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Verfahren und Vorrichtung zur Adsorption von Molekülen aus Gasen
Die Erfindung betrifft ein Venfahren zur Adsorpt-ion von 0 -lekülen aus Gasen, insbesondere
von Wasserdampf aus Luft, in mit einem Adsorptionsmittel gefüllten Kammern, die
ab wechselnd von dem zu trocknenden Gas und von erhitzter Luft zur Regeneration
(Regenerationsluft) durchströmt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Adsorptionsvorrichtungen, in denen Moleküle aus Gasen adsorbiert werden,
wie z.B. Wasserdampf aus Luft, arbeitlen jeweils mit einem Adsorptionsmittel, das
je nach dem zu adsorbierenden Medium und der Temperatur, bei der die Adsorption
stattfindlen soll, ausgewählt wird. Übliche Adsorptionsmittel sind z.B. Silikagel
und Molekularsiebe. Die Adsorptionsfähigkeit dieser Mittel ist in Abhängigkeit von
r er iem peratur unterschiedlich: währe-nd sie bei Raumtemperatur nooj angenähert
die gleiche Adsorptionsfähigkeit für Wasserdampf aufweisen, kann Silikagel bei beispielsweise
1000 a nur 2 ß seines Gewichts an Wasser adsorbieren, während das Molekularsieb
noch etwa 14 % adsorbiert. Das bedeutet, daß bei
höherer Temperatur
nur noch das Molekularsieb eingesetzt werden kann, das abet sehr viel teurer als
Silikagel ist.
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Dieser Fall tri- @ häufig in der Kunststoffindustrie auf, da hier
Kunststoffgranulate bei Temperaturen von ca. 80 bis 1200 C getrocknet werden sollen
und der von dem Trockentrichter zurückkomrmende Luftstrom häufig eine Temperatur
von ca.
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60 bis 1000 C haben kann. Da gerade die vom Trichter mit niedriger
Temperatur zurückkommende Luft noch relativ viel Feuchtigkeit mi@bringt, sollte
die Adsorptionsfähigkeit in diesem Tempera @r@ereich möglichst hoch sein.
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Aufgabe der Erfindung ist, es dc?her, ein Adsorptionsverfahren er
cin@angs geaannten Art so auszubilden, daß bei einem sich über eine @rö@eren Tempersturbereich
erstreckenden Adsorptionsvorgang die Adsorptionsleistung im unteren Temperaturbereich
erhoht und @amit die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.
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Diese Aufgabe @i@d erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gas durch
minaestens zwei Adsorptionsmittel geleitet wird, die sich in ih@e@ @@s@rptionsfähigkeit
in Abhängigkeit von der Temperat@@@@@ters @iedlich verhalten. Dadurch ist es möglich,
die Meage was@enigen Adsorptionsmittels, das auch bei höheren Temperatur noch eine
gute Adsorptionsfähigkeit hat, so zu w@@@@@, @@@ eine ausreichende Adsorptionsleistung
bei höherer TEmper@ @u@ sichergestellt ist. Durch die Verwendung eines weiteren
Adsorptionsmittels, das beispielsweise nur im @@@erer @empe@aturbereich voll wirksam,
dafür aber billige@@@@t @@ @c@ mag eine Steigerung der Gesamtadsorptionsl@@@@@@@@@@@en
Temperaturbereich.
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in vi-<tt-O-C?L) q: L; St vorgeschen, daß die unterschiedliche@@@@@@@@@
@@@@@t@ miteinander vermischt sind.
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DEr @auaufw@@ @ie@@@@ is gening und entspricht dem bei Verwend@ng
ein@@ @@@@@@@ Adserptionsmittels. Es ist aber auch
möglich, die
unterschiedlichen Adsorptionsmittel getrennt voneinander und in Strömungsrichtung
hintereinander anzuordnen und von dem zu trocknenden Gas in der einen Richtung,
von der Regenerationsluft in entgegengesetzter Richtung durchströmen zu lassen.
Hierbei sind de e unterschiedlichen Adsorptionsmittel so angeordnet, daß das zu
trocknende Gas zuerst das Adsorptionsmittel durchströmt, welches nur im unteren
Temperaturbereich eine hohe Adsorptionsfähigkeit aufweist, und anschließend dann
das Adsorptionsmittel, welches auch im oberen Temperaturbereich noch ein' gute Adsorptionsfähigkeit
hat.
