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Dokumentenidentifikation DE10047137B4 01.09.2005
Titel Vorrichtung zur Verringerung des CO2-Gehaltes von Gasen und Verwendung der Vorrichtung bei einem Verfahren zur Erzeugung von Druckgas mit verringertem CO2-Gehalt
Anmelder Bauer Kompressoren GmbH, 81477 München, DE
Erfinder Heckmann, Johannes, 37434 Gieboldehausen, DE;
Hugo, Hannes, 81476 München, DE
Vertreter TER MEER STEINMEISTER & Partner GbR Patentanwälte, 81679 München
DE-Anmeldedatum 22.09.2000
DE-Aktenzeichen 10047137
Offenlegungstag 18.04.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.09.2005
IPC-Hauptklasse B01D 53/62
IPC-Nebenklasse B60H 3/02   B60H 3/06   A61M 16/22   A62B 7/02   A62D 9/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung des CO2-Gehaltes von Gasen bei der Druckgaserzeugung, insbesondere der Drucklufterzeugung, mittels Kompressoren sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung bei einem Verfahren zur Erzeugung von Druckgasen, insbesondere Druckluft, mit verringertem CO2-Gehalt.

Beim Komprimieren von Gasen für Atemluftzwecke wird üblicherweise Umgebungsluft angesaugt und in geeigneten Kompressoren verdichtet, und die Druckluft dann in Hochdruckflaschen abgefüllt. Die Qualität der Druckluft ist durch einschlägige Normen wie der DIN/EN 12021 geregelt. Gemäß dieser Norm darf die CO2-Konzentration in der komprimierten Luft 500 ppmv nicht überschreiten. Bekanntermaßen beträgt die CO2-Konzentration der erdnahen Atmosphäre durchschnittlich 330 ppmv. Die CO2-Konzentration der Luft ist jedoch seit einigen Jahrzehnten ansteigend, was primär durch anthropogene Einflüsse bedingt ist. Desweiteren unterliegt die CO2-Konzentration der Luft auch jahreszeitlichen Schwankungen, da beispielsweise im Sommer eine andere Kohlenstoff-Assimilation von Pflanzen vorherrscht als im Winter. Die CO2-Maximalkonzentration kann insbesondere dann nicht eingehalten werden, wenn zu der nicht beeinflußbaren CO2-Konzentration besondere Umgebungsbedingungen hinzu kommen. Solche besonderen Umgebungsbedingungen liegen beispielsweise dann vor, wenn die Luft etwa in der Nähe von verkehrsreichen Straßen oder in der Nähe von Verbrennungskraftmaschinen angesaugt wird. Ungünstig ist es auch, wenn die Luft in Räumen angesaugt wird, in denen sich viele Menschen aufhalten und keine ausreichende Frischluftzufuhr sichergestellt ist. In zunehmendem Maße ist zu beobachten, daß die vorgeschriebene Maximalkonzentration von 500 ppmv CO2 nicht eingehalten werden kann, wenn ein oder mehrere der vorgenannten besonderen Umstände vorliegen.

Es ist bekannt, zur Bindung von CO2 in Kreislauftauchgeräten oder in geschlossenen Kreisläufen von Anästhesiegeräten spezielle Chemikalien einzusetzen. Hierbei handelt es sich meistens um granulatförmige Zubereitungen von Ca(OH)2 mit NaOH und 15–20% gebundenem Wasser. Ein solches CO2-Absorbens ist im Handel unter der Bezeichnung "Atemkalk" oder "Soda-Lime" erhältlich. Die große innere Oberfläche und das Porenvolumen solcher granulatförmigen Zubereitungen gewährleisten eine schnelle und vollständige Reaktionskinetik, etwa gemäß der folgenden vereinfachten Reaktionsgleichung: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Atemkalk kann nicht wie beispielsweise Aktivkohle regeneriert werden, da die Umsetzung mit CO2 irreversibel ist. Atemkalk ist jedoch in der Lage, große Mengen CO2 von bis zu 120 Liter/kg zu binden und ist relativ preiswert. Nachteilig ist seine Eigenschaft, relativ stark alkalisch zu reagieren, und daß das Aufnahmevermögen für CO2 durch Austrocknen stark verringert wird. So reduziert sich das Aufnahmevermögen für CO2 beim Durchströmen mit Luft von 30% relativer Feuchte auf unter 10% der Ausgangskapazität im Vergleich zum Aufnahmevermögen bei 90% relativer Feuchte. Die konstante Befeuchtung wird normalerweise durch das dynamische Feuchtegleichgewicht gewährleistet, das sich beim Durchströmen mittels Wasserdampf gesättigter Luft einstellt. Diese Bedingungen liegen beispielsweise bei ausgeatmeter Luft vor.

