Trennkolonnen 18 gesammelt haben, auf und trägt sie aus der Trenneinheit 10 heraus.

Um die Zeitspanne, innerhalb welcher Gas durch den Auslaß 16 abströmen kann, unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Anordnung der Trennkolonnen 18 und unabhängig von der Abströmzeit durch den Auslaß 14 wählen zu können, kann das Abströmen vom Auslaß 16 durch ein normalerweise offenes 3/2 -Ventil 80 gesteuert durch die Steuereinheit 50 vollständig unterbunden werden.

Zum einen aus dem gleichen Grunde ist an den Auslaß 14 eine 3/2-Magnetventil 82 angeschlossen, welches auch durch die Steuerung 50 betätigt wird.

Um ferner die Feuchtigkeits-angereicherte Luft, welche auch beim Auslass 16 beim Regenerieren abgegeben wird, aus der Anlage abzuführen, wird das 3 /2-Magnetventil 82 aus der den Auslass 16 mit dem Verdichter 58 verbindenden Ruhestellung in eine Arbeitsstellung bewegt, in welcher der Auslass 16 mit der Umgebungsatmosphäre verbunden ist. Dieses Umstellen des Magnetventiles 82 erfolgt ebenfalls durch die Steuerung 50.

Erkennt man an den Ausgangssignalen eines oder mehrere der Konzentrationsmesser 72 bis 76, dass die Schüttungen 24 der Trennkolonnen 18 wieder normal arbeiten, wird der Regeneriermodus beendet und das 3/2-Magnetventil 78 wird wieder in die sperrende Ruhestellung zurückbewegt .

Die Steuerung der 3 /2-Magnetventile 78, 80 und 82 erfolgt durch die Steuereinheit 50 auf Zeitbasis gemäß Erfahrungswerten und/oder in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Sauerstoffkonzentrationsmessers 72 und/oder des Stickstoffkonzentrationsmessers 74 und/oder des Feuchtig- keits-Konzentrationsmessers 76.

Mit der oben beschriebenen Anlage kann man quasi stationär mit Sauerstoff angereicherte Luft erzeugen, die im Mittel gleichbleibenden Sauerstoffanreicherungsgrad aufweist . Dies wird dadurch erreicht, dass die Adsorbermaterial- Schüttungen 25 in Abständen mit trockenen mit Sauerstoff angereichertem Nutzgas von Feuchtigkeit befreit werden, welches aus dem Nutzgasspeicher 64 über das 3/2-Magnetventil 78 zum Einlass des Druckreglers 44 zurückgeführt wird.