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Auch bei dieser Anordnung ist die Adsorptionsfähigkeit im unteren
Temperaturbereich erhöht. - Beim Regenerationsvorgang muß nicht mehr die gesamte
Menge des Adsort£L-ionsmittels aui die hohe Regenerationstemperatur gebracht werden,
sondern es genügt, daß die Regenerationsluf-t nur das zuerst durchströmte Adsorptionsmittel
auf diese Temperatur bringt. Die aus diesem Adsorptionsmittel austretende Regenerationsluft
hat noch eine ausreichend hohe Temperatur, um das andere, nur bei geringerer Temperatur
wirksame Adsorptionsmittel zu regenerieren.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei unterschiedliche
Adsorptionsmittel getrennt voneinander angeodnet sind derart, daß eines von ihnen
von dem zu trocknenden GAs und der Regenerationsluft, das andere nur von der Regenerationsluft
durchströmt wird. Damit erreicht man, daß bei einem Verfahrensablauf bei dem dic
Regenerationsluft durch angesaugte Raumluft ersetzt wird die angesaugte Raumluft
getrocknet wird, bevor sie mit dem zu trocknenden GAs gemischt wird. Dies wird dadurch
erzielt, daß die Raumluft von zwar relativ niedriger Temperatur, aber häufig mit
einer verhältnismäßig hohen Feuchtigkeit zunächst über ein Adsorptionsmittel geführt
wird, dessen Adsorptionsfähigkeit auf den unteren TEmperaturbereich beschränkt ist
und das entsprechend billig ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
der zuletzt genannten ärt geht vorteilhaft aus von
einer Vorrichtung
mit mindestens zwei mit Adsorptionsmitteln gefüllten Kammern, die durch Ventile
oder durch Schiebersteuerungen abwechselnd bzw. zyklisch nacheinander auf einen
Adsorptionskreislauf und auf einen zur Umgebungsluft offenen Regenerationskreislauf
geschaltet werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Regenerationskreislauf
aus dem Adsorptionskreislauf abzweigt, daß in ihm eine Wärmequelle (Heizung) liegt,
und daß die Kammern mit dem bei höheren Temperaturen wirksamen Adsorptionsmittel
gefüllt sind und in den Anschlüssen dieser Kammern an die Außenluft mit dem bei
niedrigeren Temperaturen wirksamen Adsorptionsmittel gefüllte Kammern angeordnet
sind, Während bei derartigen Vorrichtungen üblicherweise das gesamte Adsorptionsmittel
auch die angesaugte Raumluft trocknen und deshalb in entsprechend großer Menge vorgesehen
werden muß, erreicht man durch die Anordnung der Kammern mit dem bei niedrigeren
Temperaturen wirksamen Adsorptionsmittel, daß das auch bei höherer Temperatur wirksame
teurere Adsorptionsmittel in geringerer Menge verwendet werden kann.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden
Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 in einem Diagramm die unterschiedliche Adsorptionsfähigkeit
zweier Adsorptionsmittel in Abhängigkeit von der Temperatur; Fig. 2 eine bekannte
Vorrichtung zur Durchführung des Adsorptionsverfahrens mit einem einzigen Adsorptionsmittel;
Fig. 3 eine Adsorptionskammer zur Verwendung bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung
mit zwei gemischten Adsorptionsmitteln; Fig. 4 eine andere Anordnung zweier Adsorptionsmittel
in Adsorptionskammern zur Verwendung bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung; Fig.
5 eine bekannte Adsorptionsvorrichtung mit nur einem Gebläse;
Fig.
6 eine gegenüber der Vorrichtung nach Fig. 5 erfindungsgemäß abgewandelte Vorrichtung
mit zusätzlichen Adsorptionskammern und Fig. 7 eine gegenüber der Ausführung nach
Fig. 6 abgewandelte Ausführungsform der Adsorptionskammern.
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In i. 1 ist die Adsorptionsfähigkeit als Gewicht des adsortierten
Wassers, bezogen auf das Adsorptionsmittelgewicht in Prozent, über der Temperatur
für die Adsorptionsmittel Silikagel (SG) und Molekularsieb (MS) aufgetragen. Man
er-Kennt, daß bei Temperaturen von ungefähr 40° C beide Adsorptionsmittel über 20
ß des eigenen Gewichtes an Wasser adsorbieren können. Bei einer Temperatur von 1000
C adsorbiert das Molekularsieb noch etwa 14 %, während Silikagel nur noch 2 ß adsorbieren
kann. Das bedeutet, daß man zum Trocknen von Luft von 1000 C oder mehr nur Molekularsiebe
als Adsorptionsmittel einsetzen kann.
