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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum sorptiven Trennen eines
Gasstroms und insbesondere einen Sorptionstrockner zur Trocknung
eines Gases.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
den Kaltregenerationsgasstrom vor der Zumischung zu erwärmen, indem
mittels einer Heizvorrichtung Wärmeenergie
zugeführt
wird.
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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.
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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).
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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 in
einer stark vereinfachten Darstellung den Aufbau und den Strömungsverlauf
in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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2 ein
Wirbelrohr, wie es bei der Vorrichtung der 1 zum Einsatz
kommen kann, in einer Schnittdarstellung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.