DE102009005156A1 - Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gasstroms - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gases mit mindestens einem Sorptionsbehälter, der mit einem Sorbens befüllt ist, sowie mit Zu- und Ableitungen, über die in einer Sorptionsphase des Sorptionsbehälters der zu trennende Gasstrom zum Trennen durch das Sorbens geleitet wird und über die in einer Regenerationsphase des Sorptionsbehälters ein Teil des getrennten Gasstroms (Regenerationsgasstrom) zur Regeneration des Sorbens durch diese geleitet wird, wobei der Regenerationsgasstrom vor der Regeneration des Sorbens in einem Wirbelrohr in einen Heißregenerationsgasstrom und einen Kaltregenerationsgasstrom getrennt wird und zumindest der Heißregenerationsgasstrom zur Regeneration des Sorbens verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gasstroms und insbesondere einen Sorptionstrockner zur Trocknung eines Gases.
  • Sorptionstrockner 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 den 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 den nachfolgenden Verwendungen der Druckluft zu negativen Begleiterscheinungen führen, die einen hohen Wartungsaufwand oder Qualitätseinbußen begründen können. Anwendungen, die hohe Anforderungen an die Reinheit der Druckluft stellen, wie beispielsweise Anwendungen in der Lebensmittelindustrie, der Pharmaindustrie oder in der Halbleitertechnik erfordern daher regelmäßig 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.
  • Bekannte Sorptionstrockner weisen in der Regel zwei Behälter auf, in denen Trockenmittel (Sorbens) – häufig in Form einer Schüttung – angeordnet ist. Häufig kommen adsorptive Trockenmittel zum Einsatz, wobei auch absorptive Trockenmittel verwendet werden. 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 Gas durchströmt wird. In diesem wird mittels des sich im Behälter befindlichen Sorbens das Gas getrocknet. In dieser Phase befindet sich dieser Behälter somit in einer Sorptionsphase. Während der Sorptionsphase des einen Behälters wird der andere Behälter (in der Regel) in entgegengesetzter Richtung von einem Teil des getrockneten Gases durchströmt, um das während einer vorherigen Sorptionsphase gesättigte Sorbens zu trocknen, d. h. zu regenerieren. Dieser Behälter befindet sich dabei folglich in der Regenerationsphase. Wenn das Sorbens ohne externe Zufuhr von Wärmeenergie, das heißt lediglich durch einen Teilstrom des vorab getrockneten Gases getrocknet wird, handelt es sich um eine sogenannte kalte Regeneration. Nach einer vorgegebenen, von der Belastung des Sorptionstrockners abhängigen Zeitspanne ist es erforderlich, die Ventile in den Zu- und Ableitungen so umzusteuern, dass derjenige Behälter, der sich bislang in der Sorptionsphase befand, regeneriert wird und der Behälter, der vorher regeneriert wurde, nunmehr zur Trocknung des Gases verwendet wird.
  • Bei bekannten Sorptionstrocknern 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, zum Beispiel eines Drosselventils, durch das die Menge des Teilstroms reguliert wird, wobei gleichzeitig das (Regernations-)Gas auf das in dem für die Regeneration vorgesehenen Behälter herrschende Druckniveau gesenkt wird. Durch die Druckentspannung des Regenerationsgases über dem Drosselventil kühlt dieses ab. Dies führt dazu, dass zumindest der Teil des Sorbens, der zuerst von dem Regenerationsgas durchströmt wird, erheblich abkühlt. Dies kann eine erhebliche Auswirkung auf die Funktion des Sorbens in der nachfolgenden Sorptionsphase 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 Sorbens ausgeglichen werden muss. Dies kann jedoch zu einer Erhöhung der Produktions- und Wartungskosten führen.
  • Aus dem Stand der Technik ist zudem die warme Regeneration eines Sorptionstrockners bekannt. Hierbei wird der sich in der Regenerationsphase befindliche Sorptionsbehälter durch Luft regeneriert, die durch Zufuhr externer Energie aufgeheizt wurde. Bei der Luft kann es sich entweder um den Teilstrom der getrockneten Druckluft handeln; es kann jedoch auch Umgebungsluft verwendet werden. Zum Aufheizen der Regenerationsluft im Zusammenhang mit der warmen Regeneration werden regelmäßig elektrische Heizvorrichtungen eingesetzt.
  • Vorrichtungen zum sorptiven Trennen eines Gasstroms werden nicht nur zum Trocknen eines Gases und insbesondere von Druckluft verwendet, sondern u. a. auch zur selektiven Zerlegung von Gasgemischen unter Druck mittels des Druckwechseladsorptionsverfahrens (PSA: Pressure Swing Adsorption)
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gasstroms anzugeben. Insbesondere soll eine solche Vorrichtung angegeben werden, die sich durch eine verbesserte Regeneration des Sorbens auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
  • Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, ein Wirbelrohr (nach Ranque und Hilsch) zu verwenden, um den Regenerationsgasstrom bei einer Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gases vorzuwärmen.