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zwei 2 zeigt eine übliche Trockenvorrichtung, in der das Ad sorptionsmittel
in zwei Adsorptionsbehältern angeordnet ist, die abwechselnd in den Trockenluftkreislauf
bzw. in den Regenerationskreislauf über Wechselventile eingeschaltet werden. Ein
Geblase 1 saugt über einen Filter 2 die zu trocknende Luft z.B. aus einem Granulattrichter
einer Kunststoffverarbeitungsmaschine ab. Es drückt die Luft über ein Wechselventil
3 in einen in dem Molekularsieb (MS) gefüllten Behälter 5, vo die Luft durch Adsorption
von der Feuchtigkeit befreit wird. Die Luft strömt dann weiter über ein Wechselventil
4 und die Heizung 7 zurück zum Granulattrichter, der in der Zeichnung nicht dargestellt
ist.
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Gleichzeitig saugt ein Geblase 8 er ein Filter 9 Luft aus der Umgebung
an und drückt diese durch eine Heizung 10, wo sie auf die Regenerationstemperatur
von z.B. 2000 C
aufgeheizt wird. Die Luft strömt dann weiter über
das Wechselventil 4 durch einen mit einem Molekularsieb als Adsortionsmittel gefüllten
Behälter 6. Mier nimmt die hocherhitzte Luft die Feuchtigkeit aus dem Adsorptionsmittel
mit und befördert diese über das Wechselventil und einen Rohrstuezen 11 wieder nach
außen, beispielsweise in den Arbeitsraum.
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Somit wird das Adsorptionsmittel in dem Ehälter G getrocknet. Sobald
der Regenerationsvorgang des Adsorptionsmittels in dem Trockenmittelbehälter 6 abgeschlossen
ist, z.B. nach etwa einer halben Stunde, schalten die beiden Wechselventile 3 und
4 um, so daß nunmehr der Behälter 9 regeneriert wird, wärhrend das Adsorptionsmittel
in dem Behälter 6 die Trocknung des zu trocknenden Luftstromes übernimmt.
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Bei einer Temperatur von unter 60° C könnte man als Adsorptionsmittel
Silikagel (SG) einsetzen, das wesentlich billger als das Molekularsieb ist und bei
diesen niedrigen Temperaturen noch gute Adsorptionsleistungen zeigt. Hat der Luftstrom
des Trockners jedocn eine Temperatur von über 60° C, so ist man gezwungen, ein Molekularsieb
als Adsorptionsmittel einzusetzen, trotz der höheren Kosten dieses Nittels.
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Dies ist beispielsweise in der Kunststoffindustrie der Fall, wo Kunststoffgranulate
bei Temperaturen zwischen 80 und 1200 C getrocknet werden müssen, wenrend der von
dem Trocken-trichter zurückkommende Luftstrom häufig eine Temperatur von zwischen
60 und 1000 C haben kann.
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Fig. 2 zeigt schematisch die Rillung der Behälter 5 und 6 mit einer
Mischung der Adsorptionsmittel Silikagel und I-olekularsieb. Wenn ein Luftstrom
von über etwa 600 C zu trocknen ist, ist nur das Molekularsieb als Adsorptionsmittel
wirksam. Wenn jedoch die Temperatur des zu trocknenden Luftstroms unter GO0 C abfallt,
wird zusätzlich auch das Siiikagel adsorbieren, so daß die Adsorptionskapazität
der Vorrichtung steigt.
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Dieser Fall tritt; in der Kunststoffindustrie beistielsweise ein,
wenn die Trockenvorrichtung an einen frisch mit Kunststoffgranulat gefüllten Trichter
einer Kunststoffverarbeitungsmaschine angeschlossen, wird. Dann hat während einer
lasleren Anlauf zeit von einigen Stunden die vom Trichter zurückkommende Luft noch
eine sehr niedrige Temperatur, die praktisch der Granulattemperatur, also etwa der
Raumtemperatur entspricht Gerade in diesem Anlauf stadium bringt diese luft Jedoch
relativ viel Feuchtigkeit mit. Es wirkt sich daher außerordentlich günstig aus,
daß w.shrend eines solchen Anlauf stadiums die Wasseradsorptionskapazität des Trockenapparates
erhöht ist. Wenn sich nach einiger Zeit das Kunststoffgranulat erwärmt, steigt die
Temperatur des zu trocknenden Luftstromes an; oberhalb von ungefähr 600 C adsorbiert
dann nur noch das Molekularsieb. Dabei ist die Wasseradsorptionskapazität der Vorrichtung
zwar herabgesetzt; die kann aber in auf genommen werden, da der wärmere luftstrom
auch nur noch weniger Feuchtigkeit mitführt.
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Durch die Zumischung des verhältnismäßig billigen Silikagels tritt
eine Kapazitätserhöhung des Trockners gerade in dem unteren Temperaturbereich ein,
in dem eine höhere Feuchtigkeitsmenge adsorbiert werden muß.