Um das CO2 aus der Druckluft zu entfernen, sind im wesentlichen die folgenden zwei Prinzipien bekannt.

Gemäß einer ersten Arbeitsweise wird die gesamte Druckluft durch eine dem Kompressor nachgeschaltete Filterpatrone, die mit Atemkalk gefüllt ist, geleitet. Bekanntlich ist die Luft an dieser Stelle noch zu 100% mit Wasserdampf gesättigt, so daß die volle Absorptionskapazität von Atemkalk ausgenutzt werden kann. Hierbei treten jedoch die folgenden Nachteile auf.

  • – Der Filterbehälter muß als Druckbehälter ausgebildet sein. Solche Behälter sind jedoch relativ teuer und das Füllvolumen ist ebenfalls sehr begrenzt. Dadurch sind die Standzeiten bis zur Erschöpfung/Sättigung der Filterpatrone sehr begrenzt.
  • – Der Atemkalk desorbiert auch Wasser (Reaktionswasser). Gleichzeitig werden vom Druckluftstrom kleine Partikel des Atemkalkes mitgerissen. Da diese alkalisch reagieren, kann es als Folge an den Innenwänden des Behälters und der nachfolgenden Baueile zu starken Korrosionen kommen.
  • – Ebenfalls wurde das Auftreten von stark alkalischem Kondensat in den nachfolgenden Druckbehältern beobachtet.

Gemäß einer zweiten Arbeitsweise wird ein Behälter mit Atemkalk vor den Ansaugstutzen des Kompressors geschaltet. Somit wird die angesaugte Luft bei Normaldruck durch den Atemkalk gesaugt. Mit diesem relativ einfachen Aufbau werden die unter der erstgenannten Arbeitsweise auftretenden Nachteile vermieden. Es ergeben sich aber andere Nachteile:

  • – Die angesaugte Luft ist entsprechend Jahreszeit, Klima und Umgebung unterschiedlich mit Wasser gesättigt. So beträgt beispielsweise in Mitteleuropa an trockenen klaren Wintertagen der Wassergehalt der Luft nur ca. 1 g/m3, während er an feuchtwarmen Sommertagen auf über 25 g/m3 ansteigt.
  • – Unter solchen Umständen ist beispielsweise im Winter die Funktion bzw. das Aufnahmevermögen des Atemkalkes nicht mehr gewährleistet.

Beiden Arbeitsweise gemeinsam ist jedoch der Nachteil, daß bei ordnungsgemäßer Funktion der Atemkalkpatronen in der Regel das gesamte CO2 aus der Luft entfernt wird. Notwendig ist jedoch lediglich die Einhaltung des Grenzwertes von 500 ppm. Eine weitere Verringerung bis hin zu 0 ist dahingegen nicht erforderlich und hat andererseits eine stark verkürzte Standzeit des Atemkalkes zur Folge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verringerung des CO2-Gehaltes von Gasen bei der Druckgaserzeugung, insbesondere der Drucklufterzeugung, sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung bei einem Verfahren zur Erzeugung von Druckgasen, insbesondere Druckluft, mit verringertem CO2-Gehalt vorzusehen, wobei die im Stand der Technik auftretenden Nachteile überwunden werden und insbesondere die Standzeit des CO2-Absorbermaterials verlängert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Ansuruch 1 bzw. die Verwendung gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte bzw. bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Vorrichtung zu Verringerung des CO2-Gehaltes von Gasen bei der Druckgaserzeugung, insbesondere der Drucklufterzeugung, mittels Kompressoren, umfassend

