DE3702845A1 - Vorrichtung und verfahren zum trocknen von gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trocknen von Gasen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Pa­ tentanspruches 1 bzw. 3.

Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind aus der DE-PS 28 03 038 bekannt. Dort sind zwei jeweils mit einem Adsorp­ tionsmittel gefüllte Adsorptionskammern vorgesehen, die abwech­ selnd wahlweise in einer Adsorptionsphase, einer Regenerations­ phase und einer Kühlphase betrieben werden. Die Funktion der beiden Adsorptionskammern wird zyklisch vertauscht.

In der Regenerationsphase wird ein heißer, komprimierter Gas­ strom aus einem Verdichter (Kompressor) in diejenige Adsorp­ tionskammer geleitet, deren Adsorptionsmittel zuvor in der Ad­ sorptionsphase mit Feuchtigkeit beladen worden ist. Der heiße, komprimierte Gasstrom ist bezüglich der aus dem Adsorptionsmit­ tel zu entfernenden Feuchtigkeit (beispielsweise Wasser) unter­ sättigt, so daß er unter Aufheizung des Adsorptionsmittels Feuchtigkeit aus demselben aufnimmt und aus der Adsorptions­ kammer abführt.

Beim aus der DE-PS 28 03 038 bekannten Stand der Technik ist auch bereits vorgesehen, das in der Regenerationsphase (die gemäß der vorstehenden Erläuterung auch als "Desorptionsphase" bezeichnet werden kann) erhitzte Adsorptionsmittel in der rege­ nerierten Adsorptionskammer zu kühlen. Diese Kühlung ist erfor­ derlich, um bei nachfolgenden Arbeitsschritten in der Vorrich­ tung unerwünschte inhomogene Temperaturverteilungen zu vermei­ den (sogenannte Wärme- und Taupunktspitzen). Auch wird die Adsorptionsfähigkeit des regenerierten Adsorptionsmittels durch die Kühlung wesentlich verbessert.

Auch wurde in der DE-PS 28 03 038 bereits erkannt, daß durch die Regenerierung des beladenen Adsorptionsmittels mittels des im Verdichter erzeugten heißen, komprimierten Gasstromes und die anschließende Kühlung eine erhebliche Energieeinsparung möglich ist.

Daneben hat das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik (DE-PS 28 03 038) auch den Vorteil, daß durch die Einleitung des vollen Prozeßgasstromes aus dem Verdichter die Regenerationsphase für das zu regenerierende Adsorptionsmittel sehr kurz ist. Deshalb ist eine erhöhte Sicherheit der Vor­ richtung insofern gegeben, als bei einem Wechsel des Arbeits­ zyklus (d.h. einer Vertauschung der Funktion der beiden Adsorp­ tionskammern) gewährleistet ist, daß das nunmehr adsorbierende Adsorptionsmittel voll regeneriert und abgekühlt ist.

Alle vorgenannten Vorteile des Standes der Technik gemäß der DE-PS 28 03 038 werden auch bei der vorliegenden Erfindung ver­ wirklicht.

Beim Verfahren gemäß der DE-PS 28 03 038 wird am Ende der Rege­ nerationsphase zur Kühlung des erhitzten Adsorptionsmittels der heiße Gasstrom vollständig abgezweigt und zunächst mittels eines in der Vorrichtung vorgesehenen Kühlers gekühlt. Sodann wird ein Teil des gekühlten Gasstromes zur Kühlung in die frisch regenerierte Adsorptionskammer geführt, während der andere Teil des gekühlten Gasstromes nach wie vor durch die andere Adsorptionskammer (also nicht die gerade regenerierte Adsorptionskammer) hindurchgeführt wird.

Diese Lösung erfordert einen hohen Aufwand an Steuerorganen und Kühlern in der Vorrichtung. Zur Abzweigung des gekühlten Teil­ stromes (welcher in die zuvor erhitzte Adsorptionskammer geführt wird) sind aufwendige Ventil-Steuerungen erforderlich und die Strömungsquerschnitte in den Leitungen müssen genau an die ge­ wünschten Strömungsgeschwindigkeiten angepaßt werden. Es sind genaue (und damit störanfällige) Steuerungen und Regelungen erforderlich.

