Lieber integrieren statt kombinieren 1

Bestimmte Produktionsverfahren, wie etwa zur Erzeugung von Instrumentenluft, Luft für pneumatische Steuerungen, verfahrenstechnische Prozesse oder Förderluft für den Transport pulverförmiger Materialien in Chemie, Pharmazie und Lebensmitteltechnik, verlangen den Einsatz qualitativ hochwertiger Druckluft, mithin eine zuverlässige Druckluft-Aufbereitung. Denn die Luft soll technisch ölfrei und darüber hinaus sehr trocken sein. In der Regel sollten dazu Drucktaupunkte unterhalb 0 Grad Celsius bis herab zu 40 Grad Celsius angestrebt werden.

Erfolgt anschließend die Verteilung des Arbeitsmediums Luft durch ein weitverzweigtes Rohrleitungsnetz oder streckenweise sogar durch Freiluftleitungssysteme, lassen sich Störungen durch gefrorenes Kondensat nicht ausschließen. Sie sind insbesondere in den Wintermonaten sogar an der Tagesordnung. Mögliche Folgen: Anlagenstillstände oder Qualitätseinbrüche innerhalb der Produktion, in jedem Fall aber erhebliche Folgekosten.

Und noch Punkt ist zu berücksichtigen: Der Energieverbrauch für eine Aufbereitungseinheit kann – abhängig von der eingesetzten Technik von fünf Prozent (Qualitätsklasse 4) bis hin zu 30 Prozent (Qualitätsklasse 1) variieren. In Anbetracht der Tatsache, dass Kompressorenhersteller beim Energieverbrauch mit Vorteilen von bis zu fünf Prozent argumentieren, wird deutlich, dass effektive Einsparungen eigentlich nur bei der Aufbereitung erreicht werden können.

Übliche Methoden zur Aufbereitung setzten auf der Technik des Kältetrocknes oder des Adsorptionstrockners auf: Kälte-trockner reduzieren den Drucktaupunkt entsprechend Klasse 4 bis auf drei Grad Celsius. Das Kältesystem benötigt dafür im Vergleich zum Verdichter etwa drei Prozent der Energieaufnahme. Beim Unterschreiten der Drucktaupunkttemperatur von drei Grad Celsius allerdings kondensiert die Restfeuchte und es kann Eisbildung auftreten – verbunden durchaus mit Gefährdung des Druckluftsystems und der Anwendungen.

Wirtschaftlichkeits-Berechnung
Wirtschaftliche Erzeugung von Drucktaupunkten unterhalb null Grad Celsius bei mittleren und großen Volumenströmen war bisher nur mittels Adsorptionstrockner möglich. Bei Volumenströmen ab rund 1000 Kubikmeter pro Stunde kommen dabei weitestgehend warmregenerierende Adsorptionstrockner zum Einsatz. Im Vergleich zu kaltregenerierenden Adsorptionstrocknern liegen deren Investitionskosten zwar höher, sie rechnen sich aber dennoch aufgrund niedrigerer Betriebskosten. Die Regeneration des warmregenerierenden Adsorptionstrockners benötigt im Vergleich zum Verdichter etwa acht Prozent der Energieaufnahme.

In der Vergangenheit galten daher verschiedene Bestrebungen dem Ziel, Adsorptionstrockner mit Warmregeneration wirtschaftlicher betreiben zu können. Doch auf welche Weise lassen sich physikalische Gesetzmäßigkeiten innerhalb eines Adsorptionstrockners im Sinne einer verbesserten Wirtschaftlichkeit tatsächlich beeinflussen? Lassen sich möglicherweise die Prinzipien von Adsorptions- und Kältetrockner technisch miteinander kombinieren? Dazu eine Rechnung zur Wirtschaftlichkeit:

  • Druckluft bei 35 °C (nach ISO 7183) enthält 39 Gramm Wasserdampf.
  • Druckluft bei 3 °C (Standard nach ISO 7183) enthält sechs Gramm Wasserdampf.
  • Druckluft bei -40 °C (Standard nach ISO 7183) enthält 0,12 Gramm Wasserdampf.

