DE19713531A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von Adsorptionstrocknern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Steuern von vorzugsweise kaltregenerierenden Adsorptionstrocknern.

Adsorptionstrockner dienen im allgemeinen dazu, Feuch­ tigkeit aus einem Gas, insbesondere einem komprimier­ ten Gas zu entfernen. Beispielsweise läßt sich Luft mit Taupunkten im Bereich des Gefrierpunktes von Was­ ser herstellen, wobei eine Taupunktreduzierung sogar bis zu Werten von ca. -100°C realisierbar ist.

Solche Adsorptionstrockner weisen zwei Behälter auf, in denen Trockenmittel beispielsweise in Form von Trockenbetten angeordnet sind. Die beiden Behälter sind durch Leitungen parallel miteinander und jeweils mit dem Einlaß des zu trocknenden Gases und dem Auslaß des getrockneten Gases verbunden; Ventile steuern den Strömungsweg des Gases. Die Steuerung übernimmt eine Steuereinheit.

Ein Behälter ist in die Strömung des zu trocknenden Gases geschaltet, in ihm wird mittels des sich im Behälter befindenden Trocknungsmittels das durchströ­ mende Gas getrocknet. In dieser Phase befindet sich der Behälter in der sogenannten Adsorptionsphase. Gleichzeitig strömt durch den anderen Behälter in ent­ gegengesetzter Richtung ein Teil des im Adsorptionsbe­ hälter getrockneten Gases, um das in der Phase zuvor als Adsorptionsmittel verwendete Trocknungsmittel zu trocknen und somit zu regenerieren bzw. zu desorbie­ ren. Der betreffende Behälter befindet sich dabei in der sogenannten Desorptionsphase. Wenn das Trocknungs­ mittel ohne Zufuhr von Wärmeenergie getrocknet wird, handelt es sich um eine sogenannte kalte Regenerie­ rung. Nach einer vorgegebenen, von der Belastung des Adsorptionstrockners abhängigen Zeitspanne ist es erforderlich, die Strömungswege umzuschalten, so daß sich der vormalige Adsorptionsbehälter in der Desorp­ tionsphase und der vormalige Desorptionsbehälter in der Adsorptionsphase befindet.

Ein wesentliches Kriterium bei dem zuvor beschriebenen Verfahrensablauf liegt darin, die Dauer der Desorp­ tionsphase auf ein Minimum zu begrenzen, um nicht ein bereits ausreichend getrocknetes Trocknungsmittel wei­ terhin mit trockenem Gas zu beaufschlagen. Da die Erzeugung des komprimierten Gases einen nicht unerheb­ lichen Energieaufwand erfordert und da weiterhin - wie beschrieben - das zur Regeneration bzw. Desorption des Trocknungsmittels verwendete Gas aus dem getrockneten, komprimierten Gasstrom abgezweigt wird, erfordert eine unnötig lange Beaufschlagung des Trocknungsmittels mit trockenem Gas einen unnötigen, mit Kosten verbundenen Energieaufwand.

Die bekannten Verfahren zum Steuern von Adsorptions­ trocknern verwenden verschiedene Methoden, um die Dauer der Desorptionsphase sowie der Adsorptionsphase und somit den Zeitpunkt zum Umschalten zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Zyklen zu bestim­ men.

Die deutsche Offenlegungsschrift 39 11 574 offenbart ein Verfahren zum Steuern von kaltregenerierenden Adsorptionstrocknern, bei dem die Adsorptionsphase auf eine vorgegebene Zeit festgelegt ist, während die Desorptionsphase eine variable Zeit dauert.

Dem Meßverfahren liegt der physikalische Effekt zugrunde, daß bei der Adsorption Energie, die soge­ nannte Adsorptionsenthalpie, frei wird, die zu einem Erwärmen des Trocknungsmittels führt. Dementsprechend wird bei der Desorption das Trocknungsmittel abge­ kühlt. Diese Temperaturveränderungen sind daher ein Maß für die Menge an adsorbierter bzw. desorbierter Feuchtigkeit und mittels Temperatursensoren meßbar. Die ermittelten Temperaturwerte werden bei dem bekann­ ten Verfahren folgendermaßen erfaßt und ausgewertet.