Aus der US-PS 39 50 154 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen von Gasen bekannt, bei denen ebenfalls das mit Feuchtigkeit beladene Adsorptionsmittel mittels eines heißen Gasstromes regeneriert und anschließend durch gekühlte Luft abgekühlt wird. Zur Erzeugung der heißen Regenerationsluft und der kalten Kühlluft sind in der Vorrichtung gesonderte Heiz- und Kühleinrichtungen vorgesehen. Hierdurch ist der apparative Aufwand erheblich und sowohl die Installations- als auch die Betriebskosten der Anlage sind hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trocknen von Gasen anzugeben, die unter Bei­ behaltung der Vorteile des gattungsbildenden Standes der Tech­ nik eine Vereinfachung hinsichtlich des Geräteaufwandes ermög­ lichen. Daneben soll die Kühlphase verkürzt werden, so daß die Funktionssicherheit der Anlage verbessert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung zum Trocknen von Gasen bestehend aus einem Verdichter, dem ein heißer, komprimierter Gasstrom entnehmbar ist, zumindest zwei ein Adsorptionsmittel enthaltenden Adsorptionskammern, die ab­ wechselnd wahlweise in einer Adsorptionsphase, einer Regenera­ tionsphase und einer Kühlphase betrieben werden, wobei das Adsorptionsmittel in der Adsorptionsphase mit Feuchtigkeit beladen, in der Regenerationsphase mittels des heißen Gasstro­ mes regeneriert und in der Kühlphase mit kühlerem Gas gekühlt wird, zumindest einem Kühler, gegebenenfalls einschließlich eines Abscheiders im Strömungsweg des Gases zwischen den Ad­ sorptionskammern, sowie Leitungen und Steuerorganen, mit denen der aus dem Verdichter austretende Gasstrom wahlweise in einer vorgebbaren Reihenfolge durch zumindest eine der Adsorptions­ kammern und gegebenenfalls den Kühler geführt wird, dadurch gelöst, daß das Gas zum Kühlen des Adsorptionsmittels in der Kühlphase dem einen Kühler aufweisenden Verdichter entnommen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung der gestellten Auf­ gabe sieht vor, daß ein heißer, komprimierter Gasstrom aus einem Verdichter in einer Regenerationsphase wahlweise abwech­ selnd in eine von zumindest zwei ein Adsorptionsmittel enthal­ tenden Absorptionskammern geführt wird, um das Adsorptionsmit­ tel dieser Adsorptionskammer, welches zuvor in einer Adsorp­ tionsphase mit Feuchtigkeit beladen worden ist, zu regenerie­ ren, und anschließend in einer Kühlphase ein kühleres Gas durch das regenerierte Adsorptionsmittel geführt wird, um es zu küh­ len, und zeichnet sich dadurch aus, daß in der Kühlphase kühles Gas aus dem Verdichter durch das regenerierte Adsorptionsmittel geführt wird.

Die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung ist günstiger als beim Stand der Technik.

Während beim Stand der Technik aus der DE-PS 28 03 038, von der die Erfindung ausgeht, der heiße Gasstrom nach Passieren der zu regenerierenden Adsorptionskammer in einem Kühler abgekühlt und danach ein Teilstrom zum Abkühlen des erhitzten Adsorptionsmit­ tels abgezweigt wird, verwendet die Erfindung direkt kühles Gas aus dem der Vorrichtung üblicherweise vorgeschalteten Verdich­ ter zur Abkühlung des erhitzten Adsorptionsmittels. Bevorzugt wird der volle gekühlte Gasstrom (sogenannter "Volumenstrom") des Kompressors zur Kühlung in das zu regenerierende Adsorp­ tionsmittel geleitet.

