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吸附干燥

概述

常用的壓縮空氣干燥設備有三種,即冷凍式壓縮空氣干燥機、吸附式壓縮空氣干燥機和組合式壓縮空氣干燥機。冷干機由于其工作原理和結構所限,壓縮空氣出口壓力露點不可能低 ℃,一般在2-10℃之間。在一些場合,對壓縮空氣的壓力露點要求較高,如要求-40℃的壓力露點,此時只能選用吸干機或組合式干燥機

吸干機的工業應用比冷干機早得多。在上世紀五、六年代,我國的一些工業就開始采用吸干機干燥壓縮空氣

吸附分離技術的應用相當廣泛,如工業生產中物質的提純、工業污水的處理、大氣污染的治理等等,吸附干燥是吸附分離技術的應用之一

 

吸附工作原理

吸附過程

當流體(包括氣體和液體)與固體顆粒,特別是與某些多孔性顆粒接觸時,流體中的某些組分便富集于固體顆粒中,這過程叫“吸附過程”。因此,吸附是非均相系統(如氣體—固體系統)中的兩相界面上發生的傳質與富集過程

吸附操作的逆過程,稱為“解吸”或“脫附”,我們通常稱為“再生”

具有一定選擇性吸附功能的多孔性固體物質稱為“吸附劑”,在吸附劑上富集的物質稱為“吸附質”。在壓縮空氣干燥中,吸附質為水蒸氣

根據不同的表面作用,吸附過程可分為物理吸附和化學吸附兩類。前者也稱范德華吸附,它是由分子間作用力和靜電作用力引起的,后者是由化學鍵的形成引起的。化學吸附的作用力強于物理吸附作用力,而且選擇性也高

壓縮空氣的吸附干燥以物理吸附為主。當待干燥的壓縮空氣與吸附劑接觸時,空氣中的水分子擴散到吸附劑上并因范德華引力而被吸附。與此同時,被吸附的水分子因本身的熱運動及外界氣態分子碰撞,有一部分離開吸附劑表面返回氣相,即發生脫附。當單位時間內水分子的吸附量與脫附量相等時,就達到了一個動態吸附平衡,雖然吸附與脫附過程均在進行但速度相等。此時,單位質量吸附劑所吸附的水蒸氣量稱為吸附劑的“靜態吸附量”,常用g( /kg(吸附 、或%表示

在實際生產中,吸附經常在未到達吸附平衡時就結束,因為我們采用吸附的目的不是為了證明某種吸附劑的“靜態吸附量”有多大,而是為了達到流體中兩種物質的分離,如把壓縮空氣中的水蒸氣分離出去從而實現干燥目的,因此吸附劑的“動態吸附量”才是吸干機的關鍵參數,當然靜態吸附量與動態吸附量是有密切聯系的

所謂的“動態吸附量”指當濕空氣通過吸附劑床層后,當吸干機出口壓縮空氣的露點溫度達到設定值時,吸附塔內吸附劑所吸附水蒸氣的量,單位與靜態吸附量相同。很明顯,吸附劑的靜態吸附量比動態吸附量大。靜態吸附量反映了吸附劑的性能,而動態吸附量往往是由設計人員根據靜態吸附量、經驗數據以及設計思路選定,它是吸干機的基本參數,吸附劑的充填量由它計算而得

吸附劑吸附吸附質時,伴隨吸附過程所產生的熱效應稱為“吸附熱”,即吸附過程為放熱過程,與之相反,解吸過程為吸熱過程。不同吸附劑吸附不同物質時放出的吸附熱是不同的, -1是三種常用吸附劑吸附水蒸氣時放出的吸附熱參考值

  2- 1 水蒸氣的吸附

吸附 吸附熱kJ/mol
硅膠 53.6
活性氧化鋁 51.9
分子 75.3

 

前面已經提及,吸附過程是一個動態過程。如果壓縮空氣與吸附劑有足夠長的接觸時間,吸附將達到一種動態平衡,這種動態吸附平衡是在一定溫度與壓力條件下建立的。當溫度和壓力改變時,系統原有的平衡關系將會被打破并建立一個新的平衡關系。圖2-21所示為水在吸附劑上的吸附等溫線和等壓線示意圖,它們共同描述了吸附過程的熱力學特性

