压缩机网 >杂志精华>正文

干燥技术在压缩空气中的应用<一>

   【压缩机网】一、压缩空气为什么要干燥
 
  空压机排出的压缩空气是不干净的,除了含有水(包括水蒸气、凝结水)和悬浮物外,还有油(包括油雾、油蒸气)、尘、菌。这些污染物对提高生产效率、降低运行成本、提高产品质量是不利的,因此就需要进行干燥净化处理。
 
  由于大气环境的相对湿度影响,压缩空气中含有大量的水。水对于压缩空气管路、门及使用设备来说会产生腐蚀和破坏,如气动元件锈蚀、冰堵等;也会对特殊生产工艺及流程大为不利,如电厂喷灰、水泥输送等等;同时也可能对产品质量严重影响,如电子产品、药品、食品生产质量影响等等。
 
  1.1 压缩空气中水的危害
 
  ①容易使管道锈蚀,从而缩短管道使用寿命(见图1)。
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  ②与油、尘混合,容易堵塞管道。
 
  ③会降低生产物料纯度,影响产品生产质量。
 
  ④容易形成“水锤”现象,破坏用气设备。
 
  ⑤会影响设备运行速度,导致生产效率低下。
 
  ⑥在寒冷地区,水分结冰会造成管道冻结或冻裂。
 
  ⑦滋生细菌。
 
  1.2 压缩空气中水的来源
 
  压缩空气中的水分主要来自大气,是自然界空气所固有的,无论是在地球的每一个角落还是春夏秋冬季节,大气中均有一定的相对湿度。而空气中的水蒸气,经过压缩或降温,就会变成液态水析出,从而影响到压缩空气的品质。在压缩空气应用的领域中,绝大部分用户对水分的存在十分敏感,既然不能杜绝空压机前的空气水分,那么就需要在空压系统中去除。
 
  1.3 压缩空气中水如何除掉
 
  压缩空气中的水通常分两种:液态和气态,表1可以清晰看到压缩空气水含量在空压系统中变化情况:
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  ①液态水可通过加热—过滤—机械分离等方法除去。在空压系统设备中通常采用空压机后冷加气水分离器和储气管来去除;
 
  ②水蒸气去除在空压系统中称为“干燥”:压缩、降温、吸附和膜分离都可以对空气进行干燥。在空压系统设备中通常采用压缩(空气达到压力露点)、降温(通过风(水)冷却器、储气罐及冷冻式压缩空气干燥器(简称冷干机))、吸附(吸附式压缩空气干燥器(简称吸干机))来去除。膜分离技术不在常规干燥器的客户群体里,在后文会有详细介绍。
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
 
  进入空压机前的空气中的水分主要是水蒸气且不饱和。从表1可以看出,相对湿度69%,温度20℃的大气经过压缩后(7bar),压缩空气经空压机后部冷却器冷却后所含水蒸气就变成饱和,并且会析出42%的液态水,这个液态水可以通过气水分离器和储气罐分离去除。而剩下58%的水以水蒸气形式存在于输送过程中的压缩空气中。如果用户直接使用未经干燥的压缩空气就会对生产不利。在1.1有7项压缩空气中含水的危害性。因此通常情况下,冷干机和吸干机就成为压缩空气干燥的首选设备。
 
  用户使用端的压缩空气含水量的多少根据用户对压缩空气的品质需求来定。由于大气经过空压机压缩为压缩空气,空压机出口温度一般为:环境温度+15℃(风冷),环境温度+8℃(水冷)。一般来说其压力露点温度都会在40~50℃,但在气体输送过程中(特别是管道较长或环境温度较低)会降温向室温靠拢,此时就会不断有水析出,影响客户的使用。 用户对压缩空气含水量要求一般有三种:
 
  ①经过空压机得到的压缩空气+冷却器(可选)+储气罐的可以使压缩空气降低3~10℃。对于用气质量不高的客户端基本上能够满足,比如钻机、风炮等;
 
  ②但绝大部分工业企业对压缩空气品质需求一般在10℃>压力露点>0℃时,就需要选用冷干机作为干燥设备处理压缩空气中的水蒸气了;
 
  ③而需求在压力露点≤0℃时,则干燥器选用吸干机。
 
  压缩空气质量等级和具体选用见表2。
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  二、压缩空气如何进行干燥(Class6以上)
 