Gemäß der Erfindung ist zur Erzeugung des Kühl-Gasstromes kein gesonderter Kühler mit Abscheider in der Vorrichtung erforder­ lich. Vielmehr wird der üblicherweise im Verdichter (Kompres­ sor) vorhandene Kühler (vorzugsweise mit Abscheider) dazu ver­ wendet, den Kühl-Gasstrom zu erzeugen. Aufwendige Regel- und Steuerorgane sowie Leitungen mit unterschiedlichen Querschnit­ ten erübrigen sich.

In der Kühlphase geht mit der Abkühlung des zuvor regenerierten Adsorptionsmittels eine Aufheizung des Kühl-Gasstromes einher. Zur Abkühlung des aufgeheizten Gasstromes ist ein einziger Küh­ ler in der Vorrichtung erforderlich, durch den der Gasstrom ge­ schickt wird, bevor er in die andere (also nicht die gerade ge­ kühlte) Adsorptionskammer geleitet wird.

Gemäß der Erfindung werden also dem den Adsorptionskammern vor­ geschalteten Verdichter zwei unterschiedliche Gasströme wahl­ weise entnommen: Zum einen ein heißer, komprimierter Gasstrom in der Regenerationsphase und zum anderen ein gekühlter Gas­ strom in der Kühlphase. Beide Gasströme sind einem herkömmli­ chen Verdichter, der üblicherweise mit einem Kühler ausge­ stattet ist, ohne viel Aufwand entnehmbar. Bei einem bereits installierten Verdichter mit eingebautem Kühler ist eine nach­ trägliche Modifizierung ohne weiteres dadurch möglich, daß ein Heißluft-Austritt vor dem im Verdichter angeordneten Kühler an­ gebracht wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Trocknen von Gasen und

Fig. 2 eine bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendete Adsorptionskammer im Detail.

Der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zum Trocknen von Gasen ist ein als solcher bekannter Verdichter vorgeschaltet, der im ein­ zelnen nicht dargestellt ist und durch das Bezugszeichen 10 an­ gedeutet ist. Dieser Verdichter (Kompressor) 10 ist mit einem Kühler versehen, so daß wahlweise (durch Steuerung entsprechen­ der Ventile der Vorrichtung) entweder ein Strom heißen kompri­ mierten Gases oder ein Strom gekühlten Gases aus dem Verdichter in die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung eingebbar ist. Der heiße, komprimierte Gasstrom wird bei E in die Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingegeben, während der gekühlte Gasstrom bei C eintritt, wie nachfolgend noch näher ausgeführt wird.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Trocknen von Gasen weist neben Leitungen und Steuerorganen drei wesentliche Bauteile auf: Zwei im Laufe aufeinanderfol­ gender Arbeitszyklen vertauschbare Adsorptionskammern 12, 12′, in denen jeweils Adsorptionsmittel 14, 14′ enthalten sind, und einen Kühler 16 im Strömungsweg zwischen den Adsorptionskammern 12, 12′. Die Adsorptionskammern 12, 12′ werden anhand der Fig. 2 näher beschrieben. Als Adsorptionsmittel 14, 14′ dient übli­ cherweise ein wasserfestes Gel, welches als solches im Stand der Technik bekannt ist.

Nachfolgend werden die einzelnen Arbeitsphasen (Regenerations­ phase, Kühlphase und Adsorptionsphase sowie die Umschaltung) zusammen mit den jeweils erforderlichen Bauteilen beschrieben.

