去除水分和其它吸附物的系统和方法与流程

在hvac(供热通风与空气调节)和其它工业过程的领域中，现通常使用干燥剂系统来从空气和/或其它流体中去除水分或其它吸附物。更具体地，旋转式干燥剂系统用于生产区域要求低湿的应用和工艺要求，例如食品和药品。一种新兴应用是生产锂离子电池，非常低的湿度(小于1％)对于该电池非常重要。由于干燥剂系统消耗大量能量用于再激活，因此此类低湿产品的应用及其解决方案需要创新解决方案来降低此类干燥剂除湿设备用于热再激活的能量。

背景技术：

1、本发明提供了新型系统和方法，用于使用固体干燥剂材料来从空气和其它流体中去除水分和其它吸附物，特别是从空气或其它气体中去除水分和其它吸附物。更具体地，本发明涉及环境友好型系统，其中在基本不损害性能的情况下，不仅提供了节能，而且避免或最小化整体环境退化足迹。

2、90％以上的低露点工作要求生产空间/干燥室内的露点为-40℃，因此，为了满足该条件，包括干燥剂(轮)的系统需要产生露点在-50℃至-60℃范围内的干燥空气，以满足室内的湿负载要求。

3、一种此类行业是使用锂离子或新兴替代技术的电池/电池组生产行业，其通常在要求露点为-40℃(dp露点)的干燥室内进行。未来十年，锂电池生产行业可能会在规模上呈指数级增长。此外，电池生产技术产生大量的室内废气、通风空气，因此需要大量的新鲜空气。工业经验是这样的，即在此类系统中，生产锂离子电池所需的总能量仅40-60％用于除湿系统。因此，对于提供需要较少能量的除湿方法和/或系统存在挑战。

4、该目标显著满足基于不同生产技术、工艺和/或过程而变化且大量的新鲜空气需求，同时使用最少的再生能量。相较于再生温度在120-220℃之间的传统系统，同样有利的是通过电气化手段或可选地通过来自太阳热、废热等的常规低级热能，在比如60-80℃的低温再生中的此类新方法和系统中探索选用新材料的可能性。

5、在满足使用锂离子或新兴替代技术的电池单元/电池组生产的重要需求的同时，这也为使用低温热源和/或25％-40％范围内的除湿要求的一般工业除湿的实施开发了潜力，这在食品或药品生产/加工单位中是典型的。

6、在此提供的系统和方法的宗旨是能够实现非常重要的目的：

7、-使用干燥剂轮实现全行业节能；

8、-保持干燥室/工作空间中的低露点(通常<-40℃至-80℃)；

9、-确保降低用于实现低露点的设备/系统的能耗；

10、-还确保可能在比如生产锂离子电池单元的制造区域/干燥室所需要的或者在其中需要的处理高新鲜空气要求的能力的柔性；和

11、-低能耗-优选通过低温再生。

12、本发明的目的还允许结合使用新材料/吸附剂的干燥剂轮，这提供了高效除湿，并且需要低温再生，例如具体地在60℃-80℃的范围内，更广泛地在50℃-100℃的范围内。

13、本发明的另一目的是实现低吸附物浓度，该吸附物不仅包括h2o(水)/水分，而且包括co2(二氧化碳)和多种voc(挥发性有机化合物)。对于多种voc等，本发明的方法和系统还提供并且有助于减少不同气流之间的交叉污染。

14、本发明的这些和其它目的通过借助现有技术系统和方法的部件的巧妙方法来实现，即排出空气本身被重新使用以满足必要的热能需求-从而首先降低了能量需求，其次确保了维持新鲜空气，再次在某些需求中，还确保了设备出口露点处于至今商业上认为不可行的水平，即<-70℃至-90℃，从而达到<-40℃到-80℃的工作空间露点要求。

15、虽然本发明是在旋转床吸附系统中实施的，但是它也可以适用于实施固定床/批吸附系统。

16、使用旋转床吸附系统从处理流体流中收集吸附物并将其以浓缩形式转移至再生流体流中是众所周知的。通常被去除的吸附物包括水蒸气、多种挥发性有机化合物(“vocs”)等。