Jeder Behälter besitzt zwei Temperatursensoren, die jeweils stromab bezüglich der Richtung des momentan durchgeleiteten Gasstroms im Trockenmittel angeordnet sind. Vor und nach der Adsorptionsphase wird in dem entsprechenden Behälter vom stromab angeordneten Tem­ peratursensor eine Anfangs- und eine Endtemperatur gemessen. Dabei ist die Anfangstemperatur geringer als die Endtemperatur, da sich das Trockenmittel bei der Adsorption erwärmt. Die Differenz der beiden Tempera­ turwerte wird in der Steuereinheit mit einer Propor­ tionalitätskonstante verrechnet und das daraus gewon­ nene Steuersignal gespeichert. Die Größe der Propor­ tionalitätskonstante ist eine Funktion der Lage des Temperatursensors innerhalb des Behälters bzw. des Trocknungsmittels und des gewünschten Taupunktes des gereinigten Gases. Dieses Steuersignal entspricht somit einer bestimmten, im Trocknungsmittel gespei­ cherten Energiemenge, die wiederum ein Maß für die adsorbierte Feuchtigkeitsmenge darstellt.

Zu Beginn der sich anschließenden Desorptionsphase wird die Temperatur von dem anderen, nunmehr stromab gelegenen Temperatursensor gemessen und in der Steuer­ einheit gespeichert. Nach einer vorgegebenen Zeit­ spanne wird dann fortlaufend die aktuelle Temperatur gemessen. Diese ist in jedem Fall geringer als die Anfangstemperatur, da die Temperatur des Trocknungs­ mittels durch die fortschreitende Desorption abnimmt.

Aus der jeweiligen Differenz zwischen der Anfangstem­ peratur und den jeweils aktuellen Temperarturwerten in der Desorptionsphase werden Steuersignale gebildet, die mit dem in der vorausgegangenen Adsorptionsphase bestimmten Steuersignal verglichen werden. Wird von der Steuereinheit festgestellt, daß die Größe des Steuersignals aus der Desorptionsphase die Größe des Steuersignals aus der Adsorptionsphase überschreitet, wird die Desorptionsphase beendet und der entspre­ chende Behälter auf den für eine nachfolgende Adsorp­ tion erforderlichen Druck gebracht. Danach steht die­ ser Behälter für ein erneutes Umschalten der Strö­ mungswege wieder bereit. Nach Ablauf der in jedem Fall länger dauernden Adsorptionsphase werden dann durch die Steuereinheit die Strömungswege umgekehrt.

Die Temperaturmessung nahe der jeweiligen Auslaßöff­ nung macht deutlich, daß die Temperaturdifferenzen als Maß für die gesamte im Behälter umgesetzte Adsorpti­ onsenergie gedeutet wird (integrales Meßprinzip).

Ein Nachteil des bekannten Verfahrens liegt darin, daß durch die Temperarturerfassung in der Adsorptionsphase für die Bestimmung des Steuersignals eine komplexe und vor allem fehlerbehaftete Auswertung der Meßdaten erforderlich ist, die in starkem Maße von der Tempera­ tur, dem Druck und dem Volumenstrom des zu trocknenden Gases beeinflußt wird. Weiterhin ist die Verwendung eines Proportionalitätsfaktors erforderlich, der für bestimmte Belastungszustände und Anforderungen an den Adsorptionstrockner unterschiedliche Werte annimmt und außerdem von der relativen Anordnung der Temperatur­ sensoren zueinander im Bett abhängig ist. Dadurch sind insgesamt Sicherheitszuschläge bei der Bewertung der Meßergebnisse notwendig, die einen Teil des Einsparpo­ tentials deutlich reduzieren und somit kontraproduktiv sind.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine genauere und zuverläs­ sigere Bestimmung der Dauer der Desorptionsphase ohne eine Temperaturbestimmung in der vorangegangenen Adsorptionsphase erlaubt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfah­ ren gelöst, bei dem während der Desorptionsphase mit Hilfe eines stromab im Gasstrom bzw. im Trockenmittel angeordneten Temperatursensors die Temperatur des Trocknungsmittels gemessen, Temperaturwerte T_n erzeugt, zu einer Steuerungseinheit übertragen, mit Hilfe der Steuereinheit Differenzwerte jeweils zweier aufeinanderfolgender Temperaturwerte (T_n-T_n-1) gebil­ det und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, bei dem dann, wenn der Differenzwert (T_n-T_n-1) kleiner als der vorgegebene Grenzwert ist, die Desorp­ tionsphase beendet wird.

Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß die Tem­ peratur des Trocknungsmittels während der Desorp­ tionsphase stetig abnimmt und sich mit der Zeit asym­ ptotisch einem unteren Wert annähert, da ab einem bestimmten Trockenheitsgrad des Trocknungsmittels keine weitere Feuchtigkeit abgegeben wird. Der Tempe­ raturverlauf flacht daher während der Desorptionsphase immer mehr ab, so daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Temperaturwerte eine abnehmende Differenz ergeben. Diese Differenz wird schließlich kleiner als ein vor­ gegebener Wert, so daß damit ein ausreichender Trocknungsgrad des Trockenmittels charakterisiert wird. Ab diesem Zeitpunkt ist ein weiteres Durchleiten von trockenem Gas nicht mehr sinnvoll, so daß die Desorptionsphase abgeschlossen wird.

Demgemäß kennzeichnet die Temperaturdifferenz in Ver­ bindung mit der Meßfrequenz die Steigung des Tempera­ turprofiles im regenerierenden Behälter. Ist die Stei­ gung kleiner als ein festgelegtes Grenzkriterium, so wird die Desorption beendet (differentielles Meßprin­ zip).

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Erfassen der Temperaturänderung ausschließlich in der Desorptionsphase genauer ist, weil das Regenerationsgas einen konstanten Druck, einen konstanten Volumenstrom und eine Temperatur auf­ weist, die nahezu unabhängig von der Temperatur des Hauptgasstromes ist. Die Trocknung und somit die Ab­ kühlung des Trocknungsmittels verläuft wegen der kon­ stanten Gasstrombedingungen daher sehr gleichmäßig und ermöglicht somit eine erheblich genauere Meßwerterfas­ sung als bei dem bekannten Verfahren beim Messen der Temperaturdifferenz in der Adsorptionsphase, so daß kleinere Sicherheitszuschläge angesetzt werden und die Desorptionsphase auf ein Minimum begrenzt wird.

Wird der Adsorptionstrockner anfänglich in Betrieb gesetzt, so sind weiterhin in vorteilhafter Weise keine besonderen Vorkehrungen wie bei dem bekannten Verfahren notwendig, um die Adsorptions- und die Desorptionsphase zu steuern. Der Behälter, der als erster in die Desorptionsphase tritt, enthält in der Regel ein nur in geringem Maße beladenes Trocknungs­ mittel, so daß aufgrund des erfindungsgemäßen Verfah­ rens die anfängliche Desorptionsphase entsprechend kurz ist und sich dieser Behälter schon nach kurzer Zeit wieder im betriebsfertigen Zustand befindet, d. h. unter einem entsprechenden Druck steht.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens weist im Gegensatz zum Stand der Technik in jedem Behälter nur einen Tempera­ tursensor auf, da die Temperatur des durchströmenden Gases nur während der Desorptionsphase gemessen wird, nicht dagegen während der Adsorptionsphase. In vor­ teilhafter Weise werden somit die Vorrichtung und auch die Auswertung durch die Steuereinheit vereinfacht.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs des näheren erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der erfindungsgemäße Adsorptionstrockner gleicht in seiner Grundstruktur dem aus der deutschen Offenle­ gungsschrift 39 11 574 bekannten Adsorptionstrockner. Er besteht aus zwei jeweils mit einem schematisch dar­ gestellten Trocknungsmittel 1, 2 versehenen Behältern 3, 4. Die Behälter 3, 4 sind weiterhin mit Rohrleitungen verbunden, um jeden der Behälter 3, 4 abwechselnd im Adsorptions- und im Desorptionsbetrieb zu betreiben.