 

21 吸附劑性能曲線

由圖2-21可知,一定溫度下,水(吸附質)在吸附劑上的吸附量隨氣相中水蒸氣分壓增大而增大;一定水蒸氣分壓下,水的吸附量隨溫度升高而減少。這就說明在低溫、高壓下水分易被吸附;在高溫或低壓下水分易被解吸。吸干機就是利用吸附劑的這一性質實現“吸附—再生—吸附…”之間的轉換從而達到連續干燥壓縮空氣的目的

從上述描述可知,吸附劑的再生方式有兩種:

——無熱再生(heatless regeneration

——有熱再生(heat regeneration

根據吸附劑再生方式的不同,吸附循環可分為兩類:變壓吸附(Pressure Swing Adsorption簡稱PSA)和變溫吸附(Temperature Swing Adsorption簡稱TSA)

變壓吸附就是吸附劑在較高水蒸氣分壓下(未經干燥的濕壓縮空氣)進行吸附,在較低分壓下(經減壓后的干燥空氣)被解吸(無熱再生)。設定的吸附循環的周期比較短(一般在10分鐘以內),吸附熱來不及散失就轉入再生,吸附床層溫度變化較小,因此可以近似看作等溫過程(或為了基本保證等溫過程的實現,吸附循環周期不能過長)

變溫吸附就是吸附劑在常溫下吸附,在較高的溫度下再生(有熱再生)。典型的有熱再生干燥機是外加熱鼓風再生干燥機。在微熱再生干燥機中,變溫吸附中也伴隨著壓力(再生用干燥氣)的變化,因為干燥再生空氣壓力低于吸附劑吸附時的空氣壓力,所以也稱之為變溫變壓吸附

由于吸附劑的比熱容較大而導熱率較小,加熱和冷卻所需的熱量和冷量均較大而且時間長,因此變溫吸附干燥機除了結構比變壓吸附干燥機復雜——需要有加熱裝置外,工作周期也比變壓吸附的長,如外加熱鼓風再生干燥機一般為6-8小時

關于變壓吸附干燥機和變溫吸附干燥機的結構、運行特點等在以后章節中詳細描述

分子篩

分子篩是一類結晶的硅鋁酸鹽,由于它具有均一的孔徑和極高的比表面積,所以具有許多優異的特點

常用的分子篩是結晶硅鋁酸鹽的多水化合物,其化學通式為:

Mex/n[(AlO2)x(SiO2)y]·mH2O 式中

Me ——陽離子,通常為是鈉、鉀和鈣等金屬離

x/n ——價數為n,可交換的金屬陽離子Me的數

m ——結晶水的數

分子篩的種類比較多,常用的有3A A A 3X分子篩等。其中A表示微孔直徑。壓縮空氣干燥機中多 A A, 3X常用在空分設備中

吸附劑

在常用的三種吸附劑中,硅膠使用較少,活性氧化鋁最常使用,而分子篩常用在要求較高的場合

這三種吸附劑的主要性能已列在表2-2中。表2-3列出了三種吸附劑的使用條件。在使用條件欄中指的是壓縮空氣中含有的某些雜質

-3 各種吸附劑使用條吸干機結構及運行特點

    無熱再生

無熱再生干燥機再生時外界沒有對其輸送熱量,而是采用了PSA(Pressure Swing Adsorption)原理。這類干燥機所需的再生干燥空氣占其處理量 2-16%之間。再生干燥空氣要降至大氣壓,以獲得更低的相對濕度

無熱再生吸干機的吸附劑通常為活性氧化鋁或分子篩。活性氧化鋁適用于壓縮空氣的進口溫度不超 0℃、壓力露點一般不低于-40℃的場合;分子篩允許最高的壓縮空氣進口溫度 5℃,壓力露點溫度 70℃以下

在無熱再生干燥機中,通過吸附劑吸附產生的溫升相對較少,因為吸附的水蒸氣不多。在正常運行中,壓縮空氣的出口溫度比進口溫度高約2-6℃

(一)結構布置和工作過程

 

無熱再生干燥機的結構比較簡單(如圖2-28所示)

吸附塔的底部安裝了篩網(2),出口處安裝了圓柱狀的金屬絲網 )以防止吸附劑被壓縮空氣吹出吸附塔。兩個吸附塔的進出口分別由管道相互連接,為了使兩個塔之間進行切換并獨立運行,連接處安裝了相關閥門