1) Regenerations-/Adsorptionsphase

Aus dem Verdichter 10 (Fig. 1) tritt bei E in Richtung des Pfeiles ein heißer Strom ungesättigten Gases (beispielsweise Luft) in die Vorrichtung ein und wird über den Dreiwegehahn 18, die Leitung 20, den Vierwegehahn 22 und die Leitung 24 zur in Fig. 1 links gezeichneten Adsorptionskammer 12 geführt. Der Strom heißen, komprimierten Gases ist bezüglich der zu entfer­ nenden Feuchtigkeit (beispielsweise Wasser) ungesättigt und so­ mit aufnahmebereit bezüglich der Feuchtigkeit. Der heiße Strom ungesättigten Gases tritt oben in die Adsorptionskammer 12 ein und durchströmt das in ihr enthaltene Adsorptionsmittel 14 von oben nach unten. In einem vorangegangenen Arbeitszyklus (welcher weiter unten beschrieben wird) ist das Adsorptionsmittel 14 in der Adsorptionskammer 12 mit Feuchtigkeit beladen worden, wel­ che nun durch den von oben nach unten durch die Adsorptionskam­ mer 12 strömenden, heißen, ungesättigten Gasstrom aufgenommen wird. Bedingt durch die Strömungsrichtung (von oben nach unten) wird das Kondensat in Schwerkraftrichtung ausgetrieben. Das Ad­ sorptionsmittel 14 wird in der Adsorptionskammer 12 unten durch einen Siebboden mit integriertem Abscheidereinsatz 26 abgestützt, durch den der heiße Gasstrom durchtritt. Der durch den Abschei­ dereinsatz 26 durchtretende Gasstrom hat Feuchtigkeit, mögli­ cherweise bis zur Sättigung, aufgenommen und wird über eine Leitung 28, einen Vierwegehahn 30, eine Leitung 32, an der ein Thermostat 34 angeordnet ist, einen Dreiwegehahn 36, und Lei­ tungen 38, 40, 42 zum Kühler 16 geführt.

Der Kühler 16 weist ein Wasser-Regelventil 46 zum Beschicken mit Kühlwasser auf. Im Kühler 16 wird der in der eben beschrie­ benen Regenerationsphase mit Feuchtigkeit angereicherte (evtl. gesättigte) heiße Gasstrom abgekühlt, wobei die Feuchtigkeit als Kondensat mittels des Abscheiders 26 abgeschieden wird. Nach Passieren des Kühlers 16 ist der Gasstrom kalt.

Der den Kühler 16 verlassende kalte Gasstrom wird über eine Leitung 48, an der ein Thermostat 50 und ein Thermometer 52 angeordnet sind, den Vierwegehahn 30 und eine Leitung 54 zu einer in Fig. 1 rechts gezeichneten Adsorptionskammer 12′ geführt, die baugleich mit der oben beschriebenen linken Adsorptionskammer 12 ist. Die Bezugszeichen funktionsgleicher Bauteile der beiden Adsorptionskammern 12, 12′ unterscheiden sich durch einen Strich.

Der kalte und im Kühler 16 bereits teilweise entfeuchtete Gas­ strom, welcher über die Leitung 54 zur Adsorptionskammer 12′ geführt wird, durchströmt die Adsorptionskammer 12′ gemäß Fig. 1 von unten nach oben. Das Adsorptionsmittel 14′ in der Adsorp­ tionskammer 12′ ist frisch und adsorbiert Feuchtigkeit aus dem Gasstrom. Der getrocknete Gasstrom verläßt über die Leitung 56 die Adsorptionskammer 12′ und wird über den Vierwegehahn 22 und die Leitung 58 zum Ausgang A geführt, wo der Vorrichtung das gewünschte, getrocknete Gas entnommen wird.

Die Adsorption in der rechten Adsorptionskammer 12′ soll nach­ folgend anhand der Fig. 2 näher beschrieben werden. Der abge­ kühlte Gasstrom tritt aus der Leitung 54 über den Gaseintritt/ Gasaustritt 64′ (welcher in dieser Arbeitsphase als Gaseintritt dient) in die Adsorptionskammer 12′ ein und wird unter den Ab­ scheidereinsatz 26′ geführt. Dort fällt bereits Feuchtigkeit (Wasser) aus und wird mittels des Kondensatableiters 54 abge­ führt. Das Gas strömt dann in der Adsorptionskammer 12′ auf­ wärts und passiert Füllkörper 72′. Danach tritt das Gas über die gesamte Breite der Adsorptionskammer 12′ verteilt in das Adsorptionsmittel 14′ ein und wird dort vollständig getrocknet. Das getrocknete Gas verläßt die Adsorptionskammer 12′ nach Durchtritt durch den Strömungsverteiler 68′ über den Gasein­ tritt/Gasaustritt 66′ (welcher hier als Gasaustritt dient) und wird dann in der beschriebenen Weise über die Leitung 56, den Vierwegehahn 22 und die Leitung 58 zum Ausgang A geführt. Dem Ausgang A kann noch ein Staubfilter nachgeschaltet sein.

