Einsatz von Adsorptionstrocknern in der Prozesslufttechnik

Hervorragende Eigenschaften des Silicagels nutzen

Achim Ochs

Wenn es darum geht, Prozessluftströme sehr stark oder auf sehr geringe absolute Feuchten zu trocknen, führt kein Weg am Einsatz von Adsorptionstrocknern vorbei. Da die Entfeuchtung von Luft durch eine extreme Unterschreitung des Taupunkts in einem Kühler viel zu aufwändig und zu energieintensiv wäre, nutzt man bei der Adsorptionstrocknung die Eigenschaften von Silicagelen. Diese sind aufgrund ihrer riesigen inneren Oberfläche in der Lage, bei einer geringen Masse große Mengen an Wasserdampf aufzunehmen und bei einer Regeneration wieder abzugeben.
Bei vielen Prozessen, zum Beispiel in der chemischen Industrie, bei Produktionen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, in Laboren und Lagern gibt es zur Aufrechterhaltung des Betriebs oder von Produkteigenschaften oft sehr genaue und exakt einzuhaltende Vorgaben an die Raumluftfeuchte. Eine Möglichkeit zur Trocknung dieser Luft besteht im Einsatz von Lüftungsgeräten und einem darin integrierten Kühler, der mit Kaltwasser oder mit Kältemittel betrieben wird.

Wenn die Prozesslufttemperaturen allerdings recht niedrig sind, stößt dieses in der „normalen“ Klimatechnik gängige Verfahren aber schnell an seine Grenzen. Denn dann werden zur Entfeuch­tung sehr geringe Wassertemperaturen benötigt, die mit einem erheblichen Energieaufwand er­zeugt werden müssen. Eine seit vielen Jahren dazu eingesetzte, deutlich effektivere Alternative besteht im Betrieb sogenannter Adsorptionstrockner. Deren Aufgabe besteht darin, zu feuchte Prozessluft kontinuierlich zu trocknen und diese mit vorgegebenen Sollwerten für Temperatur und Feuchte dem Prozess wieder zuzuführen. Zudem sind solche Adsorptionstrockner erheblich kompakter als RLT-Geräte und benötigen somit deutlich weniger Platz zur Aufstellung.

Das Arbeitsprinzip der Adsorption

Ein Adsorptionstrockner besteht aus ­einem Sorptionsrotor, zwei Luftfiltern, zwei direkt angetriebenen Ventilatoren zur Förderung der Prozessluft und der Regenerationsluft, einem Erhitzer zur Erwärmung der Regenerationsluft und der zugehörigen Regelung.
Der Prozessluftventilator saugt die aus einem Prozess kommende, zu trocknende Luft über einen Luftfilter in das Gerät ein. Der Luftfilter dient wesentlich zum Schutz des Rotors vor Verschmutzung. Das Gehäuse des Trockners besteht aus Edelstahl, um eine mögliche Korrosion zu vermeiden. Wichtigstes Bauteil für den Trocknungsprozess ist der sich langsam drehende Sorptionsrotor (etwa 6 bis13 Umdrehungen pro Stunde). Dieser besteht zu mehr als 80% aus gesundheitlich unbedenk­lichem Silicagel auf einer wabenförmigen, luftdurchlässigen Glasfaserstruktur. Das Silicagel ist aufgrund seiner extrem großen inneren Oberfläche von bis zu 800 m² pro Gramm sehr hygroskopisch (wasseraufnehmend) und kann daher große Mengen an Wasser aus der Prozessluft aufnehmen und auf seiner Oberflächenstruktur speichern. Bei der Strömung der Prozessluft durch den Sorptionsrotor finden gleichzeitig zwei thermodynamische Prozesse statt:
Erstens kann die Prozessluft sehr stark entfeuchtet werden (Taupunkte unter 50°C). Wie intensiv dieser Entfeuchtungsprozess ist, hängt besonders von vier Faktoren ab: Der Ausgangsfeuchte und -temperatur der Luft, dem Volumen des Silicagels im Rotor, der Drehgeschwindigkeit des Rotors und von der Temperatur und Volumenstrom der Regenerationsluft.
Zweitens wird die Prozessluft bei diesem Trocknungsprozess erwärmt. Ähnlich wie bei der gezielten Befeuchtung von Luft (zum Beispiel bei der indirekten Verdunstungskühlung), wo die Lufttemperatur um etwa 2,5 K pro g/kg Luft Feuchtezunahme sinkt, steigt bei der Trocknung im Sorptionsrotor durch das Freisetzen der Adsorptionswärme die Lufttemperatur um etwa 2,8 bis 3 K pro g Wasser, das pro kg Luft entzogen wird. Wenn ­also zum Beispiel Luft mit einer Temperatur von 30°C und einer absoluten Feuchte von x = 12 g/kg auf eine Zielfeuchte von x = 4 g/kg entfeuchtet werden soll, steigt dadurch die Lufttemperatur um rund 8 x 3 = 24 K auf 54°C an. Daraus folgt zum Beispiel für einen Luftvolumenstrom von 1 m³/s (3.600 m³/h) eine Wärmefreisetzung von etwa 29 kW. Danach strömt die so entfeuchtete, warme Luft, die oft noch auf eine geringere Zulufttemperatur gekühlt werden muss, zurück zum Prozess (Raum), wo sie wieder Feuchte aufnimmt und dann zum Adsorptionstrockner zur erneuten Trocknung zurückkehrt. […]