無熱再生干燥機下部的壓縮空氣進口處一般設有四個閥門,分別稱為切換閥和排放閥,其中排放閥 )控制吸附塔卸壓、再生氣排放和再生完成后吸附塔的“均壓”;兩個切換閥 )控制了壓縮空氣的流動方向,即決定了吸附和再生的切換。在運行時這四個閥門對角動作。在小型吸干機中,采用電磁閥作為切換閥,在大型吸干機中采用氣動球閥、氣動蝶閥

28

在吸干機上部出口處,干燥后的壓縮空氣通過止回閥 )進入管網。同時,部分再生用干燥空氣通過旁通管進入需要再生的吸附塔,旁通管上安裝有孔板或球閥 ),孔板孔徑或球閥開啟度決定于所需的再生氣量

無熱再生干燥機的工作流程

干燥機開機后,A塔吸附運行,B塔再生。在預先設定的時序控制下,切換閥1-A打開 -B關閉,排放閥6-B打開 -A關閉,濕空氣進入A塔,干燥后的空氣通過止回閥4-A排入下游管線;部分干燥壓縮空氣在壓差的作用下通過孔板 )流向B塔,其壓力被降至接近大氣壓,由于降壓后空氣體積同比例增大,使再生用空氣的相對濕度只有干燥空氣的幾分之一,這樣這種特別干燥的再生空氣中的水蒸氣分壓遠遠低于B塔內吸附劑床層的水蒸氣分壓。吸附床層中的水蒸氣在壓差的作用下釋放至再生空氣中并被帶走,再生空氣通過排放閥6-B和消聲器7排入大氣

再生結束后,A、B塔切換不能馬上切換,而是先關閉排放閥6-B,B塔壓力升高至系統壓力,即“均壓”過程。因為再生時,吸附塔處于大氣壓狀態,與吸附狀態有較大的壓差,如果直接切換會導致壓力沖擊,嚴重時引起機械故障

當兩個吸附塔的壓力相同時,控制系統發出信號進行切換——A塔再生、B塔吸附

無熱再生吸干機所需要的閥門較少。這些切換閥常直接或間接由時間控制。如為了節省成本采用簡單的幾個時間繼電器來控制切換閥,這種方法雖然成本低廉,但不可靠,因為時間繼電器會產生較大的時間誤差。我公司采用了成本較高的PLC(可編程控制器)控制

(二)運行特點

無熱再生干燥機的運行特點主要表現為兩個方面:工作周期短、再生氣量大

a)工作周期

在無熱再生干燥機中,由于常溫再生空氣只能脫附吸附劑外表面的濕氣,因此只利用了吸附劑外表面的吸附功能,吸附劑的吸附量一般在0.5%以下

在無熱再生干燥機中,吸附被近似地認為是等溫過程,再生時需要盡量利用儲存在吸附床層中的吸附熱。吸附時間越長,被干燥空氣帶走的吸附熱越多,影響再生效果,嚴重時無法再生

基于上述兩方面原因,無熱再生干燥機的工作周期不能太長,一般為10min。本公司無熱再生干燥機就采用 0min的工作周期,英國domnick hunter公司PNEUDRI無熱再生干燥機的工作周期 min

無熱再生干燥機的短工作周期決定了相關閥門的高動作頻率。如工作周期 0min的吸干機,吸 再生 min切換一次,切換閥、排氣閥等也 min動作一次,每小時需要動 2次。如果每年按8000小時計,無熱再生干燥機的相關閥門在一年中需動作96000次。因此,在無熱再生干燥機中,切換閥是比較容易損壞的部件。切換閥的質量直接影響吸干機的正常運行

b)再生氣量

無熱再生干燥機以變壓吸附原理進行工作,其再生方式是變壓再生,即用部分干燥的壓縮空氣降壓后對吸附劑進行解吸,外界并沒有熱量加入,因此再生氣量相對較大

如果不考慮吸附時的熱量損失,同時假定再生氣排放時為飽和空氣且為大氣壓、濕空氣和再生氣的溫度相等,再生氣流量則可按 -1計算

式中

 