  • Wirbelrohre (nach Ranque und Hilsch), die auch als Vortex-Rohre bezeichnet werden, sind im Stand der Technik hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise hinlänglich bekannt. Bei einem solchen Wirbelrohr wird eine Druckgasströmung in der Regel tangential in einen rohrförmigen Grundkörper des Wirbelrohrs eingeleitet, wobei innerhalb des Grundkörpers eine Separation der Druckgasströmung in eine Heißgasströmung und eine Kaltgasströmung erfolgt. Die zwei Gasströmungen verlassen hierbei den rohrförmigen Grundkörper des Wirbelrohrs an dessen zwei offenen Enden. Die physikalischen Hintergründe bezüglich der Separation des Druckgasstromes in einen Heißgas- und einen Kaltgasstrom sind bislang nicht vollständig geklärt. Auf dem Markt ist jedoch von mehreren Anbietern eine Vielzahl von Wirbelrohren erhältlich, deren Funktion gesichert ist und deren Auslegung im Wesentlichen auf empirischen Versuchen basiert.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gases weist demnach mindestens einen Sorptionsbehälter auf, der mit einem Sorbens befüllt ist, sowie Zu- und Ableitungen, mittels derer in einer Sorptionsphase des Sorptionsbehälters der zu trennende Gasstrom zum Trennen durch das Sorbens geleitet wird und mittels derer in einer Regenerationsphase des Sorptionsbehälters ein Teil des getrennten Gasstroms (Regenerationsgasstrom) zur Regeneration des Sorbens durch dieses geleitet wird. Erfindungsgemäß wird dabei der Regenerationsgasstrom vor der Regeneration des Sorbens in einem Wirbelrohr in einen Heißregenerationsgasstrom und einem Kaltregenerationsgasstrom getrennt und zumindest der Heißregenerationsgasstrom zur Regeneration des Sorbens verwendet.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gases kann das Sorbens in dem zumindest einen Sorptionsbehälter mit einem Regenerationsgasstrom regeneriert werden, dessen Temperatur über der Temperatur eines Regenerationsgasstroms, wie er bei der aus dem Stand der Technik bekannten kalten Regeneration zum Einsatz kommt, liegt. Eine erhöhte Temperatur des Regenerationsgasstroms führt in der Regel zu einer effektiveren Regeneration des Sorbens, so dass insgesamt zur Erzielung eines vorbestimmten Sorptionspotenzials weniger Sorbens benötigt wird. Durch die dadurch ermöglichte Verringerung des Sorbens kann zum einen der Sorpti onsbehälter kleiner ausgeführt werden, wodurch die Vorrichtung insgesamt kompakter wird. Zum anderen ist mit der Verringerung des Sorbens eine Verringerung der Herstellungs- und der Wartungskosten verbunden.
  • Im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten warmen Regeneration kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein erhöhtes Temperaturniveau des Regenerationsgasstroms auch ohne ein Aufheizen des Regenerationsgasstroms durch Zufuhr externer Energie erreicht werden. Hierdurch kann die Energieaufnahme des Systems verringert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dem Heißregenerationsgasstrom vor der Regeneration des Sorbens zumindest einen Teil des Kaltregenerationsgasstroms wieder zuzumischen. Durch ein Zumischen (eines Teils) des Kaltregenerationsgasstroms in den Heißregenerationsgasstrom wird zwar die mittlere Temperatur des Regenerationsgasstroms abgesenkt, gleichzeitig erhöht sich jedoch der Durchsatz an Regenerationsgas, wodurch weniger von dem zuvor in der Vorrichtung aufwändig getrennten Gases für die Regeneration der Vorrichtung abgezweigt werden muss. Der Anteil des Kaltregenerationsgasstroms, der dem Heißregenerationsgasstrom wieder zugemischt werden sollte, hängt von den Umständen der jeweiligen Anwendung ab; diese Größe kann vom Fachmann unter einer Berücksichtigung einer möglichst hohen Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung problemlos mittels seines Fachwissens ermittelt werden.