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Bild 4 zeigt die getrennte Anordnung von Silikagel und Molekularsieb
in den Behalten 5 und 6. Rechts ist die Strömungsrichtung beim Trocknungsvorgang
dargestellt. Die luft durchströmt zuerst das Silikagel und dann das Molekularsieb.
Bei der-links dargestellten Strömungsrichtung beim Regenerationsvorrang wird zuerst
das Molekularsieb und dann das Silikagel durchströmt. :3eim Adsorptionsvorgang,
beispielsweise der Trocknung von Luft, wirkt das Silikagel in gleicher Weise wie
bei der Diischung -der beiden Adsorptionsmittel (Fig. 3), indem es die Adsorptionskapazität
im unteren Temperaturbereich erhöht. Beim Regenerationsvorgang ist es jedoch nicht
mehr
erforderlich, die gesamte Mischung von Molekularsieb und Silikagel auf die verh{$ltnism{t'ßig
hohe Re??enerationstemperatur von ungefähr 2000 C zu bringen, sondern es genügt,
daß die Regenerationsltlqt nur das zuerst durchströmte Slolekularsieb auf diese
Temperatur bringt. Die aus dem b'oleLularsieb austretende und in das Silikagel eintretende
Regencrationsluft hat noch einen hinreichend hohen Wärmeinhalt, um das Silikagel
auf eine Temperatur von etwa 1000 C zu bringen. Dies genügt aber völlig, um das
Silikagel zu regenerieren. kan braucht somit zum Regenerieren des Silikagels keinen
zuscitzlichen Wärmeaufwand, sondern regeneriert es praktisch mit der VerlustwWirme
der Luft, die aus dem Molekularsieb austritt.
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Bild 5 zeigt eine gegenüber der Vorrichtung nach Bild 2 abgewandelte
Ausführungsform einer bekannten Trockenvorrichtung. Hier wird nur ein Gebläse 101
verwendet. Es saugt die feuchte, zu trocknende Luft über ein Filter 102 und ein
llZechselventil 103 durch einen Adsorptionsmittelbehälter 5, wo die Luft getrocknet
wird. Die luft strömt dann weiter über ein Wechselventil 104 durch das Gebläse 101
und eine Heizung 107 und kehrt von hier aus zurück zum Verbraucher, beispielsweise
einem nicht dargestellten Granulattrichter einer Kunststoffverarbeitungsmaschine.
Der aus dem Gebläse 101 kommende Trockenluftstrom wird hinter dem Gebläse geteilt,
so daß ein Teilstrom in einer Heizung 110 auf Regenerationstemperatur erhitzt werden
kann. Diese erhitzte Luft strömt über das Wechselventil 104 durch das Adsorptionsmittel
in einem Behälter 106, regeneriert dieses und strömt von hier aus, die Feuchtigkeit
mitnehmend, über das Wechselventil 103 und einen Rohrstutzen 111 in die Umgebung
ab. Die hier abströmende Luftmenge geht dem im übrigen völlig geschlossenen Trockenkreislauf
verloren. Sie muß laufend ersetzt werden, was automatisch über einen zur Umgebung
offenen Rohrstutzen 116 geschieht, der vor dem Filter 102 in den Kreislauf mündet.
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Das Umschalten der beiden mit Adsorptionsmitteln gefüllten Behälter
105 und 106 geschieht durch gleichzeitiges umstellen der Wechselventile 103 und
104.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die durch den Rohrstutzen
116 angesaugte Raumluft eine zusätzliche große Feuchtigkeitsmenge in den Kreislauf
einführt und somit das Adsorptionsmittel in dem Behälter 105 bei höherer Temperatur
beispielsweise ein Molekularsieb, zusätzlich belastet. An Tagen mit einer großen
Raumfeuchte kann das Adsorptionsmittel durch die Raumfeuchte so stark belastet werden,
daß das zu trocknende Gas nicht mehr einwandfrei getrocknet werden kann. Eine gewisse
Abhilfe hiergegen kann man zwar schaffen, indem man eine verhältnismäßig große Menge
des Nolekularsiebs in den Behältern 105 und 106 vorsieht. Diese Vergrößerung hat
jedoch zur Folge, daß man auch die Regenerationsluftmenge vergrößern muß und. damit
wiederum die Menge der angesaugten Raumluft, die ihrerseits wieder zusätzliche Feuchtigkeit
einbringt. Diese Anordnung hat somit zwar den Vorteil, daß man nur ein Gebläse 101
verwenden nuß, aber den Nachteil, daß bei hohen Raumfeuchten ein einwandfreies Urocknen
des zu trocknenden Gases nicht sicher ist.