Vrf — 再生氣流 m 3 /min

V — 干燥機進口流 m 3 /min

di — 進口濕空氣含濕量

do — 再生氣排放時含濕

-1式中,我們假定了再生空氣溫度等于進口濕空氣溫度。從第一章有關內容可知,在溫度相等情況下,兩種壓力不同的飽和空氣中水蒸氣分壓是相等的,其含水量與壓力成反比。因此,無熱再生干燥機的再生氣量也可以用進口壓力和再生壓力的比值表示,并表述為進口流量的百分數(式2-2)

 

式中

Vrf — 再生氣流 %

Pi — 進口濕空氣壓力(絕壓

Pr — 再生氣壓力(絕壓

需要說明的是, -1 -2的計算結果是在理想狀況下得到的,是最低的再生耗氣量。實際上,無熱再生干燥機的再生氣量比按照2-1式或2-2式計算結果大,這是因為:

為了克服吸附床阻力( -29)能使再生氣順利排出吸附塔,再生氣的實際壓力Pr要稍高于大氣壓,這會導致再生耗氣量增加

放空損耗。無熱再生干燥機切換頻繁,每次切換時,塔內操作壓力下的壓縮空氣都要放空,這部分并沒有計算 -1 -2式中

熱量損耗。無熱再生干燥機是建立在等溫吸附基礎上的,假定解吸過程所需的脫附熱完全由吸附過程中積聚在吸附劑床層中的吸附熱提供。吸附劑是不良導熱體,在短周期循環時可以認為其無熱量損耗,但是干燥空氣畢竟會帶走部分吸附熱,損失的熱量只有用增大再生氣量來補充

對無熱再生干燥機而言,要減少再生氣量,只有提高進氣壓力和降低進口溫度這一條路可走

c)壓力

無熱再生干燥機的壓力降包括管道、閥門和吸附床層等壓力損失之和。圖2-30是高度為1m的吸附床層,在不同空塔流速和操作壓力下的壓力損失,單位為mm水柱 0m水柱相當 .1MPa)。本公司無熱再生干燥機壓力降小于0.02MPa(額定工況下)

 

29 不同空塔流速、不同操作壓力下的壓力損

    有熱再生

有熱再生干燥機按“變溫吸附”(TSA)原理進行吸附劑再生,再生條件比無熱再生干燥機優越。加熱能脫附吸附劑內表面的水蒸氣,使吸附劑實現深層吸附,因此有熱再生干燥機中吸附劑的動態吸附量遠遠比無熱再生干燥機中的吸附劑動態吸附量大

相對于無熱再生干燥機而言,有熱再生干燥機的種類就比較多,但其吸附原理是一樣的,主要區別在于加熱方式、再生氣來源等方面

-30 內加熱再生干燥機

按加熱器的安裝方式分,有熱再生干燥機可分為內加熱再生干燥機( -30)、外加熱再生干燥機兩類。外加熱再生干燥機又可按再生氣來源分為利用干燥空氣再生的微熱再生干燥機和利用環境空氣再生的外加熱鼓風再生干燥機。在工業企業中,外加熱再生干燥機可作為加熱源的能源比較多,如電、蒸汽、熱油等。近年來,國內出現了利用空壓機的壓縮熱作為再生能源的壓縮熱再生干燥機。在國外,在外加熱鼓風再生干燥機的基礎上開發出了真空再生干燥機

內加熱再生干燥機的特點是加熱器安裝在吸附塔內,加熱器直接對吸附劑加熱,使富集在吸附劑上的水蒸氣脫離其表面,并用少量干燥的再生氣把水蒸氣帶出吸附塔外。由于吸附劑的導熱性較差,因此吸附塔內的吸附劑無法得到均勻加熱,導致再生不完全。另,由于加熱器安裝在吸附塔內,帶來了維護困難、不夠安全等缺點,因此此類干燥機已基本淘汰

微熱再生

顧名思義,微熱再生干燥機的再生溫度比外加熱再生干燥機的再生溫度略低。但各干燥機制造商對微熱再生的理解不盡相同。如再生溫度、工作周期、吸附劑充填量等參數的差別很大(而無熱再生干燥機的結構參數比較接近)

(一)結構布置和工作過程

微熱再生干燥機的結構布置比無熱再生干燥機稍微復雜(如 -31所示),主要增加了再生氣加熱器 ),干燥機上部多了兩個止回閥 )