17、一些现有技术指出/陈述了此类系统的典型问题是处理流和再生流之间潜在的交叉污染，然而这不是行业经验，而是在例外的此类情况下，本发明可以减少或甚至避免任何交叉污染。

18、现有技术描述

19、在此阶段，为了提供通过本发明已经实现的内容的背景和语境，下文给出申请人可获得的现有技术和相关技术的概述。

20、美国专利文献2019/0022574(现为美国专利us 10,702,825)公开了一种空气除湿设备。该公开教导了一种设备，其中用预冷器对外部空气进行冷却除湿，以通过二氧化碳吸附转子的吸附区域，从而将具有低二氧化碳浓度的空气用中冷器进行冷却。已通过中冷器的空气通过吸湿转子的吸附区域，然后供给至低湿作业室。将来自低湿作业室的返流空气可与预冷器排出的空气进行混合。通过中冷器的空气的一部分分支通过吸湿转子的气洗(purge)区域，然而被输送至再生入口温度220℃的吸湿转子的再生区域。通过吸湿转子的再生区域空气与外部空气进行混合，然后在通过二氧化碳吸附转子的再生区域之后，排出到装置外。

21、wo 2020/006564教导了一种旋转吸附床系统，该系统包括旋转的可再生吸附剂材料块，在操作循环中，给定体积的吸附剂块在返回第一区域之前相继地通过第一、第二、第三、第四和第五区域；处理流体流，该处理流体流被引导通过第一区域；再生流体流，该再生流体流被引导通过第三区域；以及隔离流体流，该隔离流体流独立于处理流体流和再生流体流而在封闭环路中通过第二和第四区域再循环。再生流体流在通过第三区域之前以再生入口温度325°f(162℃)通过第五区域。

22、wo 2020/178436教导了一种用于生产具有非常低露点的工业用空气的3-转子干燥系统，该干燥系统包括三个旋转式干燥剂干燥器，每个旋转式干燥剂干燥器包括干燥扇区和再生扇区，所述旋转式干燥剂干燥器依次设置并且共用公共再生空气流动路径和公共进入空气流动路径，所述公共再生空气流动路径用于使再生空气通过所述旋转式干燥剂干燥器的所述相应再生扇区，且所述公共进入空气流动路径用于使进入空气通过所述旋转式干燥剂干燥器的所述相应干燥扇区，用于将所述进入空气除湿为具有非常低露点的产物空气。

23、重要的是要理解，当热量(质量流量和温度的组合)被添加至用于再生干燥剂轮的空气/流体中时，可达到的处理空气“出口”露点受限于进入转轮进行再生的空气/流体的rh(相对湿度)。

24、换而言之，处理“出口”空气/流体的相对湿度将高于再激活的流入空气/流体的相对湿度。因此，再激活流入空气/流体的相对湿度越低，处理“出口”空气/流体可达到的相对湿度和露点可能越低。再生空气/流体的相对湿度可通过提高再激活“入口”温度和/或降低再激活入口水分含量/露点(因此降低相对湿度)中的一种或其组合来降低。

25、美国专利us 7101414教导了一种使用吸附床系统降低处理流体流吸附物浓度的方法，所述方法包括以下步骤：旋转吸附剂块体，使得在操作循环中给定体积的吸附剂块体在回到第一区域之前相继穿过第一、第二、第三、第四、第五以及第六区域。使处理流体流在第一区域穿过吸附剂块体，并且使再生流体流以再生入口温度335°f(135℃)在第四区域穿过吸附剂块体。使第一隔离流体流在吸附剂块体的第二区域和第六区域之间的闭合回路中独立于处理流体流和再生流体流进行再循环。使第二隔离流体流在吸附剂块体的第三区域和第五区域之间的闭合回路中独立于处理流体流、再生流体流以及第一隔离流体流进行再循环。