ein Durchleitungsrohr mit einer Ansaugöffnung für zu behandelnde Gase, einer Einrichtung zur Unterteilung der angesaugten Gase in zwei Teilvolumenströme, einer vor der Unterteilungseinrichtung angeordneten Abzweigungsleitung für einen ersten Teilvolumenstrom, einer nach der Unterteilungseinrichtung angeordneten Zuführleitung für den behandelten ersten Teilvolumenstrom, sowie einer Auslaßöffnung für die behandelten Gase,

einen mit dem Durchleitungsrohr über die Abzweigungsleitung und die Zuführleitung verbundenen Behälter,

eine innerhalb des Behälters angeordnete Einrichtung zur Befeuchtung des ersten Teilvolumenstroms, und

eine innerhalb des Behälters angeordnete, mit CO2-Absorbermaterial gefüllte Absorberpatrone, durch welche der erste Teilvolumenstrom geleitet und über die Zuführleitung zum Durchleitungsrohr rückgeführt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ebenso die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem Verfahren zur Erzeugung von Druckgasen, insbesondere Druckluft, mit verringertem CO2-Gehalt, wobei man bei der Druckgaserzeugung mittels bekannten Druckgaskompressoren eine erfindungsgemäße Vorrichtung saugseitig vor den Druckgaskompressor schaltet.

Gemäß der Erfindung hat sich gezeigt, daß es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einfacher Weise gelingt, die Verringerung des CO2-Gehaltes auf den erwünschten Grad zu regulieren und weiterhin die Standzeit des CO2-Absorbermaterials signifikant zu verlängern.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der Ansaugöffnung eine Verschlußeinrichtung, wie vorzugsweise ein Membranventil, angeordnet, um bei Nichtinbetriebnahme der Vorrichtung die Diffusion von Gasen in die Vorrichtung zu verhindern. Dadurch gelingt es insbesondere, beim Stillstand eine Sättigung des CO2-Absorbermaterials mit CO2 aus der Umgebungsluft zu vermeiden.

Bei der Befeuchtungseinrichtung handelt es sich im einfachsten Falle um ein am Boden des Behälters vorgesehenes Wasserreservoir bzw. Wasserbad. Die Abzweigungsleitung für einen ersten Teilvolumenstrom erstreckt sich geeigneterweise bis kurz oberhalb der Wasseroberfläche eines solchen Wasserbades, so daß der erste Teilvolumenstrom über die Wasseroberfläche streichen kann und dadurch mit Wasser befeuchtet wird. Die Abzweigungsleitung kann jedoch auch in das Wasser eintauchen, so daß das Gas durch das Wasser geblasen wird. Um hierbei ein zu starkes Sprudeln zu verhindern, kann am Ende der Abzweigungsleitung eine geeignete Dispergiervorrichtung angeordnet sein, wie etwa eine Glasfritte. Wahlweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Heizeinrichtung, wie beispielsweise einen Tauchsieder, zur Erwärmung des Wasserbades aufweisen, so daß der Betrieb auch bei tiefen Temperaturen möglich ist und ein zu starkes Abkühlen des Wassers verhindert wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann es sich bei der Befeuchtungseinrichtung um eine Wassersprühvorrichtung handeln, wobei der Gasstrom beim Durchströmen des Behälters mit feinen Wassertröpfchen befeuchtet wird. Die Temperatur des Wassers in der Wassersprühvorrichtung kann in bekannter Weise reguliert werden.