31

微熱再生干燥機的工作流程

干燥機開機后,A塔吸附運行,B塔再生。在預先設定的時序控制下,切換閥1-A打開 -B關閉,排放閥6-B打開 -A關閉,濕空氣進入A塔,干燥后的空氣通過止回閥4-A排入下游管線;部分干燥壓縮空氣在壓差的作用下通過孔板 )流入再生氣加熱器(8),被加熱至設定溫度并進入B塔內解吸潮濕的吸附劑,使吸附劑再生。潮濕的再生空氣通過排放閥6-B和消聲器7排入大氣。這一再生階段稱為“加熱階段”

加熱再生持續一段時間后,出口再生空氣溫度達到設定值,再生氣加熱器就停止加熱。未加熱的再生干燥空氣進入B塔內對吸附床層進行冷卻,使其恢復至吸附時的溫度,這一階段稱為“冷吹階段”

冷吹結束后,B塔進行“均壓”,最后完成整個再生過程

微熱再生吸干機的控制系統比無熱再生干燥機復雜。除了控制相關閥門外,還需要根據再生溫度控制加熱器的運行。我公司的RSXG型微熱再生干燥機采用PLC(可編程控制器)和相關的溫控裝置實現控制

(二)運行特

微熱再生干燥機的運行特點是工作周期相對較長、再生氣量比無熱再生小(在額定工況下約為7%)和需要消耗額外的能源等

a)工作周期

微熱再生干燥機中的吸附劑是深層吸附,其動態吸附量比無熱再生干燥機中的大,相同數量吸附劑可處理更多的壓縮空氣,即吸附時間可以適當延長

由于吸附劑的導熱系數較小,因此再生時把吸附劑床層溫度加熱至所需的再生溫度需要較長的時間。從微熱再生干燥機的再生過程我們知道,加熱再生結束后還需要對吸附床層進行冷卻(冷吹),這同樣需要較長的時間

由于上述兩方面的原因,微熱再生干燥機的工作周期相對較長。本公司通過實際試驗,總結出了不同再生溫度、再生氣流量和工作周期之間的關系,并確定了RSXJ型微熱再生干燥機的工作周期為90-120min

b)再生氣量

微熱再生干燥機的再生氣量由加熱再生氣耗和冷吹氣耗兩部分組成。加熱階段的再生氣量決定于再生所需要的熱量,因為該階段的再生氣主要作為再生熱帶入吸附塔的載體。加熱再生階段所需的熱量由以下幾部分組成:

——吸附劑所吸收的熱

——吸附熱。取決于在操作壓力下吸附劑吸附的水量。吸附量 釋放的吸附熱就多

——吸附塔等部件需吸收的熱

——熱量損失

在加熱再生階段,再生耗氣量約為進氣量5 %左右

冷卻空氣用量取決于在冷吹階段需要帶走的熱量。在正常冷吹條件下,冷卻空氣需要量約為4-8%

結合這兩部分再生氣量,微熱再生干燥機的再生氣耗約4 %

d)壓力

參見無熱再生干燥機部分

外加熱鼓風再

外加熱鼓風再生干燥機被認為是有熱再生干燥機的經典產品,它的一大特點就是在加熱再生階段用的再生空氣是取自環境的空氣,只在冷吹階段使用干燥后的壓縮空氣,因此其有效供氣量比微熱再生干燥機高

外加熱鼓風再生干燥機的外形如 -32所示。其再生部分比微熱再生干燥機多一臺鼓風機用以抽取環境空氣。其吸附原理及過程與微熱再生基本相同

在外加熱鼓風再生干燥機中的吸附劑動態吸附量較大,有報道最高的可達達到16%-18%,幾乎接近靜態吸附量。吸附時放出的熱量也高,出口空氣溫度比進口空氣溫度高12-20℃。為了實現連續運行,吸附劑要求再生徹底、完全,因此其再生溫度要高

 