  2.1冷冻式压缩空气干燥器(简称冷干机):采用冷冻除湿原理,将压缩空气压力露点干燥到0~10℃。
 
  2.1.1冷干机的工作原理:利用原理降低压缩空气的温度,使压缩空气中的水蒸气在低温下过饱和而冷凝成液体,再通过适当手段将冷凝水从压缩空气中分离后排出,使压缩空气得到干燥。冷干机工作分为两个系统流程(见图3)。
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  ⑴ 系统流程:通过消耗能量(通常是电),让低温的制冷剂在蒸发器②与压缩空气进行热交换,使压缩空气温度降低到3/7/10℃;
 
  ⑵ 压缩空气处理系统流程:压缩空气通过热交换器①和蒸发器②使其压力露点降到3/7/10℃,并通过气水分离器③将析出的液态水排出压缩空气系统。
 
  ⑶ 当压缩空气的压力露点温度降到3/7/10℃,分别去除了92.27%/89.77% /87.50%水蒸气。(见表1举例)。
 
  ⑶ 按照制冷系统冷凝器的换热方式有风冷型和水冷型两种方式。
 
  2.1.2冷干机的设计理论依据:热力学定律。
 
  2.1.2.1制冷系统流程采用热力学第一定律:
 
  热量和功可以相互转化,冷干机内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
 
  2.1.2.2压缩空气处理系统流程则采用热力学第二定律:
 
  热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体,通过冷干机蒸发器的压缩空气与制冷剂进行热交换,获得低露点的气体品质。
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  2.1.3冷干机的热力计算:
 
  2.1.3.1已知条件如下
 
  ①冷干机进气压力(MPa)
 
  ②处理气量(m3/min)
 
  ③进气露点(℃)
 
  ④进气温度(℃)
 
  ⑤冷干机露点要求(℃)
 
  ⑥冷干机出口温度(℃)
 
  ⑦冷干机出口压力(MPa)
 
  ⑧冷却方式(风冷/水冷)
 
  2.1.3.2冷干机计算
 
  主要是在以上已知条件下,对热交换器、蒸发器、冷凝器及制冷压缩机的负荷进行热力计算。特别是冷干机进出口温差和露点要求的选择,对于冷干机的输入功率计算影响非常大,在第四章节会有详细说明,这里不再研究了。
 
  2.1.4冷干机的规定工况:根据JB/T 10526-2017《一般用冷冻式压缩空气干燥器》(见表3)
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  通常冷干机样本或铭牌中的处理量和露点温度就是依据在规定工况下的额定处理量。
 
  2.1.5冷干机的性能要求:根据JB/T 10526-2017《一般用冷冻式压缩空气干燥器》,压缩空气质量等级、出口压力露点和压降要求见表4。
 
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  2.1.6冷干机选型指南
 
  在保障客户用气质量(压力露点)的情况下,由于实际工况发生变化时,选择冷干机实际工况处理量应参考产品样本的标准处理量(标准工况见表4)及修正系数(见表5)按以下公式选型:

 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  处理量(m3/min)=标准处理量(m3/min) /(sf进气温度*sf环境温度或sf进水温度*sf进气压力)
 
  2.2吸附式压缩空气干燥器(简称吸干机)
 
  2.2.1吸干机的工作原理:当压缩空气通过吸附式压缩空气干燥机时,工作塔内的干燥剂将压缩空气中的水蒸气吸附,从而除去压缩空气中的水份,从而达到压缩空气干燥的目的。吸干机工作分为两个系统流程:
 
  ⑴ 吸附过程:当压缩空气通过工作塔①时(见图5),其水蒸气由于物理吸附动力-范德华力的作用下,水蒸气向吸附剂(氧化铝/分子筛)渗透,使得压缩空气中的水蒸气含量减少,经过吸干机处理后的压缩空气露点可达-20/-40/-70℃,可去除98.95%/99.86%/~100%水蒸气。(数据来自表1)。
 
  ⑵ 解析(也称为”再生”,下同)过程:在工作塔吸附的同时,再生塔②(见图5)内吸附饱和的干燥剂通过无热/有热等再生方式将水分解析排出塔体,使其再具有吸附功能,为下一次吸附准备。图5是三种不同再生方式的吸干机。
 