Die Einrichtung zur Unterteilung der angesaugten Gase in zwei Teilvolumenströme kann so ausgestaltet sein, daß ein erwünschtes Volumenverhältnis der zwei Teilströme von beispielsweise 1: 1 bis 1 : 5 erreicht wird.

Geeignete Volumenverhältnisse sind beispielsweise 1/3 zu 2/3 oder 1/4 zu 3/4 oder 1/2 zu 1/2. Wenn beispielsweise Umgebungsluft mit 1000 ppm CO2 angesaugt wird, können etwa 2/3 der angesaugten Luft über die Abzweigungsleitung zur Befeuchtung mit Wasser und anschließend durch die CO2-Absorberpatrone geführt werden, so daß der CO2-Gehalt auf 1/3 des Ausgangswertes reduziert wird.

Die Unterteilungseinrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Lochblende, deren Öffnung gegebenenfalls regulierbar ist.

Als CO2-Absorbermaterial eignet sich insbesondere der eingangs genannte Atemkalk. Andere dem Fachmann geläufige CO2-Absorbermaterialien können jedoch ebenso eingesetzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Zuführleitung für den behandelten ersten Teilvolumenstrom eine Strömungsreguliereinrichtung, vorzugsweise eine gegebenenfalls regulierbare Lochblende, vorgesehen. Es hat sich gezeigt, daß durch Vorsehen eines solchen Strömungswiderstandes das gesamte Strömungsverhalten innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung günstig beeinflußt werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelingt es im Vergleich zum Stand der Technik die Standzeit der CO2-Absorbermaterialien deutlich zu verlängern. Werden beispielsweise 2/3 des angesaugten Luftstroms über die Abzweigungsleitung geführt, wird die Standzeit einer mit Atemkalk gefüllten Absorberpatrone um ca. 50% verlängert. Die Befeuchtung der angesaugten Luft innerhalb des Behälters ermöglicht eine weitere Erhöhung der Standzeit der Absorberpatrone. Eine solche Befeuchtung ist insbesondere bei Feuchtigkeitsgehalten der Gase bzw. Luft von weniger als 30% vorteilhaft, um ein schnelles Austrocknen der Patronenfüllung zu verhindern. Ausgetrockneter Atemkalk ist nämlich nicht mehr in der Lage, CO2 aufzunehmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich in Verbindung mit bekannten Druckgaskompressoren, wie Kolben- oder Schraubenkompressoren. Die Anwendung bei beispielsweise Membran-Kompressoren, Radial- und Axialverdichtern, Flüssigkeitsring-Kompressoren oder Roots-Verdichtern ist jedoch ebenso möglich.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verringerung des CO2-Gehaltes von Gasen bei der Druckgaserzeugung.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der 1 bei der Verringerungs des CO2-Gehaltes von Luft bei der Drucklufterzeugung beschrieben. Das Durchleitungsrohr 1 weist eine Ansaugöffnung 2 für Umgebungsluft auf. Durch die Lochblende 3 wird der angesaugte Luftstrom aufgeteilt. Zwei Drittel der angesaugten Luft werden über die Abzweigungsleitung 4 zur Oberfläche des in dem Behälter 7 am Boden befindlichen Wasserbades 8 geführt. Dadurch wird die Luftfeuchte soweit erhöht, daß ein schädliches Austrocknen des Absorbermaterials, im vorliegenden Falle Atemkalk, in der anschließend durchströmten Absorberpatrone 9 verhindert wird. Unter diesen günstigen Bedingungen wird in der Absorberpatrone das gesamte in dem Teilluftstrom befindliche CO2 absorbiert. Nach Passieren der Absorberpatrone werden die zwei Drittel CO2-freier Luft über die Zuführleitung 5 mit dem verbleibenden 1/3 Luft gemischt, welche nicht durch die Absorberpatrone geleitet wurde. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, in der Zuführleitung 5 eine Lochblende 11 als Strömungswiderstand vorzusehen. Die resultierende CO2-Konzentration der zum Ansaugstutzen eines Kompressors über die Auslaßöffnung 6 strömenden Luft beträgt 1/3 der Konzentration der angesaugten Luft. Es wurde eine 1000 ppm CO2-haltige Umgebungsluft durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gesaugt. 2/3 der angesaugten Luft wurden abgezweigt und über die Absorberpatrone geführt. Die CO2-Konzentration der behandelten Luft an der Auslaßöffnung 6 betrug danach 330 ppm.