Und als Vergleichsbeispiel für die Trocknung von 2500 Kubikmeter pro Stunde Druckluft bei  sieben bar (ü) und 35 Grad Celsius:

  • Das Trocknen der Druckluft mittels eines Kältetrockners zu einem Drucktaupunkt von drei Grad Celsius erfordert eine Leistungsaufnahme von ungefähr fünf Kilowatt. Es werden 33 Gramm (39-6) Wasserdampf kondensiert und ausgeschieden. Der Verbrauch per Gramm Wasserdampf  beträgt 0,15 Kilowatt pro Gramm (5:33).
  • Ein warmregenerierender Adsorptionstrockner trocknet die Druckluft zu einem Drucktaupunkt von minus 40 Grad Celsius. Dabei werden 38,88 Gramm Wasserdampf (39-0,12) aus der Druckluft entfernt, die dafür benötigte Leistung beträgt 20,6 Kilowatt, entsprechend pro Gramm Wasserdampf (20,6 : 38,88) 0,53 Kilowatt pro Gramm. Ein um Faktor 3,5 höherer Wert als beim Kältetrockner.
  • Bei der Kombination beider Systeme ergeben sich folgende Werte: Der Kälte-trockner erfordert eine Leistung von fünf Kilowatt. Der Restwassergehalt beträgt sechs Gramm. Der Adsorptionstrockner entfernt 5,88 Gramm und benötigt dafür (5,88 x 0,53) = 3,1 Kilowatt. In Kombination beträgt die gesamte Leistungsaufnahme 8,1 Kilowatt (5 + 3,1).
  • Damit liegen die entscheidenden Werte vor (sämtliche Werte sind Richtwerte und dienen lediglich den Vergleich): Die Aufbereitung zu einem Drucktaupunkt von minus 40 Grad Celsius mittels Adsorptionstrockner benötigt eine Leistung von 20,6 Kilowatt. Die Aufbereitung zu einem Drucktaupunkt von minus 40 Grad Celsius mittels einer Kombination wie hier vorgestellt benötigt 8,1 Kilowatt.
  • Die Schlussfolgerung liegt auf der Hand. Es erweist sich als sinnvoll, beide Trocknungssysteme miteinander zu kombinieren. Die Druckluft wird dabei mit einem Kältetrockner vorgetrocknet bis zu drei Grad Celsius und mit dem Adsorptionstrockner nachgetrocknet bis auf minus 40 Grad Celsius.

Zum Funktionsprinzip: Die feuchte Luft tritt mit einer Temperatur von rund 35 Grad Celsius in den Kältetrockner ein. Im Kältemittel/Luft-Wärmetauscher wird sie auf etwa drei Grad Celsius abgekühlt. Dabei kondensiert der Wasserdampf und lässt sich im integrierten Abscheidefilter trennen.

Die anschließende Filtration der Luft im Ölfeinstfilter stellt die Ölfreiheit der Druckluft sicher. Nach dieser Vorbehandlung verlässt die Luft den Kältetrockner, der Drucktaupunkt (DTP) liegt nun bei drei Grad Celsius. Absolute Temperatur und Taupunkt der Luft sind deckungsgleich, das Medium ist feuchtigkeitsgesättigt, die relative Feuchte der Luft beträgt mithin 100 Prozent, der Idealzustand für das verwendete Adsorbent ist erreicht.

Trockner-Bauprinzipien im Vergleich: Darstellung des Energiebedarfs in Abhängigkeit von der Drucktaupunktklasse.

Adsorption in Abhängigkeit von der relativen Feuchte: Idealzustand für das Adsorbent “aktiviertes Alumina”.

Auswirkungen des außentemperaturgesteuerten Druckluft-Bypass: Je nach Bedarf lässt sich der Adsorptionstrockner im Sommer umfahren und auf diese Weise nochmals Energie sparen.

Anschließend tritt die Luft mit nahezu gleich bleibender Temperatur in den Adsorptionstrockner ein. Dort erfolgt durch Adsorption die Trocknung auf einen Drucktaupunkt von – je nach Auslegung – minus 25 bis minus 40 Grad Celsius. Danach wird die Luft durch einen Partikelfilter geführt, der den Trockenmittelabrieb zurückhält. Es folgt der in den Kältetrockner integrierte Luft/Luft-Wärmetauscher, den die Luft mit verarbeitungsgerechter Temperatur, beispielsweise 27 Grad Celsius und einem Drucktaupunkt von minus 40 Grad Celsius verlässt.

Ein weiteres Feature des Hybridtrockners Deltech Hybridryer von SPX:  Ein außentemperaturgesteuerter Druckluft-Bypass erlaubt es, den Adsorptionstrockner je nach Bedarf im Sommer zu umfahren (Energieeinsparung) und nur während der Wintermonate in Betrieb zu nehmen – vorausgesetzt dass die Druckluftanwendung dies zulässt.

Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen: Bei der Hybridryer-Druckluftaufbereitung wird bis zu einem Drucktaupunkt von drei Grad Celsius zum Einen das wirtschaftlichste System – der Kältetrockner – genutzt, welcher die Hauptwasserbeladung (85 Prozent) aus dem Druckluftnetz entfernt. Zum Anderen ist ein Adsorber integriert, der bei der höchstmöglichen Wasseraufnahmekapazität des Adsorbents eingebunden wird.