Die Behälter 3, 4 sind über eine Leitung 5 mit einem Druckgaseinlaß 6 verbunden. Ventile 7, 8 steuern die Druckgasströmung so, daß der Druckgasstrom entweder in den Behälter 3 oder den Behälter 4 fließt. In der Lei­ tung 5 ist zwischen dem Behälter 3 und dem Ventil 7 ein Reinigungsventil 9 sowie zwischen dem Behälter 4 und dem Ventil 8 ein Reinigungsventil 10 angeordnet, welche die Leitung 5 mit Auslässen 11, 12 verbinden. Über Verbindungen 13, 14 strömt das zu trocknende Gas je nach Schaltung der Ventile 7, 8 in den Behälter 3 oder den Behälter 4.

Die oberen Enden der Behälter 3, 4 sind über Verbin­ dungen 15, 16 und eine Leitung 17 mit einem Auslaß 18 verbunden, durch den das getrocknete Gas austritt. Einander entgegengeschaltete Rückschlagventile 19, 20 sind in der Leitung 17 zwischen den Verbindungen 15, 16 und dem Auslaß 18 angeordnet, um die Strömung des Druckgases von den Behältern 3, 4 zum Auslaß zu steu­ ern. Eine Leitung 21 ist parallel zur Leitung 17 ge­ schaltet und weist weitere Rückschlagventile 22, 23 auf. Die Leitung 21 ist über eine weitere Leitung 24 mit dem Auslaß 18 an einer Stelle zwischen den Rück­ schlagventilen 19 und 20 verbunden, und in der Leitung 24 ist eine Drossel 25 angeordnet.

In den Behältern 3, 4 ist jeweils nur ein Temperatur­ sensor 26, 27 so angeordnet, daß die Temperatur des Trocknungsmittels in der Nähe der Verbindung 13, 14 erfaßt wird. Über Signalleitungen 28, 29 werden die von den Temperatursensoren erfaßten Meßsignale auf eine Steuereinheit 30 übertragen, welche die Auswertung der Temperaturmeßwerte durchführt. Die Steuereinheit 30 öffnet und schließt in Abhängigkeit von den Tempe­ ratursignalen und der Dauer der jeweiligen Adsorpti­ onsphase über Signalleitungen 31 die Ventile 7, 8 und die Reinigungsventile 9, 10.

Zum Beginn einer neuen Phase, bei welcher der Behälter 3 in die Adsorptionsphase und der Behälter 4 in die Desorptionsphase tritt, werden von der Steuereinheit 30 die Ventile 7, 8 und die Reinigungsventile 9, 10 so gesteuert, daß das Ventil 7 und das Reinigungsventil 10 geöffnet, das Ventil 8 und das Reinigungsventil 9 geschlossen sind. Damit fließt der Gasstrom ausgehend vom Druckgaseinlaß 6 durch die Leitung 5 und die Verbindung 13 in den Behälter 3, um dort während des Durchströmens vom Trocknungsmittel 1 getrocknet zu werden. Dabei adsorbiert das Trocknungsmittel die Feuchtigkeit des Gases. Anschließend verläßt das getrocknete Gas über die Verbindung 15 den Behälter 3 und fließt durch die Leitung 17 zum Auslaß 18. Der Druck des Gases reicht aus, um das Rückschlagventil 19 zu öffnen und das Rückschlagventil 20 zu schließen.

Gleichzeitig fließt über die Leitungen 21, 24 ein durch die Drossel 25 auf einen Teil des Druckes des Gasstro­ mes in der Leitung 17 reduzierter Gasstrom zum Behäl­ ter 4. Dabei reicht der Gasdruck nicht aus, das Rück­ schlagventil 22 gegen den Druck des getrockneten Gases zu öffnen, jedoch reicht der Druck aus, um das Rück­ schlagventil 23 zu öffnen. Der so erzeugte Strom trocke­ nen Gases durch den Behälter 4 dient der Regenera­ tion des Trocknungsmittels 2, die im Trocknungsmittel gespeicherte Feuchtigkeit wird desorbiert und vom Gas­ strom aus dem Behälter 4 über das Reinigungsventil 10 zum Auslaß 12 geleitet.