 
  2.2.2吸干机的设计理论依据
 
  2.2.2.1热力学定律
 
  ⑴ 吸附过程:根据热力学第二定律,吸附过程是一个放热过程,从而自然降低能量的过程,无需消耗外部能量。
 
  ⑵ 解析过程:根据热力学第二定律,解析过程是一个吸热过程,需要消耗外部能量。
 
  ⑶ 从宏观的角度来说,吸附剂吸附或解析到一定数量的物质后就达到了饱和,不能进一步吸附或解析;从微观的方面来看,吸附和解析作用一直是在同时进行的,通常有三种状态:
 
  a)平衡状态:吸附和解析的速率相同,此时处于准备切换,(如图6的中图);
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  b)吸附状态:吸附速率>解析速率(如图6的左图),此时是工作过程;
 
  c)解析状态:解析速率>吸附速率(如图6的右图),此时是再生过程;
 
 
  2.2.2.2吸附热力学:等温吸附线,等压吸附线和等量吸附线。
 
  2.2.2.2.1等温吸附线——表示在一定温度时,吸附剂的吸附量和空气中水分压的关系。相同温度下,吸附剂不同,吸附水蒸气量不同;同一吸附剂在同一温度下,压力越低,越难吸附。解析则反之。
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
 
  ⑴ 无热再生吸附干燥器主要参考“等温吸附线”理论,干燥剂的解析没有外界输入能量,主要是通过降低再生水分压的方式进行解析。
 
  ⑵ 无热再生式干燥器工作原理:
 
  ◆吸附过程:温度不变,空压系统压力下,工作塔内的干燥剂具有很强的吸水能力,水分压力升高,吸附速率>解析速率,此时通过干燥剂的压缩空气不断被被工作塔内的吸附剂吸附干燥;
  ◆再生过程:同时,部分成品气(称为再生气)通过节流减压至大气压,这种压力变化使膨胀空气相对湿度更低,然后让它流过已吸收足够水干燥剂的再生塔,吸收干燥剂里的水分,将其带出干燥器来达到解析目的。再生塔内水分压力降低,解析速率>吸附速率;
 
  ◆流程参见图8。
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
 
  ③由于吸附过程会放热(吸附热),热量的堆积不利于吸附(见图7左图),所以无热再生式干燥器的工作周期短,一般不会超过十分钟。由于解析过程需要成品气体对再生塔解析,通常耗气量在15%左右。
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  ④无热再生式干燥器再生耗气量理论极限最小值计算:
 
  ◆Q再生耗气量=P再生压力(绝压) / P工作压力(绝压)*100%
 
  ◆比如0.7MPa工作压下再生气量=1/(1+7)*100%=12.5%
 
  ◆由于吸附放热损失,吸附塔放空损失,设计裕量等等因素,无热再生干燥器的再生气耗要远高于上述最小值,可达到20%甚至更高,特别是对于短周期,体积小的塔体。
 
  2.2.2.2.2等压吸附线——表示在一定压力时,吸附剂的吸附量和吸附温度之间的关系。在同一压力下,温度越高,越难吸附。解析反之。见图9。
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  ⑴ 微热再生吸附干燥器主要参考“等压吸附线”理论,干燥剂的解析有一定的外界输入能量(电加热),主要是通过提高再生气温度和降低水分压的方式进行解析。
 
  ⑵ 微热再生式干燥器工作原理:
 
  ◆吸附过程:进气温度不变,在空压系统压力下,工作塔内的干燥剂具有很强的吸水能力,水分压力升高,吸附速率>解析速率,此时通过干燥剂的压缩空气不断被工作塔内的吸附剂吸附干燥;
 
  ◆再生过程:同时,少量成品空气(称为再生气)经节流减压至大气压,通过内置加热器加热到200度左右变成高温空气对已吸收足够水干燥剂的再生塔进行解析,带走再生塔内干燥剂里的水分,并将其带出干燥器来达到解析目的。再生塔内水分压力降低且吸附剂床层温度升高,解析速率>吸附速率;
 