26、wo 2011/161693教导了用于将空气或其它气体干燥至低湿水平的节能干燥剂除湿的方法和设备。该方法和设备包括具有多于一个除湿区域或扇区的干燥剂转子(轮)。分开的除湿扇区可以被用来给分开的空气或气流除湿，或它们也可以通过使单股空气或气流穿过多于一个的扇区被用来给单股空气或气流除湿。从除湿扇区排出的所有或部分空气或气体在加热之前被用于再激活流入空气或气体的全部或部分。干燥剂轮可包括多于一个再激活扇区，其中各独立的空气或气体源用于各扇区。该干燥机轮可包括再激活和除湿扇区之间的气洗扇区用以提高除湿处理的热效率。

27、在本领域已经认识到，此类系统的最大能耗缘于需要保持低露点。

28、虽然现有技术中已确定了若干此类问题，但是例如美国专利us 7101414(美国专利us′414)主要聚焦于防止交叉污染。如上所述，早在2005年的us′414披露了一种降低旋转床吸附系统中处理流体流吸附物浓度的方法。该专利的方法使用隔离回路的概念来减少这种交叉污染。隔离回路/区域的数量可以是一个或多个，以能够降低水分从更高浓度的流体流通过吸附剂基体的扩散，或者降低蒸气从更高浓度的流体流向更低压力的流体流的转移。本发明聚焦于提供多个隔离回路，由此优选地，第一区域、第五区域和第六区域中的流体流动方向相同，第二区域、第三区域和第四区域中的流体流动方向相同，并与(通过第一区域、第五区域和第六区域的)第一流体流动方向相反。

29、wo 2020/006564是另一更接近的现有技术-并且声称是在us 7101414上的发展/进步。wo′564陈述了其在us′414所涵盖的基础技术上使用循环隔离回路和气洗/再生回路的组合。该公开陈述该气洗/再生回路使用来自在再生区域之后的转子区域的热空气来预热将被进一步加热的空气，用于供给至再生区域。再循环隔离回路冷却在处理空气进口侧的转子，并在它进入再生扇区之前预热转子。

30、属于申请人的美国专利us 9303884提供了一种系统和一种方法，其中提供了通过该系统和方法将空气或其它气体干燥至低湿水平的节能干燥剂除湿。us′884的方法和设备包括具有多于一个除湿区域或扇区的干燥剂转子(轮)。分开的除湿扇区可以被用来给分开的空气或气流除湿，或它们也可以通过使单股空气或气流穿过多于一个的扇区被用来给单股空气或气流除湿。从除湿机扇区排出的所有或部分空气或气体在加热之前被用于再激活流入空气或气体的全部或部分。干燥剂轮可包括多于一个再激活扇区，其中独立的空气或气体源用于各扇区。该干燥机轮可包括再激活和除湿扇区之间的气洗扇区以提高除湿处理的热效率。该现有技术的系统能够在露点<-60f的情况下利用单个转子轮供送100％的外部空气，但是具有相当高的再激活能量消耗。

31、图1是如us 9303884的图4所示的现有技术除湿机系统的示意图，并示出了干燥剂转子(1)的基本布置，其依次包括处理扇区(2)、气洗扇区(4)和再激活扇区(3)。在此布置中，外界气流(12)最初在第一冷却单元(6)中被冷却，并且与返流(13)混合。外界气流(12)和返流(13)的混合物被称为处理流入气流(14)。处理流入气流(14)在第二冷却单元(8)中被冷却。处理流入气流(14)的一部分穿过处理扇区(2)以在其中除湿。通过此类除湿，处理流入气流(14)中的水分由放置在轮(1)的处理扇区(2)中的干燥剂吸收，以输出处理流出气流(15)。此外，在此布置中，处理流入气流(14)的剩余部分即气洗空气(26)穿过轮(1)的气洗扇区(4)。气洗空气26的方向通常与处理流出气流(15)相同且与再激活流入气流(16)相反。在一个实施例中，气洗空气26源可以是通过第二冷却盘管(8)的处理流入气流14的一部分。从气洗扇区(4)离开并吸收了再激活扇区(3)的热转移量的气洗空气(26)作为再激活流入气流(16)被供送至再激活扇区(3)。值得注意的是，从气洗扇区(4)离开的气洗空气(26)被第一加热单元(10)加热，以输出再激活流入气流(16)。然后，再激活流入气流(16)穿过再激活扇区(3)，使得再激活流入气流(16)从位于其中的干燥剂中吸收水分，用以将干燥剂除湿并输出再激活流出气流(17)。随后，再激活流出气流(17)作为再生流出空气(19)通向外部环境。这种配置在不利用大量再激活热/能量的情况下在输送期望露点方面存在局限性。