Während der Desorptionsphase wird vom Temperatursensor 27 in regelmäßigen Abständen die Temperatur im Trocknungsmittel 2 gemessen und ein entsprechendes Meßwertsignal T_n über eine Signalleitung 29 auf die Steuereinheit 30 übertragen und dort zwischengespei­ chert. Zur Auswertung bildet die Steuereinheit 30 die Differenz zwischen dem aktuellen Meßwert T_n und dem vorangegangenen Meßwert T_n-1 und vergleicht diese Dif­ ferenz mit einem vorgegebenen Grenzwert.

Solange der Grenzwert nicht unterschritten ist, wartet die Steuereinheit 30 auf den nächsten Meßwert T_n+1 vom Temperatursensor 27. Wird jedoch der Grenzwert unterschritten ist das Trocknungsmittel ausreichend getrocknet, womit die Desorptionsphase im Behälter 4 abgeschlossen ist. Dazu wird das Reinigungsmittel 10 von der Steuereinheit geschlossen, so daß sich nach­ folgend im Behälter 4 ein Gasdruck aufbaut, der nach einer bestimmten Zeit dem Druck im Behälter 3 ent­ spricht.

Der Gasstrom zur Desorption im Behälter 4 wird so ein­ gestellt, daß auch bei maximaler Belastung des Ad­ sorptionstrockners eine ausreichende Trocknung des Trocknungsmittels gewährleistet ist und die Desorpti­ onsphase nicht zu lange dauert. Als Schutz vor einer unregelmäßigen Betriebsweise kann die Desorptionsphase unabhängig vom Wert der aktuellen Differenz T_n-T_n-1 beendet werden, um vor dem Ablauf der vorgegebenen Adsorptionszeit einen genügenden Druck im Behälter 4 aufzubauen.

Nach Ablauf der vorgegebenen Adsorptionszeit werden die Ventile 7, 8 sowie das Reinigungsventil 9 von der Steuereinheit 30 umgeschaltet, so daß alsdann der Be­ hälter 3 in die Desorptionsphase und der Behälter 4 in die Adsorptionsphase eintritt. Das zuvor beschriebene Verfahren läuft dann aufgrund des symmetrischen Auf­ baus mit umgekehrter Rollenverteilung ab.

Claims (4)

1. Verfahren zum Steuern von Adsorptionstrocknern, bei dem

• - während einer Adsorptionsphase das zu trocknen­ de Gas durch ein in einem Behälter (3) angeord­ netes Trockenmittel (1) geleitet wird und
• - gleichzeitig während einer Desorptionsphase ein Teil des getrockneten Gases als Desorptionsgas durch ein in einem anderen Behälter (4) befind­ liches Trocknungsmittel (2) strömt,
• - während der Desorptionsphase ein stromab im Desorptionsgasstrom angeordneter Temperatursen­ sor Temperaturwerte T_n zu einer Steuerungsein­ heit (30) überträgt,
• - mit Hilfe der Steuereinheit Differenzwerte jeweils zweier aufeinanderfolgender Temperatur­ werte (T_n-T_n-1) gebildet und mit einem vorgege­ benen Grenzwert verglichen werden sowie
• - dann, wenn der Differenzwert (T_n-T_n-1) kleiner als der vorgegebene Grenzwert ist, die Desorp­ tionsphase beendet wird und
• - die Strömungswege nach Beendigung des zeitlich konstanten Adsorptionszyklus umgekehrt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Ende der Desorptionsphase und vor dem Umschalten der Strömungswege der Behälter (4) mit dem desorbier­ ten Trocknungsmittel (2) auf den für eine nachfol­ gende Adsorption erforderlichen Druck gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nach einer vorgegebenen Adsorptionszeit die Adsorpti­ onsphase beendet wird, die Strömungswege umgekehrt werden und die Adsorptionszeit länger als eine maximale Desorptionszeit ist.

4. Adsorptionstrockner mit

• - zwei jeweils ein Trocknungsmittel (1, 2) enthal­ tenden Behältern (3, 4),
• - einem Leitungen (5, 17, 21) und Ventile (7, 8, 9, 10, 19, 20, 22, 23, 24) aufweisenden Gaslei­ tungssystem,
• - einer Steuereinheit (30) zur Steuerung der Ven­ tile (7, 8, 9, 10) sowie
• - je einen Temperatursensor (26, 27) in jedem Behälter (3, 4).