-32

外加熱鼓風再生干燥機的再生階段也分為:加熱——冷吹——均壓三部分

加熱階段和部分冷吹階段所用的再生空氣取自大氣

冷吹階段后期,吸附床層溫度較低,吸附劑已具有吸附能力。由于環境空氣是濕空氣,因此如果冷吹后期的再生空氣仍然是環境空氣的話,吸附劑(尤其是吸附塔上部)會吸附其中的水蒸氣。在切換投入吸附的開始階段,出口壓縮空氣的露點溫度會比較高,并出現露點峰值。為了避免這種現象,冷吹階段后期(約1小時)的再生空氣必須使用干燥后的壓縮空氣,用量約 %~12%,整個再生階段的平均干燥空氣用量 %以上

壓縮熱再生

在壓縮空氣干燥機中,雖然吸附式干燥機所能達到的露點溫度較低,但其能耗太大,在“可持續發展”戰略被人們越來越認同的情況下,降低吸干機的能耗是業界一直追求的目標。本公司的RSC型組合式低露點壓縮空氣干燥機是一種能達到低露點又節能的干燥設備。當然在業界也有人開發了相對節能的吸干機——利用空壓機的壓縮熱再生的吸干機,我們稱它為“壓縮熱再生干燥機”

這種干燥機的設計思想是:空氣在被壓縮過程中體積縮小,溫度升高。由于氣體的焓是溫度的單值函數,當空壓機的最終排氣溫度與吸氣溫度相等時,其焓值是不變的,這意味著空壓機所作的壓縮功全部變為熱量而被冷卻水或外界大氣帶走。這部分壓縮熱的數量相當可觀。一臺空氣壓縮機產生的壓縮熱完全滿足相同流量吸附式干燥器的再生熱需求

目前這一類型干燥機有兩種形式

1)直接利用空壓機排出的未經后部冷卻器冷卻的熱壓縮空氣進行再生

此類干燥機的再生方式與外加熱鼓風再生干燥機相似——都用潮濕空氣作為再生空氣。但再生程度前者比后者差得多。這是因為:

根據吸附劑有熱再生原則,吸附劑再生徹底與否取決于再生空氣的溫度和含濕量。壓縮熱再生干燥機的再生溫度取決于空壓機的排氣溫度,一般活塞式空氣壓縮機的排氣溫度按規定不超過160℃,實際運行中排氣溫度很少有達到160℃的情況,有時甚至低 10℃,而螺桿空壓機的排氣溫度更低,用這樣低的排氣溫度用于吸附劑再生是很不利的。再生氣體溫度低造成了再生的不完全,而再生不完全的后果就是成品氣的露點高。而外加熱鼓風干燥機不存在這一情況

空壓機的二級缸排氣的含濕量與環境空氣的相對濕度有關。壓力狀態下單位體積空氣的水蒸氣量比常壓空氣多,這就決定了此類干燥機的再生不可能很徹底,除非環境空氣的相對濕度很低

總之,此類干燥機的在再生溫度不太高的情況下,出口露點溫度受環境的影響很大,根據不同季節、不同地區,該類干燥機的出口露點溫度 10 40℃之間變化,不適合于要求露點穩定的工藝中

2)利用中間加熱器,用空壓機排出的未經后部冷卻器冷卻的熱壓縮空氣與干燥后的部分空氣熱交換,提高再生氣的溫度。這種干燥機的結構與微熱再生干燥機相同,只是熱源不是電、蒸汽等,而是熱空氣。由于空壓機排氣溫度不會很高,因此基本屬于微熱再生干燥機一類

  控制系統

  吸附式壓縮空氣的控制方式有兩種

前面我們已提到的PLC控制是本公司吸干機的標準配置。根據事先確定的時序,PLC輸出信號控制切換閥和排放閥的切換,并不會隨壓縮空氣負荷的變化調節時序

另一種就是本公司的露點節能控制系統

為了保證出口露點溫度,我們根據壓縮空氣的最大負荷確定吸干機的處理量,但是在實際運行中,壓縮空氣的工況并不始終處于極限工況(最大負荷)下,有很多時間處于比極限工況好得多的工況。例如:壓縮空氣的最高溫度往往發生在夏季,而春、秋、冬三季的壓縮空氣溫度低于夏季