32、如上所述的图2是us 9303884中图6所示的现有技术除湿机系统的示意图。该系统利用两个串联的除湿机轮来应对某些应用场合所需要的高补偿/加压空气比例和/或非常低的湿度，但这样做存在大量能量损失。在这种布置中，单独的除湿机单元被用来预处理加压/补偿空气(20)和环境空气(12)的混合物，并减小下游的处理除湿机的湿度负载。当这种布置用于电池单元制造应用时，一个除湿机必须对多个室内或处理空气除湿机的加压/补偿空气(20)和外部空气以及再激活空气(17)的混合物进行不必要的预除湿，使得整个系统需要两个大的再激活加热电池。

33、图3是如us 9303884的图7所示的用于低露点应用的现有技术除湿系统的示意图，其还示出了具有至少一个附加扇区即外部空气(osa)扇区(4)的干燥剂除湿机的基本布置。在这种布置中，第三气流即补偿空气(26)依次在再激活扇区(3)和处理扇区(2)之间穿过叶轮(1)。外部流入空气(12)的方向通常与处理空气流(15)的方向相同且与再激活空气流(16)相反。处理流入气流(14)源可以是处理返回空气(13)或来自另一气源的空气与补偿空气(26)的混合物，比如通过第一冷却单元(6)的空气。

34、与本发明的除湿系统相比，除湿系统的前述实施例的能效相对较低。现将详细解释公开本发明的概念的实施例。

35、相关的是，所有上述公开内容都没有涉及本发明的目的。申请人无法找到这样的任意现有技术，其可通过降低能耗来提供节能，并且还确保维持吸附系统的工业生产单元中通常越来越高的新鲜空气需求。

技术实现思路

1、本发明的目的

2、在此提供的系统和方法的目的是实现非常重要的目标：

3、-使用干燥剂轮实现全行业节能；

4、-保持干燥室/工作空间中的低露点(通常<-40℃至-80℃)；

5、-确保降低用于实现低露点的设备/系统的能耗；

6、-还应确保可能在比如生产锂离子电池的制造区域/干燥室所需要的或者在其中需要的处理高新鲜空气要求的能力的灵活性；和

7、-低能耗-最好通过低温再生；

8、本发明的目的还允许结合使用新材料/吸附剂的干燥剂轮，这提供了高效去除水分，并且需要低温再生，例如具体地在60℃-80℃的范围内，更广泛地在50℃-100℃的范围内。

9、本发明的另一目的是实现低吸附物浓度，该吸附物不仅包括h2o(水)/水分，而且包括co2(二氧化碳)和多种voc。对于多种voc等，本发明的方法和系统还提供并且有助于减少不同气流之间的交叉污染。

10、本发明的这些和其它目的通过借助现有技术系统和方法的组件的巧妙方法来实现，即排出空气本身被重新使用以满足必要的热能需求-从而首先降低了能量需求，其次确保了维持新鲜空气，再次在某些需求中，还确保了设备出口露点处于至今商业上认为不可行的水平，即<-70℃至-90℃，从而达到<-40℃到-80℃的工作空间露点要求。

