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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum adsorptiven
Trennen eines Gasstroms und insbesondere einen Adsorptionstrockner zur
Trocknung eines Gases.
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Adsorptionstrockner
dienen im allgemeinen dazu, Feuchtigkeit aus einem Gas und insbesondere einem
komprimierten Gas, wie z. B. Druckluft zu entfernen. Bei der Erzeugung
von Druckluft saugt ein Kompressor Umgebungsluft an und verdichtet
diese. Die Verdichtung der angesaugten Umgebungsluft führt zu einer
Feuchtigkeitsübersättigung
der komprimierten Luft. Ein Teil dieser Feuchtigkeit kondensiert im
Nachkühler
des Kompressors aus und wird über Abscheidesysteme
aus dem Druckluftsystem abgeleitet. Die Abkühlung der Druckluft im Rohrleitungssystem
zwischen dem Kompressor und dem Verbraucher hat eine weitere Bildung
von Kondensat zur Folge. Dies kann in der nachfolgenden Verwendungen
der Druckluft zu negativen Begleiterscheinungen führen, die
einen hohen Wartungsaufwand oder Qualitätseinbußen begründen. Anwendungen, die hohe Anforderungen
an die Reinheit der Druckluft stellen, wie beispielsweise Anwendungen
in der Lebensmittelindustrie, der Pharmaindustrie oder in der Halbleitertechnik
erfordern daher zusätzliche
Anlagen zur Trocknung der komprimierten Luft, die in der Regel zwischen
dem Nachkühler
des Kompressors und dem Verbrauchernetz in das Druckluftsystem integriert
werden. Diese Trocknungsanlagen dienen dazu, die komprimierte Luft
nahezu feuchtigkeitsfrei in das Druckluftsystem einzuspeisen.
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Bekannte
Adsorptionstrockner weisen in der Regel zwei Behälter auf, in denen Trockenmittel
(Adsorbens), häufig
in Form einer Schüttung,
angeordnet ist. Die beiden Behälter
sind durch Leitungen parallel miteinander und jeweils mit dem Einlass
des zu trocknenden Gases und dem Auslass des getrockneten Gases
verbunden. Der Strömungsweg
des Gases wird über
Ventile gesteuert. Die Steuerung der Ventile übernimmt eine Steuereinheit.
Die Steuerung der Ventile ist dabei so ausgelegt, dass stets ein
Behälter
von dem zu trocknenden Gases durchströmt wird. In diesem wird mittels
des sich im Behälter
befindlichen Adsorbens das Gas getrocknet. In dieser Phase befindet
sich dieser Behälter
somit in einer Adsorptionsphase. Während der Adsorptionsphase
des einen Behälters
wird der andere Behälter
in entgegengesetzter Richtung von einem Teil des getrockneten Gases
durchströmt,
um das das zuvor als Adsorptionsmittel verwendete Trocknungsmittel
zu trocknen und folglich zu regenerieren. Dieser Behälter befindet
sich dabei folglich in der Regenerationsphase. Wenn das Trocknungsmittel
ohne externe Zufuhr von Wärmeenergie,
d. h. lediglich durch einen Teilstrom des vorab getrockneten Gases
getrocknet wird, handelt es sich um eine sogenannte kalte Regenerierung.
Nach einer vorgegebenen, von der Belastung des Adsorptionstrockners
abhängigen
Zeitspanne ist es erforderlich, die Ventile in den Zu- und Ableitungen
so umzusteuern, dass der Behälter,
der sich bislang in der Adsorptionsphase befand, regeneriert wird
und der Behälter,
der vorher regeneriert wurde, nunmehr zur Trocknung des Gases verwendet
wird.
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Bei
bekannten Adsorptionstrocknern erfolgt die Regeneration der Behälter durch
einen aus dem Strom des getrockneten Gases abgezweigten Teilstrom.
Die Abzweigung dieses Teilstroms erfolgt in der Regel mittels eines
Drosselelements, z. B. eines Drosselventils, durch das die Menge
des Teilstroms reguliert wird, wobei gleichzeitig das (Regenerations-)Gas
auf das in dem für
die Regeneration vorgesehenen Behälter herrschende Druckniveau
abgesenkt wird. Durch die Druckentspannung des Regenerationsgases über dem
Drosselventil kühlt
dieses ab. Dies führt
dazu, dass zumindest der Teil des Adsorbens, der zuerst von dem
Regenerationsgas durchströmt
wird, erheblich abkühlt.