2) Kühlungs-/Adsorptionsphase

Die vorstehend beschriebene Regenerations-/Adsorptionsphase wird mittels eines Thermostaten beendet, sobald das Adsorptionsmit­ tel 14 in der Adsorptionskammer 12 eine bestimmte Temperatur erreicht hat. Der Dreiwegehahn 18 wird nun umgeschaltet und die Zufuhr von Heißluft in die Vorrichtung bei E beendet. Gleich­ zeitig wird der Dreiwegehahn 36 umgelegt, so daß bei C eine kalte Gasströmung aus dem Verdichter 10 in die Vorrichtung ein­ treten kann. Es kann nun die Kühlungs- und Adsorptionsphase be­ ginnen.

Das bei C über die Leitung 60 in die Vorrichtung eintretende kalte Gas aus dem Verdichter 10 wird über den Dreiwegehahn 36, die Leitung 32, den Vierwegehahn 30 und die Leitung 28 zur linken Adsorptionskammer 12 geführt, wo der kalte Gasstrom in umgekehrter Richtung wie der zuvor beschriebene heiße Gasstrom von unten nach oben durch das Adsorptionsmittel 14 strömt. Dabei wird das Adsorptionsmittel 14 abgekühlt und der durch­ strömende Gasstrom erwärmt. Der erwärmte Gasstrom verläßt die Adsorptionskammer 12 über den Gasaustritt 66 und wird über die Leitung 24, den Vierwegehahn 22, die Leitung 20, den Dreiwege­ hahn 18 und die Leitungen 62, 40 und 42 zum Kühler 16 geführt, wo eine Abkühlung erfolgt. Der abgekühlte Gasstrom verläßt den Kühler 16 über die Leitung 48 und wird über den Vierwegehahn 30 und die Leitung 54 zur rechten Adsorptionskammer 12′ geführt, die er von unten nach oben durchströmt, wobei im Adsorptions­ mittel 14′ die Restfeuchte entfernt wird. Der getrocknete Gas­ strom verläßt über den Gasaustritt 66′ die Adsorptionskammer 12′ und wird über die Leitung 56, den Vierwegehahn 22 und die Leitung 58 zum Ausgang A geführt, wo das getrocknete Gas ent­ nommen wird.

Die vorstehend beschriebene Kühl- und Adsorptionsphase wird durch einen Thermostaten, der die Temperatur des abzukühlenden Adsorptionsmittels 14 mißt, beendet und es wird die nachfolgend beschriebene Adsorptionsphase eingeleitet.

3) Adsorptionsphase

Nach Beendigung der vorstehend beschriebenen Kühl- und Adsorp­ tionsphase wird der untere Vierwegehahn 30 umgelegt, wodurch die linke Adsorptionskammer 12 und der Kühler 16 aus dem Gas­ strom herausgenommen werden. Diese beiden Bauteile bleiben für den Rest dieses Arbeitszyklus ohne Funktion. Der bei C eintre­ tende kalte Gasstrom gelangt über die Leitung 60, den Dreiwege­ hahn 36, die Leitung 32, den Vierwegehahn 30 und die Leitung 54 direkt in die rechte Adsorptionskammer 12′ und durchströmt diese von unten nach oben, wobei mittels des Adsorptionsmittels 14′ die Feuchtigkeit entfernt wird. Der getrocknete Gasstrom ver­ läßt in getrocknetem Zustand über den Austritt 66′, die Leitung 56, den Vierwegehahn 22 und die Leitung 58 bei A die Vorrich­ tung.