Die Vorrichtung ist weiterhin mit einem Membranventil 10 ausgerüstet, das kurz nach der Ansaugöffnung 2 vorgesehen ist. Hierdurch ist die Absorberpatrone im Stillstand von der Umgebungsluft isoliert, so daß eine Diffusion und Sättigung des Absorbermaterials mit CO2 aus der Umgebungsluft verhindert wird.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Verringerung des CO2-Gehaltes von Gasen bei der Druckgaserzeugung, insbesondere der Drucklufterzeugung, mittels Kompressoren, umfassend

    ein Durchleitungsrohr (1) mit einer Ansaugöffnung (2) für zu behandelnde Gase, einer Einrichtung (3) zur Unterteilung der angesaugten Gase in zwei Teilvolumenströme, einer vor der Unterteilungseinrichtung (3) angeordneten Abzweigungsleitung (4) für einen ersten Teilvolumenstrom, einer nach der Unterteilungseinrichtung (3) angeordneten Zuführleitung (5) für den behandelten ersten Teilvolumenstrom, sowie einer Auslaßöffnung (6) für die behandelten Gase,

    einen mit dem Durchleitungsrohr (1) über die Abzweigungsleitung (4) und die Zuführleitung (5) verbundenen Behälter (7),

    eine innerhalb des Behälters (7) angeordnete Einrichtung (8) zur Befeuchtung des ersten Teilvolumenstroms, und

    eine innerhalb des Behälters (7) angeordnete, mit CO2-Absorbermaterial gefüllte Absorberpatrone (9), durch welche der erste Teilvolumenstrom geleitet und über die Zuführleitung (5) zum Durchleitungsrohr (1) rückgeführt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend weiterhin eine nach der Ansaugöffnung (2) angeordnete Verschlußeinrichtung (10) um bei Nichtinbetriebnahme der Vorrichtung die Diffusion von Gasen in die Vorrichtung zu verhindern.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Verschlußeinrichtung (10) ein Membranventil ist.
  4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Befeuchtungseinrichtung (8) ein am Boden des Behälters vorgesehenes Wasserreservoir ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, umfassend weiterhin eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Wasserreservoirs.
  6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, wobei die Befeuchtungseinrichtung (8) eine Wassersprühvorrichtung ist.
  7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Unterteilungseinrichtung (3) so ausgestaltet ist, daß die angesaugten Gase in zwei Teilvolumenströme mit einem Volumenverhältnis von 1 : 1 bis 1 : 5 geteilt werden.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Unterteilungseinrichtung (3) so ausgestaltet ist, daß die angesaugten Gase in zwei Teilvolumenströme mit einem Volumenverhältnis von 1 : 2 geteilt werden.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Unterteilungseinrichtung (3) eine gegebenenfalls regulierbare Lochblende ist.
  10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Absorberpatrone (9) mit Atemkalk als CO2-Absorbermaterial gefüllt ist.
  11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend weiterhin eine in der Zuführleitung (5) angeordnete Strömungsreguliereinrichtung (11).
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Strömungsreguliereinrichtung (11) eine gegebenenfalls regulierbare Lochblende ist.
  13. Verwendung einer Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1–12 bei einem Verfahren zur Erzeugung von Druckgasen, insbesondere Druckluft, mit verringertem CO2-Gehalt mittels bekannten Druckgaskompressoren, wobei die Vorrichtung saugseitig vor den Druckgaskompressor geschaltet wird.
  14. Verwendung nach Anspruch 13, wobei die Druckgaserzeugung mittels bekannten Kolben- oder Schraubenkompressoren erfolgt.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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