DE3827806A1 - Vorrichtung zum trocknen und reinigen von gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trocknen und Reini­ gen von Gasen, insbesondere Druckluft mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Derartige Vorrichtungen sind aus der DE-PS 28 03 038 und der DE-OS 37 02 845 bekannt. Dort sind zwei jeweils mit einem Adsorptionsmittel gefüllte Adsorptionskammern vorgesehen, die abwechselnd wahlweise in einer Adsorptionsphase, einer Rege­ nerationsphase und einer Kühlphase betrieben werden. Die Funk­ tion der beiden Adsorptionskammern wird zyklisch vertauscht.

In der Regenerationsphase wird beim Stand der Technik ein heißer, komprimierter Gasstrom aus einem Verdichter (Kompres­ sor) in diejenige Adsorptionskammer geleitet, deren Adsorptions­ mittel zuvor in der Adsorptionsphase mit Feuchtigkeit beladen worden ist. Der heiße, komprimierte Gasstrom ist bezüglich der aus dem Adsorptionsmittel zu entfernenden Feuchtigkeit (bei­ spielsweise Wasser) untersättigt, so daß er unter Aufheizung des Adsorptionsmittels Feuchtigkeit aus demselben aufnimmt und aus der Adsorptionskammer abführt.

Beim aus der DE-PS 28 03 038 bekannten Stand der Technik ist vorgesehen, das in der Regenerationsphase (die gemäß der vor­ stehenden Erläuterung auch als "Desorptionsphase" bezeichnet werden kann) erhitzte Adsorptionsmittel in der regenerierten Adsorptionskammer zu kühlen. Diese Kühlung ist erforderlich, um bei nachfolgenden Arbeitsschritten in der Vorrichtung unerwünsch­ te inhomogene Temperaturverteilungen zu vermeiden (sogenannte Wärme- und Taupunktspitzen). Auch wird die Adsorptionsfähigkeit des regenerierten Adsorptionsmittels durch die Kühlung wesent­ lich verbessert.

In einer Vielzahl von anspruchsvollen Herstellungsverfahren wird trockene, saubere und ölfreie Druckluft benötigt. Die vorstehend beschriebenen Adsorptionskammern gemäß dem Stand der Technik werden zur Erzeugung von ölfreier Druckluft in der Re­ gel mit ölfrei arbeitenden Verdichtern eingesetzt, um eine wei­ testgehend ölfreie, trockene Druckluft zu gewinnen.

Werden hingegen ölgeschmierte Verdichter verwendet, so werden im Stand der Technik verschiedene Filtrationsverfahren einge­ setzt, bei denen die Ölfreiheit der Druckluft bei langen Be­ triebszeiten kaum gewährleistet werden kann. Gelangt aber Druckluft mit zu hohen Öl-Anteilen in den Fertigungsprozeß, so können beträchtliche Ausfälle und Schäden entstehen.

Es ist auch schon bekannt, zur Reinigung und Trocknung von Ga­ sen Adsorptionstrockner und Kältetrockner zu kombinieren.

Eine immer maßgeblichere Bedingung für den Einsatz von Gasrei­ nigern ist der erforderliche Energieaufwand. Im Stand der Tech­ nik bleibt dabei unberücksichtigt, daß die Anforderungen an die Trockenheit des Gases bei vielen Fertigungsprozessen jahreszeit­ lich schwanken. Beispielsweise können in Sommermonaten Taupunkte von +2°C ausreichen, während tiefere Taupunkte von z.B. -30°C nur in der kalten Jahreszeit oder bei bestimmten Prozessen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Trocknen und Reinigen von Gasen, insbesondere Druckluft, zu schaffen, die mit geringem Energieaufwand zuverlässig die ge­ wünschte Ölfreiheit, Trockenheit und Reinheit des erzeugten Ga­ ses gewährleistet und mit wenig Aufwand an unterschiedliche An­ forderungen anpaßbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß den Adsorptionskammern ein Sprudelabsorber vorgeschaltet ist, in dem das zu trocknende und zu reinigende Gas vor Eintritt in eine der Adsorptionskammern ein Eiswasserbad durchströmt.

Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, daß die Kom­ bination von an sich bekannten, wechselweise arbeitenden Ad­ sorptionskammern mit einem als solchen ebenfalls aus der Ver­ fahrenstechnik bekannten Sprudelabsorber synergistische Vor­ teile, insbesondere beim Energieaufwand im Verhältnis zur erzielten Reinheit und Ölfreiheit ergibt. Die Energieeinsparung beträgt im Verhältnis zu bekannten Systemen mehr als 50%. Es hat sich gezeigt, daß das aus dem Sprudelabsorber austretende, vorgereinigte und vorgetrocknete Gas optimal für die weitere Trocknung in den nachgeschalteten Adsorptionskammern geeignet ist, so daß diese mit geringem Energieverbrauch betrieben werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann leicht an sich ändernde Anforderungen angepaßt werden, indem das zu trocknende und zu reinigende Gas wahlweise nur den Sprudelabsorber oder denselben und zusätzlich noch eine der Adsorptionskammern durchströmt, wobei die andere Adsorptionskammer regeneriert wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Re­ generation jeweils einer der Adsorptionskammern ein Teil des aus dem Sprudelabsorber austretenden Gasstromes verwendet. Auch hierdurch werden bei geringem Energieverbrauch gute Ergebnisse erzielt. Dabei durchströmt der Teil des aus dem Sprudelabsorber austretenden Gasstromes vor Eintritt in die zu regenerierende Adsorptionskammer einen Lufterhitzer.

Eine weitere Verbesserung der Energieausbeute wird in einer be­ vorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, daß der zu trocknende und zu reinigende Gasstrom vor Eintritt in das Eiswasserbad des Sprudelabsorbers in einem Luft/Luft-Wärmetau­ scher Wärme an aus dem Eiswasserbad austretendes Gas abgibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat auch den Vorteil, daß mit Öl geschmierte Kompressoren einsetzbar sind. Die Anforderungen an die Kompressorstation können also bezüglich der Ölabgabe ge­ ring sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet eine kontinuier­ liche und auch bei langfristigem Betrieb sichere Ölabscheidung bis zu Restölgehalten von 0,005 mg/m³. Dabei kann das eintre­ tende, zu trocknende und zu reinigende Gas praktisch beliebige Ölkonzentrationen enthalten. Es sind keine Filterelemente oder Aktivkohlefüllungen auszuwechseln.

Es ist möglich, den Taupunkt des erzeugten Gases mit Tasten­ druck von z.B. etwa 0°C auf einen wesentlichen tieferen Wert von z.B. -30°C umzustellen, so daß in wärmeren Jahreszeiten eine erhebliche Energieeinsparung möglich ist.

Aber auch bei Erzielung von sehr tiefen Taupunkten von z.B -30°C ist die Energieeinsparung im Vergleich mit herkömmlichen Adsorptionstrocknern erheblich, da lediglich die Feuchtigkeits­ differenz zwischen 0°C (4,84 g/m³) und -30°C (0,33 g/m³) adsor­ biert werden muß, also nur 4,51 g/m³. Bei einem herkömmlichen Adsorptionstrockner gemäß dem Stand der Technik muß hingegen bei einer Eintrittstemperatur von 35°C 39,6 g/m³ Wasser adsor­ biert werden. Dies hat zur Folge, daß bei der Regeneration des zuvor beladenen Trockenmittels im Adsorber beim erfindungsge­ mäßen Verfahren wesentlich weniger Energie verbraucht wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Die Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Trocknen und Reinigen von Gasen mit zwei Adsorptionskammern 12 a, 12 b, die abwechselnd wahlweise in einer Adsorptionsphase, einer Regene­ rationsphase und einer Kühlphase betrieben werden, wobei das Adsorptionsmittel in der Adsorptionsphase mit Feuchtigkeit be­ laden, in der Regenerationsphase mittels eines heißen Gasstro­ mes regeneriert und in der Kühlphase mit kühlem Gas gekühlt wird. Diese Technik ist aus den eingangs genannten Druckschrif­ ten (DE-PS 28 03 038 und DE-OS 37 02 845) bekannt, so daß ihre Erläurerung hier knapp gehalten und auf das Zusammenwirken mit einem Sprudelabsorber 10 beschränkt werden kann.