Dies kann eine erhebliche Auswirkung auf die Funktion des Adsorbens
sowohl in der nachfolgenden Adsorptionsphase zur Folge haben. Kaltes
Adsorbens kann nämlich nicht
effektiv regeneriert werden, so dass in der Regel eine Restbeladung
mit Feuchtigkeit erhalten bleibt. Dies führt dazu, dass, um eine effektive
Adsorption zu gewährleisten,
der Anteil der Restbeladung durch zusätzliches Adsorbens ausgeglichen werden
muss. Dies kann jedoch zu einer Erhöhung der Produktions- und Wartungskosten
führen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik lag der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum adsorptiven Trennen eines
Gasstroms anzugeben. Insbesondere soll eine solche Vorrichtung angegeben
werden, die wirtschaftlicher hergestellt und/oder betrieben werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen und
aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der
Grundgedanke der Erfindung liegt darin, den zu trennenden Gasstrom,
der regelmäßig eine relativ
hohe Temperatur aufweist, zu verwenden, um das Adsorptionsmittel,
noch bevor der Gasstrom zum Trennen hierdurch geleitet wird, vorzuwärmen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum adsorptiven Trennen eines Gasstroms weist demnach mindestens
einen Adsorptionsbehälter
auf, der mit einem Adsorbens befüllt
ist, und zudem Zu- und Ableitungen, über die in einer Adsorptionsphase
der zu trennende Gasstrom zum Trennen durch das Adsorbens geleitet
wird und über
die in einer Regenerationsphase des Adsorptionsbehälters ein
Teil des getrennten Gasstroms zur Regeneration des Adsorbens geleitet
wird, wobei mindestens ein Führungskanal
vorgesehen ist, über
den der zu trennende Gasstrom vor dem Trennen entlang des Adsorbens geleitet
wird, um dieses zu erwärmen.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer Vorrichtung zum adsorptiven Trennen eines Gases weist zwei
wesentliche Vorteile auf. Durch das erfindungsgemäße Erwärmen des
Adsorbens während der
Adsorptionsphase trifft das kalte Regenerationsgas in einer nachfolgenden
Regenerationsphase auf ein wärmeres
Adsorbens, in dem zudem geringere Anteile an Wasserdampf adsorbiert
sind. Durch das höhere
Temperaturniveau des Adsorbens ist ein höheres Niveau an Regenerationsenergie
vorhanden, wodurch die Regenerationseffektivität gesteigert wird. Dadurch
wird bewirkt, dass gegenüber
den bekannten Verfahren eine geringere Restbeladung auf dem Adsorbens
verbleibt. Damit kann entweder eine geringere Menge an Adsorbens
eingesetzt werden, wodurch insbesondere Produktions- und Wartungskosten
reduziert werden können,
oder der Anteil des Regenerationsgases, der vom Gasstrom abgezweigt wird,
kann geringer ausgeführt
werden. Dadurch wird insbesondere die Energieaufnahme der Vorrichtung reduziert.
Weiterhin führt
der erfindungsgemäße Wärmeübergang
von dem zu trennenden Gas auf das Adsorbens während der Adsorptionsphase
dazu, dass das zu trennende Gas abgekühlt wird. Durch die Absenkung
der Temperatur kann das Gas lediglich einen geringen Anteil an dem
abzutrennenden Element, beispielsweise Wasserdampf, aufnehmen, wobei
der restliche Anteil auskondensiert und bereits vor dem eigentlichen
Trennen beim Hindurchführen durch
das Adsorbens aus der Vorrichtung abgeführt werden kann. Da ein geringerer
Anteil an beispielsweise Wasserdampf durch das Adsorbens aufgenommen
werden muss, kann wiederum die eingesetzte Menge an Adsorbens verringert
werden. Dementsprechend verringern sich auch die Produktions- sowie
die Wartungskosten.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich folglich durch eine erheblich bessere Wirtschaftlichkeit
sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb aus.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich insbesondere zum Trennen von Wasserdampf aus einem Gas
(z. B. Druckluft), d. h. zum Trocknen eines Gases oder zur selektiven
Zerlegung von Gasgemischen unter Druck mittels des Druckwechsel-Adsorptions-Verfahren
(PSA: Pressure Swing Adsorption).
