吸附式干燥器的运行与选型0韩城

吸附式干燥器的运行与选型

吸附式干燥器的运行与选型 2011年12月04日 来源： 摘要：作者依据多年从事压缩空气净化设备、尤其是吸附式干燥器的设计、实验、运行及指导选型的经验，分析了对吸附式干燥器运行影响颇大而又易忽视与混淆的因素，提出了相应的改善措施与选型方法，并对三种形式的吸附式干燥器进行了经济技术分析比较。一、前言现代工业及自动化生产中大量应用压缩空气，日益发展的现代工业技术又对气源提出了不同品质等级的要求。无论使用何种空气压缩机，当压缩比大于3时［1］，经冷却或长距离管道输送，一般都会有冷凝水析出。冷冻式干燥器因其工作原理和结构所限，压力露点设置不允许低于2℃，而换热效率与分水效率决定了其出口真实露点不可能达到蒸发器的设定值，实测露点多在5~15℃之间。所以，冷冻式干燥器虽有运行费用低(约为吸附式干燥器的1/3~1/5)之优点，但由于干燥度低，对于寒冷地区的室外用气和长距离管道输送(包括室外贮气罐)的室内用气以及制造工艺要求深度干燥的应用场合，如精密仪器、电子、高级喷涂、射流控制、聚酯喷丝等则大量使用吸附式干燥器。本文将重点对吸附式干燥器的运行及其影响因素进行分析，以求对不同行业与类型的用户合理选择净化设备、提高产品等级有所帮助。二、吸附的基础理论与干燥器工作原理吸附是因吸附质与吸附剂分子间相互作用而发生吸附质分子相际转移的一种现象。 压缩空气的干燥常采用物理吸附方法。当待干燥的压缩空气与吸附剂充分(无时间限制)接触时，空气中的水分子扩散到吸附剂上并因范德华引力而被吸附。与此同时，被吸附的水分子因本身的热运动及外界气态分子碰撞，有一部分离开吸附剂表面返回气相，即发生脱附。当同一时间内水分子的吸附量与脱附量相等时，就达到了一个动态吸附平衡，此时吸附与脱附过程均在进行，但速度相等，这种动态吸附平衡是在一定温度与压力条件下建立的。当温度和压力改变时，系统原有的平衡关系将被打破而建立一个新的平衡关系。图1、2［2］所示为水在各种吸附剂上的吸附等温线和等压线，它描述了吸附过程的热力学特性。由图可知，一定温度下，水的吸附量随气相中水气分压增大而增大一定压力下，水的吸附量随温度升高而减少；即在低温或高压下水分被吸附，在高温或低压下水分被解吸。干燥器正是依此原理而工作的。

图1水在4A分子筛上的吸附等温线 图2 水在5A分子筛上的吸附等压线(压力10mmHg)