Bei 14 tritt das zu reinigende und zu trocknende Gas, z.B. Druckluft, in die Vorrichtung ein. Es passiert ein Vorfilter 18 und strömt durch das Rohr 16 in Richtung der Pfeile 20 abwärts im Gegenstromverfahren an Wärmetauscher-Rohren 22 vorbei, wel­ che in umgekehrter Richtung (Pfeile 32) von abgekühltem Gas durchströmt werden, wie weiter unten noch beschrieben wird. Die Wärmetauscherrohre 22 werden von einer Platte 21 abgestützt, die unterhalb der Rohre 22 Öffnungen aufweist.

Das in Richtung der Pfeile 20 abwärts strömende Gas passiert ein mittiges Rohr 23 und ein Eiswasserbad in einem Kältespei­ cher 24, der über Leitungen 26, 28 mit einem Kältekompressor 30 (nicht geeeigt) verbunden ist.

Die weitere Strömungsrichtung des Gases ist durch die Pfeile 32 angedeutet. Das Gas tritt aus einer Öffnung 34 unten aus dem Rohr 23 aus und folgt den Pfeilen 36. Über Löcher 38 sprudelt das Gas in ein Eiswasserbad 35. Danach strömt das Gas in Rich­ tung der Pfeile 32 aufwärts und passiert die Wärmetauscherrohre 22, um die oben erwähnte Gegenstromkühlung des in Richtung der Pfeile 20 eintretenden Gasstromes zu bewirken.

Die vorstehend beschriebene Vorkühlung des in Richtung der Pfeile 20 eintretenden Gasstromes gewährleistet, daß ein Groß­ teil der Wärme des bei 14 eintretenden Gases ohne Einsatz von Energie abgeführt wird, so daß der Energieverbrauch im Kältekom­ pressor 30 gering gehalten werden kann und eine Vorkondensation des in der Druckluft enthaltenen Wassers bewirkt wird.

Die derart vorgekühlte, aber noch verunreinigte und ölhaltige sowie feuchte Druckluft wird im Eiswasserbad 35 direkt und verlustlos auf eine erheblich tiefere Drucktaupunkt-Temperatur abgekühlt. Der Druckluftstrom wird im Eiswasserbad in als sol­ che bekannter Weise in eine Vielzahl von Luftbläschen aufgeteilt und fast bis auf die Verdampfungstemperatur des Freons (-5°C) gekühlt, so daß Ölbestandteile, andere Kohlenwasserstoffe sowie Fremdstoffe ausgewaschen werden. Insbesondere Öle und Kohlenwas­ serstoffe werden durch die Abkühlung im Eiswasserbad in abscheid­ bare Ölaerosole umgewandelt und vollständig aus der Druckluft ausgewaschen.

Durch die in der Druckluft enthaltene, auskondensierte Feuchtigkeit erneuert sich das Wasserbad ständig selbst. Die überflüssige Wassermenge wird, zusammen mit den aufgenommenen Schmutz- und Ölbestandteilen niveaugesteuert ohne Luftverluste über ein Magnetventil abgeführt.

Die Druckluft verläßt also in Richtung der Pfeile 32 das Eis­ wasserbad 35 als hochreine, ölfreie, gekühlte Druckluft mit einem Drucktaupunkt von etwa 0°C.

Die Strömungsgeschwindigkeit der Gasbläschen durch das Eiswas­ serbad 35 wird so gering gehalten, daß keine Restwassermengen mitgerissen werden, so daß eine Rücksättigungsgefahr vermieden ist.

In den Wärmetauscher-Rohren 22 erwärmt sich zwar das hochströ­ mende Gas durch den Wärmeaustausch mit dem in Richtung der Pfeile 20 eintretenden Gas, jedoch liegt die Erwärmung deutlich unter der Eintrittstemperatur (bei 14), so daß am Austritt 39 des Sprudelabsorbers 10 weitestgehend ölgereinigte Druckluft mit Taupunkten um den Gefrierpunkt abgegeben wird.

Anschließend tritt die so gereinigte und nur noch mit 5 bis 10% relativer Feuchte beladene, ölfreie Druckluft in die aus den Adsorptionskammern 12 a, 12 b gebildete Aufbereitungsstufe. Der Hauptstrom des Gases tritt durch die Leitung 44 in Richtung der Pfeile 46 in an sich bekannter Weise in die Adsorptionskammer 12 a, die im dargestellten Zustand in der Adsorptionsphase ar­ beitet, während die andere Adsorptionskammer 12 b in der Regene­ rationsphase ist.