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Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung der Vorrichtung
gemäß Fig. 5 wobei die genannten Nachteile uberwunden werden. Den Ädsorptionsbehältern
oder Adsortionskammern 105 und 106, die ein Molekularsieb enthalten, ist jeweils
eine weitere Adsorptionskammer 112 bzw. 113 zugeordnet, die mit Silikagel als Adsorptionsmittel
gefüllt ist. Das Gebläse 101 saugt die vom Verbraucher kommende feuchte luft über
das Filter 102, das Wechselventil 103 und den mit einem Molekularsieb gefüllten
Adsorptionsmittelbehälter 105 und das Wechselventil 104 an und drückt sie über die
Heizung 107 wieder zurück zum Verbraucher. Auch hier zweigt hinter dem Gebläse 101
ein Teil des Trockenluftstromes ab und wird über
die Heizung 110
geführt und auf Regenerationstemperatur, z.
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B. 2000 C erhitzt. Die heiße Luft strömt dann über das Wechselventil
104 durch den zweiten mit einem Molekularsieb gefüllten Behälter 106 und regeneriert
hierdurch das in dem Behälter enthaltene Adsorptionsmittel.
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Da die mit Feuchtigkeit beladene Luft über das Wechselventil 103 nun
nicht abströmen kann, wird sie durch die zusätzliche Adsorptionskammer 113, die
mit Silikagel gefüllt ist, geführt, und verläßt diese durch den Rohrstutzen 115
in den Raum. Die aus dem Molekalarsieb austretende Regenerationsluft ist warm genug,
um d Silikagel ebenfalls zu regenerieren. Die hierdurch dem geschlossenen Trockenluftkreislauf
verlorengehenr1,e Luft wird automatisch über einen Rohrstutzen 114 über den ebenfalls
mit Silikagel gefüllten Trokkenmittelbehälter 112 angesaugt. Die so angesaugte Raumluft
belastet nunmehr den Trockenkreislauf nicht, da sie durch das Silikagel bereits
getrocknet wurde. Daher kann im Vergleich zu der bekannten Vorrichtung gemäß Fig.
5 die Menge des Nolekularsiebs in den Adsorptionskammern 105 und 106 wesentlich
kleiner gehalten werden. Trotz dieser verkleinerten Molekularsiebmenge ist die Trockenleistung
des Trockners unabhängig von der Raumfeuchte, da diese voll in dem Silikagel adsorbiert
wird. Die Regeneration des Silikagels in den zusätzlichen Adsorptionskammern 112
und 113 erfolgt ohne besonderen Aufwand durch dic Verlustwärme des aus dem Molekularsieb
austretenden Regenerationsluftstromes. Es ist also im Gegensatz zu der Anordnung
gemäß Fig. 5 keine Vergrößerung der Regenerationsluftmenge nötig, so daß der Trockner
auch nicht durch eine vergrößerte, aus dem Raum angesaugte Luftmenge und die in
ihr enthalteien Feuchtigkeit zusätzlich belastet wird.
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Fig. 7 zeigt eine sorteilhafte Abwandlung gegenüber der in Fig. 6
gezeigten Ausführungsform. Dabei entfallen die gesonderten Adsorptionsbeh-"Iiter
112 und 113 für das Silikagel;
statt dessen ist das Molekularsieb
und das Silikagel in einem gemeinsamen Adsorptionsbehälter mit Abstand zueinander
untergebracht. Die von dem Wechselventil 103 kommende Rohrleitung mündet dabei zwischen
den beiden Adsorptionsmitteln in den Behälter 205, während die von der Umgebung
herkommende Leitung 114 so in den Behälter mündet, daß die Umgebungsluft nur durch
das Silikagel geleitet wird.
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Die Erfindung wurde anhand der beiden Adsorptionsmittel Silikagel
und Molekularsieb beschrieben. Es versteht sich, daß auch andere Adsorptionsmittel
verwendet werden können, die sich hinsichtlich ihres Adsorptionsverhaltens in Abhängigkeit
von der Temperatur voneinander unterscheiden. Es kann auch zweckmäßig sein, mehr
als zwei Adsorptionsmittel zu benutzen. Zur Erläuterung der Erfindung wurde nur
das Anwendungsbeispiel der Trocknung von Luft geschildert. Die Er£>ndung läßt
sich ebenso vorteilhaft aber auch bei anderen Adsorptionsvorgängen anwenden, die
sich ebenfalls in einem gros ßeren Temperaturbereich abspielen.