在時序控制時,吸干機的工作周期是一定的。例如由PLC控制的無熱再生干燥機的吸附/再生的工作周期為10分鐘,如 -33所示

在小負荷工況下,吸附塔內吸附帶的寬度相對較小、移動速度也較慢。如按固定工作周期切換,吸附帶遠未達到吸附塔頂部之前(吸附塔還有吸附能力)已被切換而進入再生狀態(此時吸附塔的吸附能力是有富余的),并用干燥空氣去“再生”并不潮濕的吸附劑,能源就會浪費

露點控制節能系統是為了讓吸干機盡可能地處于滿負荷狀態,最大限度的節省能源

露點節能控制系統由露點傳感儀和PLC組成。露點傳感儀安裝在干燥機的出口處。我們把所需要的露點溫度設定在露點節能控制系統上,系統在線對比露點傳感頭測到的干燥機出口露點溫度和設定值。當實測值低于設定值時,系統不發出吸附/再生切換信號:吸附繼續進行,而再生已在規定的時間里結束,即充壓后等待切換(如 -33),此時沒有消耗再生空氣。當吸干機出口露點溫度等于設定值時,系統發出吸 再生切換信號,進入下一循環

無熱再生干燥器露點節能控制時序

   各種干燥機比

從吸 再生原理上講,無熱再生、微熱再生和外加熱鼓風再生干燥機的綜合能量消耗應該基本相同,即吸 再生需要平衡。但是這三種干燥機的有效供氣量不同(再生氣量不同),這會影響空壓機的選型。對于整個壓縮空氣系統而言,在保證露點溫度滿足要求的前提下,選用不同形式的吸干機對總投資、占地面積、運行費用等方面有影響。三種吸干機的經濟技術對比見 -4

-4 吸附式干燥器經濟技術分析比

 

干燥機類 無熱再生 微熱再生 有熱再生(外加熱鼓風
工作原理 變壓吸附(PSA 變壓、變溫吸 變溫吸附(TSA
出口壓力露點 -20 40 -20 -40 -20 40
吸附塔相對尺 1 1~1.5 1.5~2
再生氣溫 比進氣溫度高2-6 120~200 120~320
工作周期 4~10(min 1.5~8h 6~8h
加熱設備功率   ~0.5KW/(1m 3 /min) ~0.9KW/(1m 3 /min)
再生氣耗量 12~16% 6~8% 3~5%
綜合評價 結構簡單、操作方便、一次性投資低、占地面積小 再生氣耗量大、所需空壓機排氣量大、切換頻 結構稍復雜、操作相對方便、占地面積小 再生氣耗量較小、所需空壓機排氣量較大、切換時間較 結構復雜、占地面積大 再生氣耗量小、所需空壓機排氣量可稍小、切換時間長

   

   吸干機應

   使用條件

本公司吸附式壓縮空氣干燥機的額定工況如下:

進氣壓力 .7MPa(g)

進氣溫度:40℃(飽和濕空氣)

環境溫度:38

壓力露點:-40

 


再生氣量 4%(無熱再生) %(微熱再生)

當吸干機在規定工況下運行時,其效率將會得到最大程度的發揮。只要用戶依據自身的處理氣量與需求,選擇相適應的配套干燥器,就可獲得所需品質要求的干燥空氣。但是,如果運行條件與額定工況相差甚遠而又不采取相應措施,將會影響設備的正常運行,降低工作效率,嚴重時甚至無法獲得所需品質產品氣,并影響設備的使用壽命

我們將從以下幾個方面分析對吸干機正常運行影響頗大而又易被忽視的因素:

(一)進氣溫度

進入吸干機的壓縮空氣為具有一定溫度的飽和空氣。從 3.2 中可以看出:同等壓力條件下,溫度每提 ℃,飽和含水量增 0%左右,也即進入吸干機的濕度負荷增 0%左右;此外,吸附劑的吸附能力隨溫度的升高而降 -24 ),因此隨壓縮空氣進口溫度的升高,吸干機的干燥效率下降。由實驗結果分析,進氣溫度每提高5℃,成品氣出口露點將升高8~10℃。所以,盡可能降低進氣溫度對吸干機有好處

(二)工作壓力

工作壓力對吸干機的運行影響較大,具體表現在以下四方面

1)前面已經討論過壓縮空氣壓力越低,再生氣量越大。我們從 -4還可以看出,壓縮空氣飽和含水量與壓力成反比,即工作壓力越低,吸干機的濕度負荷越大,因此要求的再生氣量也大