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Um
den zu trennenden Gasstrom entlang des Adsorbens zu führen kann
vorzugsweise vorgesehen sein, ein oder mehrere Führungsrohre vorzusehen, die
so angeordnet sind, dass sie von dem Adsorbens, das beispielsweise
als Schüttung
innerhalb des Adsorptionsbehälters
vorliegen kann, umgeben sind. Beispielsweise kann der Adsorptionsbehälter zylindrisch
ausgebildet sein, mit einem zentral darin angeordneten Führungsrohr,
das beispielsweise ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen kann.
Eine solche Ausgestaltung des Adsorptionsbehälters mit darin angeordnetem
Führungsrohr
zeichnet sich durch einen guten Wärmeübergang von dem zu trennenden
Gas auf das Adsorbens aus und ist durch den einfachen Aufbau zudem einfach
herstellbar. Weiterhin können
an dem/den Führungsrohr(en) ein
oder mehrere Wärmeleitblech(e)
zur Verbesserung des Wärmeübergangs
angeordnet sein.
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Um
einen guten Wärmeübergang
von dem zu trennenden Gas auf das Adsorbens zu erreichen, kann erfindungsgemäß weiterhin
vorgesehen sein, den Mantel des/der Führungsrohrs/e aus einem thermisch
gut leitenden Werkstoff, wie beispielsweise einem metallischen Werkstoff
und insbesondere Stahl, Kupfer, etc. auszubilden.
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Da
durch das Absenken der Temperatur des zu trennenden Gases noch vor
der eigentlichen Adsorption mittels des Adsorbens ein Teil der abzutrennenden
Elemente, (z. B. Wasserdampf) auskondensieren kann, kann weiterhin
bevorzugt sein, eine Drainageeinheit vorzusehen, die zum Auffangen und/oder
Abführen
des Kondensats vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß kann weiterhin
vorgesehen sein, mindestens zwei Adsorptionsbehälter vorzusehen, die über eine
Steuerung so schaltbar sind, dass sich zumindest jeweils einer der
Adsorptionsbehälter
in der Adsorptions- und zumindest ein anderer der Adsorptionsbehälter in
der Regenerationsphase befindet. Dadurch wird ein quasi-kontinuierlicher
Betrieb des Adsorptionstrockners und folglich eine quasi-kontinuierliche
Versorgung mit dem Gas, beispielsweise Druckluft, sichergestellt.
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Um
das Betriebsgeräusch
der Vorrichtung zu senken, kann weiterhin vorgesehen sein, einen Schalldämpfer vorzusehen,
durch den der Gasstrom nach der Regeneration abgeführt wird.
Der grundsätzliche
Aufbau und die Funktion eines solchen Schalldämpfers sind aus dem Stand der
Technik bekannt.
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Zur
weiteren Verbesserung der Funktion des Schalldämpfers kann weiterhin vorgesehen
sein, diesen bei einer Vorrichtung, die mindestens zwei Adsorptionsbehälter aufweist,
zwischen diesen Adsorptionsbehältern
anzuordnen. Die um den Schalldämpfer
angeordneten Adsorptionsbehälter
reduzieren insbesondere bei einer losen Schüttung des darin angeordneten
Adsorbens eine akustische Abstrahlung nach außen. Sofern ausreichend, kann
auch die gesamte schalldämpfende
Funktion des Schalldämpfers
in der Abschirmung durch die Adsorptionsbehälter begründet sein.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin einen Adsorptionsbehälter mit
Adsorbens zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der erfindungsgemäße Adsorptionsbehälter zeichnet
sich durch mindestens ein Führungsrohr
zum Hindurchleiten eines Gases mit dem Ziel, das Adsorbens zu erwärmen, aus.
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Für einen
guten Wärmeübergang
kann der Mantel des/der Führungsrohrs/e
aus einem thermisch gut leitenden Werkstoff aufgebaut sein. Weiterhin
kann ein oder mehrere Wärmeleitbleche
vorhanden sein, die den Wärmeübergang
verbessern können.