Die vorstehend beschriebene Adsorptionsphase wird bis zum Ende eines Arbeitszyklus weitergeführt. Nach Beendigung des aus der Regenerations-/Adsorptionsphase, der Kühlungs-/Adsorptionsphase und der Adsorptionsphase bestehenden Arbeitszyklus wird die gesamte Vorrichtung umgeschaltet, wobei die linke und die rechte Adsorptionskammer 12 bzw. 12′ ihre Funktionen vertauschen, d.h. alle vorstehend beschriebenen Funktionen der linken Adsorp­ tionskammer 12 werden nunmehr von der rechten Adsorptionskammer 12′ übernommen und umgekehrt.

Die Beendigung eines Arbeitszyklus, also das Umschalten der Funktionen zwischen den Adsorptionskammern 12, 12′, erfolgt entweder nach einer vorgegebenen Zeitspanne, die rechnerisch ermittelt wird, oder mittels eines Taupunkt-Meßgerätes, das die Umschaltung so lange verzögert, bis die Adsorptionskapazität des gerade beanspruchten Adsorptionsmittels (14 bzw. 14′) er­ schöpft ist.

Nach dem Umschalten beginnt ein neuer Arbeitszyklus in der vor­ stehend beschriebenen Reihenfolge 1), 2) und 3), wobei der obere Vierwegehahn 22 so umgelegt wird, daß der Strom heißen, komprimierten und ungesättigten Gases (welches bei E eintritt) in die rechte Adsorptionskammer 12′ geführt wird etc.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Trocknen von Gasen mit

• - einem Verdichter (10), dem ein heißer, komprimierter Gasstrom entnehmbar ist,
• - zumindest zwei ein Adsorptionsmittel (14, 14′) enthaltenden Adsorptionskammern (12, 12′), die abwechselnd wahlweise in einer Adsorptionsphase, einer Regenerationsphase und einer Kühlphase betrieben werden, wobei das Adsorptionsmittel (14, 14′) in der Adsorptionsphase mit Feuchtigkeit beladen, in der Regenerationsphase mittels des heißen Gasstromes regeneriert und in der Kühlphase mit kühlerem Gas gekühlt wird,
• - zumindest einem Kühler (16), gegebenenfalls einschließlich eines Abscheiders (44) im Strömungsweg des Gases zwischen den Adsorptionskammern (12, 12′),
• - sowie Leitungen (20, 24, 28, 32, 38, 40, 42, 48, 60, 62, E, C, A) und Steuerorganen (18, 22, 30, 36), mit denen aus dem Verdichter (10) austretende Gasströme wahlweise in einer vor­ gebbaren Reihenfolge durch zumindest eine der Adsorptions­ kammern (12, 12′) und gegebenenfalls den Kühler (16) steuer­ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zum Kühlen des Adsorptionsmittels (14, 14′) in der Kühlphase dem einen Kühler aufweisenden Verdichter (10) ent­ nommen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühler des Verdichters (10) ein Abscheider zugeordnet ist.

3. Verfahren zum Trocknen von Gasen, bei dem

• - ein heißer, komprimierter Gasstrom aus einem Verdichter in einer Regenerationsphase wahlweise abwechselnd in eine von zumindest zwei ein Adsorptionsmittel enthaltenden Absorp­ tionskammern geführt wird, um das Adsorptionsmittel dieser Adsorptionskammer, welches zuvor in einer Adsorptionsphase mit Feuchtigkeit beladen worden ist, zu regenerieren, und an­ schließend
• - in einer Kühlphase ein kühleres Gas durch das regenerierte Adsorptionsmittel geführt wird, um es zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlphase kühles Gas aus dem Verdichter durch das regenerierte Adsorptionsmittel geführt wird.