11、虽然本发明是在旋转床吸附系统中实施的，但是它也可以适用于实施固定床/间歇吸附系统。

12、在本发明中，利用预调节扇区和/或预调节轮，可以显著降低进入再激活“入口”的露点，从而即使在低再生流入温度下也允许非常低的rh。

13、本发明的内容

14、本发明的一个方面涉及一种用于从气流和/或其它流体中去除水分和/或吸附物的设备。该设备包括该设备的预调节区段和该设备的主区段，该设备的预调节区段包括预调节干燥剂轮，该设备的主区段包括主干燥剂轮。预调节干燥剂轮包括两个第一扇区，即第一处理扇区和第一再激活扇区。主干燥剂轮包括至少三个第二扇区，依次包括第二外部空气扇区、第二再激活扇区和第二处理扇区。外界气流依次在预调节干燥剂轮的第一处理扇区中被除湿，随后在主干燥剂轮的第二外部空气扇区中被除湿，之后通过加热单元(10)被至少部分地供送至主干燥剂轮的第二再激活扇区处并且随后被供送至预调节干燥剂轮的第一再激活扇区依次再激活。此外，主干燥剂轮的第二处理扇区接收来自冷却空间的再循环气流和第二预调节气流的至少一部分气流的组合物并将其除湿，以将已除湿的冷却气流输出至冷却空间。

15、本发明的另一方面涉及一种用于从气流和/或其它流体中去除水分和/或吸附物的设备。该设备包括该设备的预调节区段、该设备的主区段和该设备的辅助调节区段，该设备的预调节区段包括预调节干燥剂轮；该设备的主区段包括主干燥剂轮，以及该设备的辅助调节区段包括辅助预调节干燥剂轮。预调节干燥剂轮包括两个第一扇区，即第一处理扇区和第一再激活扇区。主干燥剂轮包括至少三个第二扇区，依次包括第二外部空气扇区、第二再激活扇区和第二处理扇区。辅助预调节干燥剂轮包括两个辅助扇区，即辅助处理扇区和辅助再激活扇区。外界气流在辅助预调节干燥剂轮的辅助处理扇区、预调节干燥剂轮的第一处理扇区中被依次除湿，随后在主干燥剂轮的第二外部空气扇区中被除湿，之后通过加热单元被至少部分地供送以在主干燥剂轮的第二再激活扇区处、预调节干燥剂轮的第一再激活扇区，随后通过第二加热单元供送至辅助预调节干燥剂轮的辅助再激活扇区处依次再激活。此外，第二处理扇区接收来自冷却空间的再循环气流和第二预调节气流的至少一部分气流的组合物并将其除湿，以将已除湿的冷却气流输出至冷却空间。

16、本发明的又一方面涉及一种用于从气流和/或其它流体中去除水分和/或吸附物的方法。该方法包括：在预调节干燥剂轮的第一处理扇区和主干燥剂轮的外部空气扇区中依次对外界气流除湿；通过加热单元将依次除湿的外界气流供送至主干燥剂轮的第二再激活扇区以将其再激活，从而输出第一再激活气流；以及将第一再激活气流直接供送至预调节干燥剂轮的第一再激活扇区以对其再激活，从而输出第二再激活气流。此外，将来自冷却空间的再循环气流和第二预调节气流的一部分气流的组合物供送至主干燥剂轮的第二处理扇区，以将已除湿的冷却气流输出至冷却空间。

17、本发明的又一方面涉及一种用于从气流和/或其它流体中去除水分和/或吸附物的方法。该方法包括：在辅助干燥剂轮的辅助处理扇区、预调节干燥剂轮的第一处理扇区和主干燥剂轮的外部空气扇区中依次对外界气流除湿；通过加热单元(10)将依次除湿的外界气流供送至主干燥剂轮的第二再激活扇区以将其再激活，从而输出第一再激活气流；将第一再激活气流直接供送至预调节干燥剂轮的第一再激活扇区以对其再激活，从而输出第二再激活气流；以及通过第二加热单元(4％)将第二再激活气流供送至辅助干燥剂轮的辅助再激活扇区以将其再激活，从而输出最终的再激活气流。此外，将来自冷却空间的再循环室内气流和第二预调节气流的一部分气流的组合物供送至主干燥剂轮的第二处理扇区，以将已除湿的冷却气流输出至冷却空间。