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Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen von Gasen Die Trocknung eines
mit Wasserdampf beladenen Gases mit Adsorptionsmitteln, wie Kieselgel, Aluminiumgel
oder Aluminium-Silikat, ist bekannt und wird in der Gastrockentechnik überall dort
angewandt, wo die Absorptionstrocknung sich als unwirtschaftlich, nicht anwendbar
oder unerwünscht erweist oder niedere Taupunkte (bis etwa 700 C) verlangt werden.
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Die Beladung der Adsorptionsmittel mit Wasserdampf geschieht fast
ausschließlich bis zum Durchbruch. Das ist der Punkt, an dem die Feuchtigkeit der
Trockenluft beginnt, über den geforderten oder zugesicherten Trockenheitsgrad anzusteigen.
Dieser Punkt liegt in der Praxis zwischen etwa 0,1 und 1,0 g Wasserums Gas.
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Die Durchbruchkapazität der Adsorbenten zeigt Abhängigkeit von mehreren
Faktoren, so unter anderem von der relativen Feuchte und der Geschwindigkeit des
zu trocknenden Gases sowie von der Tiefe des Bettes des Adsorbers. Für die Adsorbenten
gilt fast ausnahmslos, daß mit steigender relativer Feuchte und mit wachsender Bettiefe
des Adsorbers die Durchbruchkapazität hohe Werte annimmt, dagegen hohe Gasgeschwindigkeiten
nur minimale Beladungswerte zulassen.
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Bestimmend für Bauform, Füllmenge an Adsorptionsmaterial und Betriebszeit
der Trockner ist die stündlich zur Trocknung gelangende Gasmenge, der maximale Wasserdampfgehalt
und die maximale Temperatur des Gases. Sind die Daten der Gasgeschwindigkeit, der
Feuchte und der Temperatur zu jeder Zeit des Trockenbetriebes konstant, so kann
die Trockenanlage vollautomatisch, elektrisch oder hydraulisch gesteuert werden.
Für den kontinuierlichen Trocken prozeß sind zwei Adsorber erforderlich. Während
ein Adsorber die Trocknung des Gases übernimmt, steht der zweite in Regenerierung,
d. h., das innerhalb des Trockenvorganges vom Adsorbenten aufgenommene Wasser wird
hier durch Wärme ausgetrieben.
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Schwankt jedoch die Feuchte und Temperatur des zu trocknenden Gases,
wie beispielsweise bei atmospärischer Luft, die je nach den meteorologischen Verhältnissen
mit mehr oder weniger Wasserdampf beu laden sein und eine niedere oder höhere Temperatur
besitzen kann, so wird ein vollautomatischer Betrieb der Adsorptionstrockner weitaus
komplizierter. Eine Automatisierung läßt sich dann wohl noch mit Feuchtigkeitsmeßeinrichtungen
durchführen, jedoch sind diese Geräte entweder in den unteren Meßbereichen sehr
ungenau, müssen des öfteren nachjustiert werden oder im Anschaffungspreis teuerer
als die gesamte Trocknungseinrichtung. Die Feuchtemeß einrichtungen lassen sich
noch bei Beibehaltung der Automatisierung umgehen, wenn für die Berechnung der Betríebsstunden
der Trockner der maximal zu erwartende Feuchtigkeitsgrad und Temperatur des Gases
in jeder Betriebsphase festgelegt wird.
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Vorzugsweise verfährt man so bei der Trocknung atmosphärischer Luft,
die zur Herstellung von Ozon dienen soll, mit Hilfe von Kiesel- oder Aluminiumgel
(G. E. Kurzmann, Wasser-Luft- und Betrieb, Heft2, in959). Der Wasserdampfgehalt
wird hier (in Europa) meist mit etwa 12,2 g Wasser/kg Luft bzw. mit 14,6 g Wasser/m3
Luft angenommen. Dies entspricht einer relativen Feuchte von 80t/o bei 200 C. Unter
diesen Umständen muß in Kauf genommen werden, daß bei geringen oder geringsten Feuchtigkeitsgraden
des Gases noch weit vor der Durchbruchsbeladung die automafische Umschaltung zur
Regenerierung der Adsorbermasse erfolgt. Die Beladung mit Wasser geschieht hier
in der größten Zeit der Trockenvorgänge nur zu einem geringen,Teil, d. h., die maximale
Kapazität des Adsorbeuten wird nicht ausgenutzt. Hierdurch können die Betriebskosten
erheblich ansteigen.