  • Grundsätzlich ist es möglich, den Kaltregenerationsgasstrom vollständig, d. h. zu 100% wieder dem Heißregenerationsgasstrom zuzumischen. Bei einem adiabaten System würde sich wieder die gleiche mittlere Temperatur des Regenerationsgasstroms vor dessen Separation in dem Wirbelrohr ergeben. Bei einer realen Vorrichtung handelt es sich jedoch nicht um ein adiabates sondern um ein geschlossenes System, bei dem zwar keine (zumindest nicht in relevanten Mengen) Materie, jedoch thermische Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird. Dies führt dazu, dass der Heißregenerationsgasstrom, dessen Temperatur erheblich über der Umgebungstemperatur liegen kann (z. B. 80°C), beispielsweise in den Zuleitungen thermische Energie an die Umgebung abgibt, und der Kaltregenerationsgasstrom, dessen Temperatur erheblich unter der Umgebungstemperatur liegen kann (z. B. –10°C) thermische Energie aus der Umgebung aufnimmt. Dies ermöglicht nun, beispielsweise bewusst auf eine Isolierung der Zuleitung für den Kaltregenerationsgasstrom zu verzichten, mit dem Ziel, auf dem Weg von dem Wirbelrohr bis zu der Vermischungsstelle die Wärmeaufnahme aus der Umgebung durch den Kaltregenerationsgasstrom höher ausfallen zu lassen als den Verlust an thermischer Energie an die Umgebung durch den Heißregenerationsgasstrom.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann folglich eine möglichst effektive Isolierung der Zuleitungen für den Heißregenerationsgasstrom und eine möglichst ineffektive Isolierung der Zuleitung für den Kaltregenerationsgasstrom aufweisen.
  • Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den Kaltregenerationsgasstrom vor der Zumischung zu erwärmen, indem mittels einer Heizvorrichtung Wärmeenergie zugeführt wird.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, den Kaltregenerationsgasstrom von dem zu trennenden Gas vorwärmen zu lassen. Dies ist zum einen mit dem Vorteil verbunden, dass eine Vorwärmung des Kaltregenerationsgasstroms ohne eine auf die Zufuhr externer Energie angewiesene Heizvorrichtung erfolgen kann. Weiterhin kann dadurch die Temperatur des zu trennenden Gasstroms gesenkt werden, was zu einem Auskondensieren der zu trennenden Komponente des Gasstroms bereits vor dem Eintritt in den Sorptionsbehälter führen kann. Durch die dadurch bedingte Entlastung des Sorbens kann entweder die Menge des Sorbens in den Sorptionsbehältern reduziert oder die Menge des zu trennenden Gases, die vor einer Regeneration des Sorptionsbehälters in diesem getrennt werden kann, erhöht werden. Dadurch können sich insbesondere die Betriebskosten verringern.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Trennen von Wasser(dampf) aus einem Gas (z. B. Druckluft), d. h. zum Trocknen eines Gases oder auch zur selektiven Zerlegung von Gasgemischen unter Druck mittels des Druckwechsel-Adsorptionsverfahrens (PSA: Pressure Swing Adsorption).
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 in einer stark vereinfachten Darstellung den Aufbau und den Strömungsverlauf in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
  • 2 ein Wirbelrohr, wie es bei der Vorrichtung der 1 zum Einsatz kommen kann, in einer Schnittdarstellung.
  • Die 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gases. Konkret handelt es sich hierbei um einen Adsorptionstrockner für Druckluft. Der Adsorptionstrockner umfasst zwei Adsorptionsbehälter 1, 2, die mit einem Adsorbens (nicht dargestellt) befüllt sind. Weiterhin sind ein Wärmetauscher 3, ein Wirbelrohr 4, ein Vor- 5 sowie ein Nachfilter 6 und eine Steuereinheit 7 vorgesehen. Die Steuereinheit 7 dient der Ansteuerung einer Vielzahl von Ventilen, die in ein Leitungssystem der Vorrichtung integriert sind. Mittels des Leitungssystems werden die Adsorptionsbehälter 1, 2 entweder mit zu trocknender Druckluft oder mit Regenerationsluft versorgt.
  • Die zu trocknende Druckluft wird dem Adsorptionstrockner an der Position I zugeführt. Hierbei weist diese eine mittlere Temperatur von ca. 35°C auf. Die Druckluft durchströmt daraufhin den Wärmetauscher 3, dessen Funktionen nachfolgend noch beschrieben werden wird. Hierbei erfolgt eine Absenkung der mittleren Temperatur der Druckluft auf ca. 30°C. Daraufhin durchströmt die Druckluft den Vorfilter 5, in dem Flüssigaerosole (Öl und Wasser) und Partikel aus der Druckluft herausgefiltert und das Druckluftkondensat aus dem System entfernt wird. Daraufhin wird die Druckluft über ein erstes steuerbares Wechselventil 8 einem der beiden Adsorptionbehälter 1, 2 zugeleitet. Im dargestellten Fall ist dies der linke der zwei in der 1 dargestellten Adsorptionsbehälter 1, 2.