2)從干燥機的結構我們知道,再生空氣是由孔板或球閥的開啟度和兩側的壓力差決定的。在流通面積一定的情況下,流經孔板 )或球閥的再生氣量與壓力成正比,工作壓力的下降會導致再生氣量的減小從而使吸干機再生效率降低,影響吸附效率

3)壓縮空氣的體積與壓力成反比,較低的工作壓力使壓縮空氣空塔流速提高,吸附劑與壓縮空氣的接觸時間縮短,導致動態吸附容量的下降

4)從 -29 可以看出,由于壓力下降、空塔流速提高,導致吸附床層的壓力損失加大

因此工作壓力降低必然引起產品氣出口露點上升、再生氣量加大、壓力降上升。尤其無熱再生式干燥機對壓力下降十分敏感。因此無熱再生干燥機都對工作壓力的下限提出要求即:不低于0.5MPa(特殊設計的干燥機除外)

除了壓力的下降會降低干燥機運行效率有影響外外,較大范圍的壓力波動亦會影響設備的正常運行。尤其與活塞式空壓機配套時容易出現這種情況,當然在某些場合對氣量需求變化較大時也會出現壓力波動。在這種情況下,應在干燥機前端配置合適的緩沖罐或在系統中設置壓力維持閥,盡可能保證干燥機在穩定工況下運行

(三)凝結水量

從空壓機后部冷卻器排出的壓縮空氣是一種過飽和壓縮空氣,含有一定量的凝結水。少量的凝結水對吸干機的影響不大,因為本公司干燥機的吸附塔底部填充了抗水的瓷球或氧化鋁(沒有經過活化),但是如果吸干機前沒有安裝氣水分離器和過濾器或由于非正常因素大量的凝結水進入吸附塔內就會導致吸附惡化、露點溫度急劇上升,嚴重時導致吸附劑破裂成粉(具體表現為:從消聲器內噴出粉末、后置粉塵過濾器堵塞)而必須更換吸附劑的后果。這是因為:

大量凝結水進入吸附塔后,吸附劑在瞬間吸附大量的水分,同時放出大量的吸附熱,由于吸附劑是非導熱體,吸附熱無法及時散發而被吸附劑微孔內的液體水吸收,當熱量足夠時,這些水分蒸發成氣體后體積急劇膨脹而脹破吸附劑

因此在吸干機前置配置水分離設備是完全必要的

(四)油

一般所指的無油潤滑活塞式空壓機(迷宮式、填料帶正壓保護以及小功率全無油機除 排氣中仍有一定量的潤滑油存在,依其結構和規格不同約有6~15mg/m 3 。與無油活塞機含油量相當的噴油螺桿空壓機,其含油量依油氣分離器效率與排氣溫度的高低,一般可認為 ~15 mg/m 3 ,取兩者中值即10mg/m 3 ,并 0m 3 /min排氣量空壓機為例,運 000小時(一年)后的油霧量:

如此之多的潤滑油進入吸干機必然加速吸附劑的老化,導致壽命縮短

解決這一難題的方法是在吸干機進氣口前設置除油過濾器

(五)再生氣量

前面章節對再生氣量的討論已不少,這里要強調的是在干燥機運行過程中不能隨意調節再生氣量。另外,對加熱再生干燥機而言,再生氣瞬時流量不可過小,否則會降低作為熱載體的再生氣傳熱效率,造成局部過熱而大部無熱,破壞吸附劑結構與性能,同時流量過小會使流速過低,易形成因氣流穿越吸附層短路而形成“遂道效應”而導致無法均勻傳熱與有效解吸

 選型

在選擇壓縮空氣干燥機時,我們首先考慮的是所需的露點溫度。根據露點溫度確定選擇冷干機、吸干機還是組合式干燥機

當我們確定使用吸干機后,可根 2.4.4.4 2.4.5.1 綜合比較,最后確定選用哪一類干燥機

 安裝

吸干機的安裝具體見《使用維護手冊》,但有兩點需要指出:

1)所有吸干機必須與過濾器一起使用,吸干機前置應安裝除油過濾器以除去壓縮空氣中凝結水、油滴和固體顆粒,下游的過濾器可以除去吸干機產生的粉塵

2)空壓機與吸干機之間應設置緩沖罐

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