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Sie liegen um so höher, je weniger Wasserdampf das über die Trockner
geleitete Gas enthält, da entweder die noch vorhandene unbeladene Masse während
der Regenerierung adsorbierend wirkt und so durch diese unerwünschte Zwischenadsorption
ein Mehr an Wärmemenge erforderlich oder aber eine erhebliche Menge an Energie für
die Erhitzung des noch nicht beladenen Materials benötigt wird. Dies richtet sich
ganz nach den Strömungsrichtungen des zu trocknenden Gases und der Heißluft, die
den Trockner passieren.
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Erfindungsgemäß lassen sich für den halbautomatischen Betrieb der
Trocknung von gegenüber Wasser inerten Gasen bei Kleinanlagen und für den vollautomatischen
Betrieb bei Mittel- und Großanlagen mit einem geringen apparativen Aufwand und Kosten
hinsichtlich der Erstellung komplizierter Meß- und
Schaltorgane
umgehen und die Betriebskosten gegenüber dem Vorgenannten auf ein Mindestmaß beschränken.
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Wird einer Zweifilter-Trockenanlage (Kleinanlage) ein Wäscher vorgeschaltet
und die Leitungsführung nach Fig. 1 vorgenommen, so ergibt sich ein halbautomatischer
Betrieb mit nur kurzer Bedienungszeit nach langer wartungsfreier Betriebszeit. Dies
geht aus nachstehend aufgeführtem Beispiel hervor.
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Ein im Feuchtigkeitsgrad schwankendes Gas, z. B. atmosphärische Luft,
tritt in den Wäscher 1 über die Leitung 2 ein. Der Wäscher wird mit Waschwasser,
wie es Trink- oder Brauchwassernetzen mit relativ niederer Temperatur entnommen
werden kann, über die Leitung 3 versorgt. Das Wasser steht nach der Gaswäsche für
weitere Kühlprozesse, wie z. B. zur Kompensation der Adsorptionswärme der Adsorber
4 und 5 sowie für den Betrieb des Kondensators 6 zur Verfügung. Das Gas verläßt
den Wäscher mit konstantem Wasserdampfgehalt und Temperatur, d. h., die absolute
Feuchte desselben ist in jeder Betriebsphase gleich. In diesem Falle läßt sich entsprechend
den- Kenndaten des verwendeten Adsorptionsmaterials, der Konstruktion des Adsorbers
und der Gasgeschwindigkeit die maximale Wasserbeladung des Materials bis zum Durchbruch
rechnerisch nach: Dx m.k 100 =g = g (1) ermitteln. Es bedeuten: Durchbruchsbeladung
(Wasseraufnahme), g, m = Gewicht des Adsorbenten im Adsorber, g, k = Adsorptionskapazität
unter den gegebenen Umständen, t/o.
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Nach (I) läßt sich nunmehr die Gleichung (II) für die Betriebszeit
der Filter 2 und 4 aufstellen: Dx tB= t = Std. (11) (e?-')Q worin bedeuten: tß =
Betriebszeit bis zum Durchbruch, Std., Dz = Durchbruchsbeladung (Wasseraufnahme),
g, ç = Absolute Feuchte des Naß gases, g Wasser/mS Gas, = = Absolute Feuchte des
Trockengases, g Wasser3 Gas, Q = Gasmenge, m3/Std. -Ist Adsorber 4 mit der max.
Wassermenge beladen, so schaltet sich Heizung 7 zur Regenerierung der Adsorbermasse
automatisch ein. Ferner - öffnet sich das Kühlwasserablaufventil (Magnetventil)
3 zur Wasserentleerung des Kühlwassermantels des Adsorbers. Die elektrische Steuerung
kann über eine Zeitschaltuhr oder über einen Gaszähler mit- Kontaktwerk durchgeführt
werden. Das nun vom Adsorber 4 abgegebene, mit Wasserdampf angereicherte Gas wird
im Kondensator 6 gekühlt, d. 11. durch Kondensation entsprechend der Kühlwassertemperatur
vom Wasserdampf befreit, und im Adsorber 5, der in der ersten Betriebsphase als
Scharftrockner arbeitet, findet jetzt die weitere Entfeuchtung statt Nach beendigter
Regenerierung der Adsorbermasse im Adsorber 4, diese kann nach einmaliger Ermittlung
der Regenerierungszeit für die späteren Entwäss erungsprozesse an der Zeitschaltuhr,
wenn mit einer derartigen für die automatische Schaltung gearbeitet wird, eingestellt
werden, wird Heizung 7 automatisch abgeschaltet, es schließt sich desgleichen das
Kühlwasserablaßventil 8. Dieses Spiel
wiederholt sich so oft, bei geeigneter Adsorberkonstruktion
lassen sich dreißig und mehr Betriebstage erreichen, bis das Trockenmaterial des
Adsorbers 5 erschöpft ist und regeneriert werden muß.