Zur Regeneration der gerade in einer solchen Phase befindlichen Adsorptionskammer (beim in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel die Adsorptionskammer 12 b) wird hinter dem Aus­ tritt 39 des Sprudelabsorbers 10 ein Teilstrom 40 des Gases ab­ gezweigt und durch einen Lufterhitzer 42 geschickt. Der erhitz­ te, vorgereinigte Luftstrom strömt in Richtung des Pfeiles 43 zur zu regenerierenden Adsorptionskammer 12 b.

Zum Kühlen der zu regenerierenden Adsorptionskammer 12 b kann der Lufterhitzer 42 abgeschaltet werden, so daß der kühle Teil­ strom 40 des Gases direkt nach Passieren des Staubfilters die Adsorptionskammer 12 b durchströmt.

Gleichzeitig strömt der Hauptstrom des Gases in Richtung der Pfeile 50 von unten nach oben durch das Adsorptionsmittel 48 in der Adsorptionskammer 12 a und passiert anschließend ein Staub­ filter 52, um in Richtung der Pfeile 54 als hochreines, ölfreies und trockenes Gas die Vorrichtung zu verlassen.

Während dessen wird die Regeneration der Adsorptionskammer 12 b vollendet. Wie oben erläutert, strömt das vorgereinigte, im Lufterhitzer 42 erhitzte Gas in Richtung des Pfeiles 43 zum Staubfilter 52 b und durchströmt in Richtung der Pfeile 58 das Adsorptionsmittel 48 b in der Adsorptionskamner 12 b von oben nach unten.

Das im Adsorptionsmittel 48 b angelagerte Wasser verdampft und wird mit dem Regenerations-Gasstrom in Richtung der Pfeile 58 zu einem Luftkühler/Abscheider 64 mitgeführt. In einem Venti­ lator 62 wird der Teilstrom abgekühlt und das taupunktabhängig anfallende Wasser wird im Abscheider 64 aus dem Luftstrom abge­ schieden und über einen Kondensatableiter abgeführt. Das Kon­ densat wird in Richtung des Pfeiles 70 abgeführt.

Der abgekühlte Teilstrom steigt in Richtung der Pfeile 68 auf­ wärts und wird hinter einem Regulierventil 72 dem Hauptstrom zugespeist.

Die derart regenerierte Adsorptionskammer 12 b steht sodann zur Gasreinigung zur Verfügung und der Hauptstrom wird in an sich bekannter Weise von der Adsorptionskammer 12 a auf die Adsorptionskammer 12 b umgeschaltet, so daß die Funktionen der beiden Kammern vertauscht werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Trocknen und Reinigen von Gasen, insbeson­ dere Druckluft, mit

• - zumindest zwei ein Adsorptionsmittel enthaltenden Adsorp­ tionskammern (12 a, 12 b), die abwechselnd wahlweise in ei­ ner Adsorptionsphase und einer Regenerationsphase betrie­ ben werden, wobei das Adsorptionsmittel (48) in der Ad­ sorptionsphase mit Feuchtigkeit beladen und in der Regene­ rationsphase mittels eines heißen Gasstromes regeneriert und anschließend gekühlt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - den Adsorptionskammern (12 a, 12 b) ein Sprudelabsorber (10) vorgeschaltet ist, in dem das zu trocknende und zu reini­ gende Gas vor Eintritt in eine der Adsorptionskammern ein Eiswasserbad (35) durchströmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trocknende und zu reinigende Gas wahlweise den Spru­ delabsorber (10) und die Adsorptionskammern (12 a, 12 b) oder nur den Sprudelabsorber (10) durchströmt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regeneration jeweils einer der Adsorptionskammern (12 a, 12 b) ein Teil (40) des aus dem Sprudelabsorber (10) austreten­ den Gastromes verwendet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (40) des aus dem Sprudelabsorber (10) austretenden Gasstromes vor Eintritt in eine Adsorptionskammer (12 b) einen Lufterhitzer (42) durchströmt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom vor Eintritt in das Eiswasserbad (35) des Sprudelabsorbers (10) in einem Luft/Luft-Wärmetauscher (22) Wärme an aus dem Eiswasserbad (35) austretendes Gas abgibt.