Auf diese Weise ergibt sich – ungeachtet deutlich reduzierter Adsorptionsmittelfüllung, geringeren Regenerations-Heizungs-Aufwands sowie weniger benötigter Regenerations-Gebläse-Energie – die gleiche Druckluftqualität, die ein auf Standardbedingungen ausgelegter Adsorber bietet. Eine moderne Druckluftaufbereitung schlechthin bei geforderten Drucktaupunkten unterhalb null Grad Celsius und für Volumenströme ab etwa 1000 Kubikmeter pro Stunde.

Und last, but not least: Die Installation in bestehende Operationen ist durchaus möglich und kann je nach vorhandener Aufbereitung zu erheblich geringeren Amortisationszeiten führen. Des Weiteren sollte die mögliche Förderung durch öffentliche Mittel für den energie- und damit CO2-reduzierenden Hybridryer nicht außer Acht gelassen werden.

Technik im Detail
Wirtschaftliche Kombination
Durch das Kombinieren eines Kältetrockners mit einem warmregenerierenden Adsorptionstrockner hatte sich die Firma SPX Dehydration & Filtration schon frühzeitig einen wirtschaftlich interessanten Weg zur Druckluftaufbereitung schützen lassen (G 9201713.4). Das Fließschema zeigt die prinzipielle Anordnung.  Das Motiv, die Basis der Überlegungen bestand in der Annahme, dass kleinere Komponenten, eine Konzentration auf wenige Bauteile sowie eine höhere System- und Betriebssicherheit bei den Abnehmern auf Interesse stoßen würde. Darüber hinaus boten auch Teilbetrieb und Teillastbetrieb der Anlagenkombination wirtschaftlich interessante Anreize.

Wege zur Druckluftaufbereitung
Das Prinzip des Kälte-Drucklufttrockners
Sie werden in Bereichen eingesetzt, in denen das Druckluftnetz ausschließlich Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes ausgesetzt ist. Warme, gesättigte Druckluft tritt in den Luft/Luft-Wärmetauscher(A) ein und wird im Kältemittel/Luft-Wärmetauscher (B) weiter abgekühlt, der mittels eines Expansionsventils gesteuert wird. Wasserdampf kondensiert zu Flüssigkeit und wird zuverlässig im Grad-9- Abscheider/Filter von der Druckluft getrennt und durch den vollautomatisch arbeitenden Kondensatableiter (D) abgeschieden. Die nun kalte und trockene Druckluft wird genutzt, um im Luft/Luft-Wärmetauscher (A) die eintretende warme Druckluft abzukühlen.

Das Prinzip des Adsorptionstrockners
Adsorptionstrockner kommen zum Einsatz, wenn das Druckluftsystem Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes ausgesetzt oder wenn für spezielle Applikationen ein besonders niedriger Drucktaupunkt erforderlich ist. Die Luft wird durch einen mit Trockenmittel (aktiviertes Alumina) befüllten Behälter geführt, wobei sich der Wasserdampf auf der Oberfläche des Trockenmittels anlagert. Diese Trockenmittel können regeneriert und immer wieder eingesetzt werden. Die Trockner verfügen über zwei Adsorptionsbehälter. Die Druckluftzuführung wird umgeschaltet, sodass immer ein Behälter trocknet, während der andere Behälter, der nicht von Druckluft durchströmt wird, das Trockenmittel regeneriert. Bei warmregenerierenden Adsorptionstrocknern erfolgt mittels eines Gebläses und einer meist elektrisch betriebenen Heizung die Regeneration des Trockenmittels.

Hybridryer:
Die Eckdaten
Wesentlich für die generelle Wirtschaftlichkeit der Kombination sind folgende Merkmale des Anlagenaufbaus:

  • Niedrigste Betriebskosten im Vergleich zu Standard-Adsorptionstrocknern (warm- und kaltregenerierend)
  • wählbarer Sommer-Winterbetrieb, der zusätzliches – signifikantes – Einsparpotenzial bietet
  • konstanter und frei-wählbarer Drucktaupunkt
  • Vermeidung von Drucktaupunkt- und Temperaturspitzen beim Umschalten der Behälter
  • minimaler Druckluftverlust von 1% für die Kühlung des Adsorbents
  • Effiziente Ölfeinstfiltration an der kältesten Stelle Cold Coalescing
  • längere Lebensdauer des Adsorbents durch extrem niedrige Regenerationstemperaturen (zirka 130°C) und lange Zykluszeiten (16h)
  • Einsatz der Digital-Scroll-Technologie (Kältetrockner), sowie Automatic Purge Saving (Adsorptionstrockner) für die Energieeinsparung in Teillastsituationen
  • kompakte Bauweise, die beispielsweise auch in (On-Site)-Containerstationen zur Anwendung kommen kann