吸附式干燥器一般采用双塔式，一塔进行吸附，另一塔进行解吸。依再生方式的不同可分为无热再生式干燥器，有热再生式干燥器和微热再生式干燥器。无热再生干燥器的实际工作过程分吸附 、再生、均压三个阶段，微热与有热再生干燥器则由吸附、再生、吹冷、均压四个阶段构成一个循环。工作时，压缩空气交替流经A、B两个充满吸附剂的塔式容器，一塔在工作压力(高水气分压)状态下吸附时，另一塔则在接近大气压(低水气分压)状态下(PSA法)或受热状态下(TSA法)解吸，然后按所设定的程序切换两塔交替工作。三、影响干燥器运行的因素吸附式干燥器的设计一般是依据以下相关条件与选择性参数进行计算，最终确定吸附剂装填量［1］、［2］和结构的：现场条件-- 环境温度，空压机类型，系统配置进口工况-- 压力，温度，流量出口式況-- 露点，压力损失，有效供气量运行条件-- 露点控制方式，供需平衡 选择参数-- 吸附剂种类，动态吸附量，工作周期，安全(富裕)系数，空塔流速，接触时间，再生气加流比，加热器功率，时间程序等。制造厂商一般按照行业约定的标准工况，即进气压力7bar，进气温度35℃，环境温度25℃，压力露点-20℃(或-40℃，-60℃)以及依据不同再生方式确定的回流比进行设计。当干燥器在规定工況下运行时，其效率将会得到最大程度的发挥。只要用户依据自身的处理气量与需求，选择相适应的配套干燥器，就可获得所需品质要求的干燥空气。反之，若运行条件距规定工况相差甚远而又不采取相应措施，将会影响设备的正常运行，降低工作效率，严重时甚至无法获得所需品质产品气，并影响设备的使用寿命。 以下将从几个方面分析对干燥器正常运行影响颇大而又易被忽视的因素：1. 微量油累积一般行业所指的无油润滑活塞式空压机(迷宫式、填料带正压保护以及小功率全无油机除外)排气中仍有一定量的润滑油存在，依其结构和规格不同约有6~15mg/m3。国产无油活塞式压缩机极少提供含油量指标，唯有柳二空的VHN系列无基础无油润滑压缩机(根据英国Bellis SS&Morcom公司生产许可证、按国际标准制造并获该公司认可)在其技术参数中注明气体含油量指标≤8ppm.W(相当于10mg/ m3)。与无油活塞机含油量相当的喷油螺杆空压机，其含油量依油气分离器效率与排气温度的高低，一般可认为在5~15 mg/ m3，取两者中值即10 mg/ m3。以10m3/min排气量空压机为例，运行一年，微量油累积量为：10mg×10m3/min×60min×24h×300d=43.2Kg/年如此之多的润滑油进入吸附干燥器内所引起的后果不难想象。无怪乎许多用户反映所购买的国产干燥器每年都需更换吸附剂。解决这一难题的方法是在干燥器进气口前设置除油过滤器，以降低进入干燥器的气体含油量。我公司引进德国超滤公司生产的精密除油滤芯而组装的高效除油过滤器可使滤后气体含油量指标降为0.01~0.5 mg/ m3，能有效地防止微量油累积造成的吸附剂中毒，保证其使用寿命在5年以上。2. 进气温度进入干燥器的压缩空气为饱和或过饱和湿空气(含有一定量的游离水)。表1所示为不同温度与压力下压缩空气的饱和含水量。从表中可以看出：同等压力条件下，温度每提高5℃，饱和含水量增加30%左右，也即进入干燥器的水份负荷增加30%左右；此外，吸附剂的吸附能力随温度的升高而降低(见图1)，故随进口气体温度的升高，干燥器的干燥效率下降。由实验结果分析，进气温度每提高5℃，成品气出口露点将升高8~10℃；如果压缩机后冷却器之后不设分离过滤装置或分离过滤效率低下，致使液态水进入干燥器，则会进一步恶化干燥效率。

表1 压缩空气的饱和含湿量(g/Kg)