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Dieser Zeitpunkt läßt sich so wählen, daß Adsorber 4 mit der max.
Kapazität für die Entfeuchtung des zu trocknenden Gases zur Verfügung steht. Jetzt
werden die vorher .geschlossenen Ventile 9, 10, 11 und das Kühlwasserablaufventil
12 von Hand geöffnet, die vorher geöffneten Ventile 13 und 14 geschlossen und der
Ventilator 15 und die Heizung 16 in Betrieb genommen. Von der Regenerierung des
Adsorbers 5 ab übernimmt Adsorber 4 allein die Entfeuchtung des zu trocknenden Gases.
Die Heißluft wird während dieser Betriebsphase über die Leitung 17 in die Atmosphäre
geführt. Ist die Regenerierung der Trockenmasse des Adsorbers 5 vollzogen, wird
Heizung 16 abgeschaltet und Kühlwasserablaufventil 12 geschlossen. Der Ventilator
bleibt bis zur genügenden Abkühlung des Adsorbers in Betrieb. Dann kann durch entsprechende
Ventileinstellung wieder auf automatischen Betrieb umgestellt werden.
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Mit 3 sind der Kühlwasserzulauf, mit 18, 19 und 20 die Kühlwasserabläufe,
mit 21 der Kondensatablauf und mit 22 die Trockenluftableitung in Fig. 1 be zeichnet.
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Der vollautomatische Betrieb einer Großtrockenanlage ist in Fig.
2 dargestellt. Die zu trocknende Luft passiert über die Leitung 2 den Wäscher 1.
Das Gas verläßt mit konstantem Feuchtigkeitsgehalt denselben. Im ersten Schaltprozeß
stehen die elektrischen Magnetventile wie folgt: Ventil »auf« »zu« 23 28 24 29 25
30 26 31 27 32 d. h., Adsorber 4 übernimmt den Trockenprozeß, und Adsorber 5 wird
regeneriert. Für den Regenerierungsprozeß ist Ventilator 15 und Heizung 16 in Betrieb.
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Die Heiß luft von Adsorber 5 wird über den Kondensator 6 geführt,
aus dem der Ventilator vorgewärmte Luft zur Einsparung der Regenerierungsenergle
absaugt. Das Kondensat läuft aus Leitung 21 ab.
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Die Abschaltung der Heizung 16 und des Ventilators 15 übernimmt nach
beendigter Regeneration das Kontaktthermometer 33. Dies ist auf eine max.
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Temperatur von etwa 1800 C eingestellt (Regenerie rungstemperatur)
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Ist Adsorber 4 mit Wasser bis zum Durchbruch be laden, so erfolgt
über eine Zeitschaltuhr die Umschaltung der Magnetventile: Ventil »auf« »zu« 28
23 29 24 30 25 31 26 32 27 Gleichzeitig geht Heizung 7 und Ventilator 15 in Betrieb.
Das Kontaktthermometer 34 übernimmt hier nach erfolgter Regenerierung des Adsorbers
4 die Abschaltung der Heizung und des Ventilators. Damit steht Adsorber 5 für die
Gastrocknung zur Verfügung, und Adsorber 4 wird regeneriert. Der Kühlwassereintritt
ist in Fig. 2 mit 3, die Kühlwasserabläufe mit
18, 19 und 20, die
Trockenluftableitung mit 22 bezeichnet.
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Die Regenerierungs- und Betriebszeiten werden möglichst so gelegt,
daß eine Abkühlung der Adsorbermasse des jeweils in Regenerierung gestandenen Filters
durch Wärmeaustausch mit der Luft möglich ist. An Stelle von Elektromagnetventilen
können auch hydraulisch oder pneumatisch gesteuerte Ventile treten.
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Die Vorgänge während der Wäsche sowie Kondensation lassen sich im
ix-Diagramm für feuchte Luft genau verfolgen. Das ix-Diagramm für feuchte Luft kennzeichnet
ein Diagramm für Enthalpie- und Wasserdampfgehalt, aus dem Be- und Entfeuchtungsvorgänge
berechnet oder verfolgt werden können (vgl.
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»Die Luft und die Trockenanlagen« von W. Mehl, Verlag Carl Marhold,
Berlin-Charlottenburg 9, 1953, S.40).
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zum Trocknen von Gasen mittels Adsorber,
dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Adsorptionsprozeß das zu trocknende Gas
durch unmittelbare Berührung mit Kühlwasser oder mit wäßrigen Kühlsolen von praktisch
konstanter Temperatur auf einen konstanten Feuchtigkeitsgrad bringt und daß man
die Regenerierung der Adsorber nach der für die Sättigung derselben vorausberechneten
Zeit durchführt.