  • Die Druckluft durchströmt das in dem linken Adsorptionsbehälter 1 befindliche Adsorbens, wobei die in der Druckluft enthaltene Feuchtigkeit von dem Adsorbens adsorbiert wird. Die so getrocknete Druckluft verlässt den linken Adsorptionsbehälter 1 an der Position II und strömt über ein zweites steuerbares Wechselventil 9 zu einer Verzweigung III. An dieser Verzweigung III wird ein (kleiner) Teilstrom der getrockneten Druckluft abgezweigt und dem Wirbelrohr 4 zugeführt. Der (größere) Teilstrom der getrockneten Druckluft wird, nachdem er den Nachfilter 6 passiert hat, aus dem Adsorptionstrockner abgeführt und kann für die vorgesehene Anwendung eingesetzt werden. Der Nachfilter dient dazu, Feststoffpartikel (z. B. Sorbensabrieb) aus dem Gasstrom abzuscheiden.
  • Der als Regenerationsluft dienende Teilstrom der getrockneten Druckluft wird an der Position IV in tangentialer Richtung in das Wirbelrohr 4 eingeleitet. Innerhalb des Wirbelrohrs 4 ergibt sich der in der 2 dargestellte Strömungsverlauf, wobei eine Separation des Regenerationsluftstroms (dargestellt anhand der hellen Pfeile) in einen Heißluftstrom (gepunktete Pfeile) sowie einen Kaltluftstrom (schwarze Pfeile) erfolgt. Der Heißluftstrom (ca. 40% des Regenerationsluftstroms) verlässt das Wirbelrohr 4 an der Position V, wohingegen der Kaltluftstrom das Wirbelrohr an der Position VI verlässt. Der Kaltluftstrom, der ca. 60% des gesamten Regenerationsluftstroms ausmacht, weist hierbei eine mittlere Temperatur von ca. –10°C auf. Der Kaltluftstrom durchströmt daraufhin den Wärmetauscher, in dem dieser auf eine mittlere Temperatur von 25°C erhitzt wird.
  • An der Position VII werden der Heißluft- sowie der Kaltluftstrom wieder vermischt und über ein geöffnetes erstes Absperrventil 10 dem rechten Adsorptionsbehälter 2 zugeführt. Hierbei verhindert ein zweites (verschlossenes) Absperrventil 11 ein Einströmen der Regenerationsluft in den linken Adsorptionsbehälter 1. Der nunmehr eine mittlere Temperatur von ca. 47°C aufweisende Regenerationsluftstrom durchströmt das gesättigte Adsorbens von oben nach unten, wobei das an dem Adsorbens adsorbierte Wasser von der Regenerationsluftstrom aufgenommen und über ein drittes Absperrventil 12 und einem diesem Absperrventil nachgeschalteten Schalldämpfer 13 abgeführt wird. Das dritte Absperrventil wird hierbei von der Steuereinheit 7 anhand der Messwerte eines Drucksensors 14 angesteuert.
  • Die Funktionsweise des dargestellten Adsorptionstrockners ist derart, dass einer der Adsorptionsbehälter dann regeneriert wird, während der andere Adsorptionsbehälter für das Trocknen der Druckluft verwendet wird. Sobald der für das Trocknen der Druckluft verwendete Adsorptionsbehälter die Sättigungsgrenze erreicht, wird über das erste Wechselventil 8 die zu trocknende Druckluft dem jeweils anderen Adsorptionsbehälter zugeleitet und die Absperrventile entsprechend umgeschaltet. Dadurch wird der vorab regenerierte Adsorptionsbehälter dann für das Trocknen der Druckluft verwendet, während der gesättigte Adsorptionsbehälter regeneriert wird.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gases mit mindestens einem Sorptionsbehälter, der mit einem Sorbens befüllt ist, sowie mit Zu- und Ableitungen, über die in einer Sorptionsphase des Sorptionsbehälters der zu trennende Gasstrom zum Trennen durch das Sorbens geleitet wird und über die in einer Regenerationsphase des Sorptionsbehälters ein Teil des getrennten Gasstroms (Regenerationsgasstrom) zur Regeneration des Sorbens durch diese geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerationsgasstrom vor der Regeneration des Sorbens in einem Wirbelrohr (4) in einen Heißregenerationsgasstrom und einen Kaltregenerationsgasstrom getrennt wird und zumindest der Heißregenerationsgasstrom zur Regeneration des Sorbens verwendet wird.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Heißregenerationsgasstrom vor der Regeneration des Sorbens der Kaltregenerationsgasstrom zumindest teilweise wieder zugemischt wird.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltregenerationsgasstrom vor dem Zumischen erwärmt wird.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung für den Heißregenrationsgasstrom isoliert und die Zuleitung für den Kaltregenerationsstrom nicht isoliert ist.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltregenerationsgasstrom von dem zu trennenden Gas erwärmt wird.
  6. Verwendung eines Wirbelrohrs (4) zur Vorwärmung eines Regenerationsgasstroms für die Regeneration einer Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines Gases.
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