所以，对于风冷压缩机或循环水冷却的压缩机需小心处理，尽可能降低进气温度和提高液态水分离过滤效率。否则就应考虑扩大干燥设备容量，即向上一档选型。3. 工作压力从表1还可以看出，压缩空气饱和含水量(进入干燥器的负荷)与压力成反比，即工作压力愈低，干燥器负荷愈高；且经节流小孔引出的再生气量与压力成正比［4］，工作压力的下降会导致再生气量的减小从而使干燥器再生效率降低，进而使吸附能力下降；此外，压力降低使塔内容积流速提高，还会导致动态吸附容量的下降，三项叠加效应的结果必然引起产品气出口露点上升。尤其是依变压吸附原理工作的无热再生式干燥器对压力下降十分敏感。故一般都对工作压力的下限提出要求，多以不低于规定工况工作压力的1/2为下限。除压力的下降会降低干燥器效率外，较大范围的压力波动亦会影响设备的正常运行。这是因为容积式压缩机的排气压力(包括过滤器、干燥器的气源系统压力)受背压的影响，由供需平衡关系决定。当用气量大于供气量(质量流量)时，系统压力下降；反之则升高。长期运行，除造成产品气品质波动过大外，亦会降低干燥器的使用寿命。所以，在此类工作压力波动范围较大的应用场合，可附设压力维持阀，尽可能保证设备在稳定工况下运行。如笔者最近做的一个电厂除灰项目，供给仓泵的压力在2~6bar范围呈规律性波动循环。为此，在干燥器出口处增设了一个压力维持阀，使干燥器的工作压力稳定在4~6bar间，并对吸附剂装填量、加热器功率及节流孔径进行了调整，以确保成品气的质量要求。4. 再生气量再生气亦称清洗气，其作用是将干燥剂所吸附的水分解吸并带出干燥塔。再生方式的不同决定了所选择的再生气回流比的不同。无热再生式干燥因其所需的解吸能全部来自于成品气，故再生气量大，约等于全部处理气量的压力分之一。这是依据吸附与再生塔内等容积流速的原则，即再生清洗时脱附水分总量与工作时吸附水分总量相等的原则确定的。由于吸附与解吸的不完全可逆性［2］，再生气回流比一般均大于1。但也有例外情况，如水负荷低(冷干机后设置的吸附式干燥器)和短流程(切换时的减压排空本身也是一种强解吸行为)等场合。微热再生式的解吸能约一半取自产品气，一半取自电加热器，所需再生气耗气量(包括余热再生与吹冷)约为7%。有热式干燥器的大部分或全部解吸能取自于被加热的环境空气，但吹冷阶段则仍全部使用产品气，其再生气回流比约为4-6%，也有所谓的"零排放"，即再生与吹冷均使用环境空气，无任何产品气损失。如德国超滤公司最新推出的HRS系列外加热干燥器，其产品气消耗量为0%。值得注意的是，微加热再生气瞬时流量不可过小，否则会降低作为热载体的再生气传热效率，造成局部过热而大部无热，破坏吸附剂结构与性能，同时流量过小会使流速过低，易形成因气流穿越吸附层短路而形成"烟道效应"导致无法均匀传热与有效解吸。5. 结构设计与程序控制虽从原理上讲，三种形式干燥器在能量消耗方面趋于相同，即在干燥过程中付出多少吸附能，在解吸时就需补充多少解吸能。但由于型式、结构、程序设计等方面的差异，约有50%的解吸能取自于外加热器。再生气经外加热器换热后携带热量进入解吸塔进行高温解吸。在相同的外加热条件下，加热器结构形式的不同会产生不同的换热效率，从而直接影响着电能向热能的转换效率。当热空气进入吸附塔后，热气流的走向方式又在极大程度上影响着吸附剂的再生状况，因潮湿的吸附剂热容量远大于空气，加之再生气量小，流速低，热载体与吸附剂间有充分的时间交换热量。因此，二者一经接触，其热量就被吸附剂吸收而在塔顶形成局部高温。且因吸附剂导热性能差，故此高温带移动缓慢，难以在塔内形成热量的均匀分布而使再生效率降低，局部过热亦会破坏吸附剂的性能与结构，并造成能量损失(热量向周围散失)。目前国内大部分微热式干燥器均存在此类缺点，从而影响了干燥器的应用。此外，在装填密度、强化传热的导管、热管以及时间程序设计的优化和增设脉冲排气(水)、导热吹冷、在线露点控制等方面，亦有一定的节能潜力可挖掘。本公司在多年设计与运行基础上，大胆创新，所设计的双层式电加热器体积小，换热效率高；新颖的气流分布器有效地克服了局部过热、再生效率差的缺点，能最大程度地利用电加热功率，使微热式干燥器的整体性能达到了一个新的水平。四、三种吸附式干燥器经济技术分析(见表2)

表2 吸附式干燥器经济技术分析比较

表2 注解：① 若采用分子筛吸附剂，再生气量大于15%，则大气露点可达-80℃。② 以40m3/min干燥器为例作定性分析，设定空压机功率为250KW，压力露点-40℃，工作压力7bar。③ 250是指空压机电功率。④ 再生气耗量，分别取14%、7%和5%。⑤ 实用系数，分别取90%、50%和30%。⑥ 电加热器(外加热包括风机)功率，分别取18KW和78.2KW。五、结论综上所述，从根本上理解吸附式干燥器的工作原理与设计思路，正确分析并掌握对其吸附性能、工作状态产生影响的因素与方式，在满足使用功能要求的基础上合理选择系统配置，可使干燥器在尽可能良好的工况条件下运行，从而获得高品质的产品气，并延长设备的使用寿命，以期取得良好的社会经济效益。 六、参考文献［1］ 陈永江 《容积式压缩机原理与结构设计》 西安交通大学 1985［2］ 徐明等 《压缩空气站设计手册》 机械工业出版社 1993［3］ 铃木廉一郎 《除湿设计》 中国建筑工业出版社 1988［4］ 施振球等 《动力管道手册》 机械工业出版社 1994

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