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Der
erfindungsgemäße Adsorptionsbehälter kann
weiterhin Führungselemente
aufweisen, durch die der Gasstrom nach dem Austreten aus dem Führungsrohr
und für
ein nachfolgendes Durchströmen des
Adsorbens mit dem Ziel, den Gasstrom zu trennen, umgelenkt wird.
Ein solcher, Führungselemente für das Gas
aufweisender Adsorptionsbehälter
kann auf einfache Weise in eine erfindungsgemäße Vorrichtung integriert werden,
wodurch insbesondere der Wartungsaufwand reduziert werden kann.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Betrieb einer Vorrichtung zum adsorptiven Trennen eines Gases, die
mit einem Adsorbens befüllt
ist, wird das Gas zum adsorptiven Trennen durch das Adsorbens geleitet
und das Adsorbens nachfolgend regeneriert, indem ein Teil des getrennten
Gases durch das Adsorbens geführt
wird, wobei erfindungsgemäß der zu
trennende Gasstrom vor dem Trennen entlang des Adsorbens geführt wird,
um dieses zu erwärmen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Trocknen von Druckluft in einer schematischen Schnittdarstellung;
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2 die
Vorrichtung der 1 mit einer Darstellung des
Strömungsverlaufs
in der Adsorptionsphase eines ersten Adsorptionsbehälters;
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3 die
Vorrichtung der 1 mit einer Darstellung des
Strömungsverlaufs
in der Adsorptionsphase des zweiten Adsorptionsbehälters;
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4 die
Vorrichtung der 1 mit einer Darstellung des
Strömungsverlaufs
bei der Druckentlastung des ersten Adsorptionsbehälters nach
dessen Adsorptionsphase;
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5 die
Vorrichtung der 1 mit einer Darstellung des
Strömungsverlaufs
in der Regenerationsphase des ersten Adsorptionsbehälters.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Adsorptionstrockner
zum Trocknen von Druckluft. Dieser weist in einem Gehäuse 1 zwei
Adsorptionsbehälter 2a, 2b auf, die
mit einem Adsorbens befüllt
sind. Die beiden Adsorptionsbehälter 2a, 2b sind über eine
Vielzahl von Druckluftleitungen mit einem Drucklufteinlass 3 für die zu
trocknende Druckluft und einem Druckluftauslass 4 für die getrocknete
Druckluft versehen. In die Leitungen sind eine Vielzahl von Ventilen
integriert, durch die jeweils einer der Adsorptionsbehälter in den
Adsorptionsmodus und der andere in den Regenerationsmodus geschaltet
werden kann.
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In
der 2 ist der Verlauf der Druckluft dargestellt, wenn
sich der erste der Adsorptionsbehälter 2a in der Adsorptionsphase
befindet. Die zu trocknende Druckluft wird dem Adsorptionstrockner über den
Drucklufteinlass 3 zugeführt und über das geöffnete Schaltventil 5a des
ersten Adsorptionsbehälters 2a in
ein Führungsrohr 6a geleitet,
das zentral innerhalb des Adsorptionsbehälters 2a angeordnet
und von dem Adsorbens, das in einer Schüttung vorliegt, umgeben ist.
Die zu trocknende Druckluft, die ein relativ hohes Temperaturniveau
aufweist, durchströmt das
Führungsrohr 6a,
wobei über
den Mantel des Führungsrohrs 6a Wärmeenergie
von der Druckluft auf das das Führungsrohr
umgebende Adsorbens übertragen
wird. Der Wärmeübergang
ist in dem oberen Bereich des Adsorptionsbehälters 2a am größten, weil
dort die Temperaturdifferenz am höchsten ist. Nachdem die Druckluft
aus dem Führungsrohr 6a wieder
herausgetreten ist, wird diese umgelenkt und durch das Adsorbens
hindurchgeführt.
Hierbei wird die Druckluft getrocknet, da der in der Druckluft enthaltene
Wasserdampf von dem hydrophilen Adsorbens gebunden wird. Nachdem
die nunmehr getrocknete Druckluft wieder aus dem Adsorbens herausgeströmt ist,
wird diese über
ein Rückschlagventil 7a und
den Druckluftauslass 4 abgeführt bzw. in den Druckluftkreislauf überführt, wie
dies in der 3 für den zweiten Adsorptionsbehälter dargestellt
ist. Das Rückschlagventil 7b,
das entgegengesetzt geschaltet ist, verhindert hierbei ein unkontrolliertes
Eintreten von getrockneter Druckluft in den Druckluftkreislauf des
zweiten Adsorptionsbehälters 2b.
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Die
Umschaltventile 5a, 5b werden über eine Steuerung so geschaltet,
dass sich stets einer der Adsorptionsbehälter in der Adsorptionsphase
befindet, während
der andere Adsorptionsbehälter
regeneriert wird. Dies ist in den Fig. aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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In
der 4 ist dargestellt, wie der erste Adsorptionsbehälter 2a beim Übergang
von der Adsorptions- in die Regenerationsphase druckentlastet wird. Hierzu
wird der erste Adsorptionsbehälter 2a,
der aufgrund der zuvor durchgeführten
Adsorptionsphase noch ein Druckniveau aufweist, das im wesentlichen
dem Druckniveau der zugeführten
Druckluft entspricht, über
ein zu öffnendes
Regenerationsventil 8a mit der Atmosphäre verbunden. Hierbei wird Kondensat,
das sich während
der Adsorptionsphase unterhalb des Adsorptionsbehälters 2a angesammelt hat,
abgeführt.
Das Kondensat bildet sich beim Durchströmen der Druckluft durch das
Führungsrohr 6a,
bei dem diese aufgrund des Wärmeübergangs auf
das Adsorbens abkühlt.
Hierdurch verringert sich die abso lute Menge an Feuchtigkeit, die
von der Druckluft aufgenommen werden kann, wobei überschüssige Feuchtigkeit
auskondensiert und sich unterhalb des Adsorptionsbehälters 2a ansammelt.
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In
der 5 ist der Strömungsverlauf
während
der Regenerationsphase des ersten Adsorptionsbehälters 2a dargestellt.
Diese findet, was weder in der 3 noch in
der 5 dargestellt ist, gleichzeitig mit der Adsorptionsphase
des zweiten Adsorptionsbehälters 2b statt,
da für
die Regeneration ein Teil der getrockneten Druckluft abgezweigt
wird. Hierbei wird die Regenerationsphase des einen Adsorptionsbehälters jedoch
regelmäßig deutlich
früher beendet
sein, als die Adsorptionsphase des anderen Adsorptionsbehälters, deren
Ende durch Sättigung des
Adsorbens bestimmt wird. Die Abzweigung der getrockneten Druckluft
erfolgt über
ein Drosselelement 9. Hinter dem Drosselelement 9 wird
ein erheblich geringeres Druckniveau erreicht, wobei mit der Druckentlastung
und der damit begründeten
Ausdehnung der Druckluft eine erhebliche Temperaturabnahme der Druckluft
verbunden ist. Die so abgekühlte
Luft wird über
entsprechende Zuleitungen dem ersten Adsorptionsbehälter 2a zugeführt, wobei
diese das Adsorbens von oben nach unten durchströmt. Hierbei werden die an den
Adsorbens angelagerten Moleküle
des Wassers von der trockenen Luft aufgenommen, über das Regenerationsventil 8a und
den mittig zwischen den zwei Adsorptionsbehältern angeordneten Schalldämpfer 10 abgeführt und
in die Atmosphäre
entlassen. Dadurch, dass das Adsorbens in der vorangegangenen Adsorptionsphase
erfindungsgemäß von der
Druckluft vorgewärmt
wurde, trifft das kalte Regenerationsgas in der Regenerationsphase
auf ein wärmeres
Adsorbens, in dem zudem geringere Anteile an Wasserdampf adsorbiert sind.
Durch das höhere
Temperaturniveau des Adsorbens ist ein höheres Niveau an Regenerationsenergie
vorhanden, wodurch die Regenerationseffektivität gesteigert wird. Dadurch
wird eine geringere Restbeladung auf dem Adsorbens verbleiben. Durch das
Durchströmen
des Adsorbens mit dem kalten Regenerationsgas wird das Adsorbens
jedoch wieder abgekühlt.
Wiederum aufgrund der größten Temperaturdifferenz
ist die Abkühlung
im oberen Bereich der Adsorbensschüttung am größten. In der nachfolgenden
Adsorptionsphase des ersten Adsorptionsbehälters wird das abgekühlte Adsorbens
daher wieder durch die zu trocknende Druckluft vorgewärmt, wie
dies bereits anhand der 2 erläutert wurde.