  ◆流程参见图10。
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  ③由于解析过程有外热的参与,因此微热再生式干燥器的再生气量比无热再生式干燥器的再生气量少。且干燥剂的解析程度更深,微热再生式干燥器的工作周期一般为8小时。由于解析过程需要成品气体对再生塔解析且提高了再生气温度,通常耗气量在8%左右。
 
  ④微热再生式干燥器再生耗气量理论极限最小值计算:
 
  ◆Q再生耗气量=(T进气温度*P再生压力(绝压))/(T再生温度*P工作压力(绝压))*100%
 
  ◆比如0.7MPa工作压下进气温度38℃,再生温度200℃,再生气量=(273+38)*1/((273+200)*(1+7))=8.4%
 
  2.2.2.2.3等量吸附线——对于一定吸附量时,所对应的平衡温度与压力之间的关系。压力越高,温度越低,越容易吸附,解析反之。见图11
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  ⑴ 外加热再生吸附干燥器主要参考“等量吸附线”理论。干燥剂的解析利用鼓风机抽取环境空气代替昂贵的成品气,并通过外界输入能量(电加热),提高再生气温度和降低再生水分压的方式进行解析。少量成品气经节流后的干燥成品气利用再生塔吸附剂床层余热二次再生并吹冷,使吸附剂恢复活性。
 
  ⑵ 外加热再生式干燥器工作原理
 
  ◆吸附过程:进气温度不变,在空压系统压力下,工作塔内的干燥剂具有很强的吸水能力,水分压力升高,吸附速率>解析速率,此时通过干燥剂的压缩空气不断被工作塔内的吸附剂吸附干燥;
 
  ◆再生过程:同时,让外部空气(称为再生气)通过鼓风机流过外置的加热器产生200℃高温空气带走再生塔内干燥剂里的水分,将其带出干燥机。少量成品空气经节流减压至大气压,利用再生塔吸附剂床层余热二次再生并吹冷,再次带走再生塔内干燥剂里的水分,使再生塔内吸附剂恢复活性,等待下一周期的工作。再生塔内水分压力降低且吸附剂床层温度升高,解析速率>吸附速率;
 
  ◆流程参见图12。
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
 
  ③由于解析过程有利用外部空气加热作为再生气,因此外加热再生式干燥器的再生气量比无热再生式干燥器和微热再生式干燥器的再生气量都少(仅作为吹冷用)。且干燥剂的解析程度最深,外加热再生式干燥器的工作周期一般为8小时。由于解析过程的再生气为外部气体,仅需要成品气体对再生塔吹冷,所以通常耗气量在3%左右。
 
  ④外加热再生式干燥器再生耗气量理论极限最小值计算:
 
  ◆Q再生耗气量=(T吹冷/T工作)*( P再生压力(绝压) / P工作压力(绝压))*100%
 
  ◆比如0.7MPa工作周期8h,吹冷周期2h,再生气量=(2/8)*(1/(1+7))*100% =3.1%
 
  ◆由于成品气的成本是非常昂贵的,技术的发展方向总是希望消灭成品气消耗,因此诞生了零气耗外加热再生干燥器。这种零气耗鼓风的吸附和加热流程没有变化,不同的是采用环境空气对再生塔吸附剂吹冷,从而节省了成品压缩空气。
 
  2.2.2.2.4吸干机设计理论及工作原理总结:
 
  ⑴ 吸附与解析的循环是吸附式压缩空气干燥器的工作方式:
 
  1)工作塔:吸附速率>解析速率;
 
  2)再生塔:解析速率>吸附速率 ;
 
  3)切换条件:解析速率=吸附速率
 
  ⑵ 从吸附热力学的三条吸附线(图7/9/11)我们可以得出:
 
  1)吸附过程是放热过程:降低温度和提高水蒸气的分压力可以增加吸附量;解析过程就是吸热过程:提高温度和降低压力可以增强解析效果;
 
  2)因此,吸附时温度越低越好,水分压越高越好;反之,解析时的温度越高越好,水分压越低越好;(见图13)
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  3)由于再生方式的不同,其能耗也相应不同。
 
  ◆从耗气量比较:无热再生>微热再生>外加热再生;
 
  ◆从耗电量来看:无热再生<微热再生<外加热再生。
 
  ◆对于吸干机来说,综合耗能都不低,但是如果通过对以上理论进一步融合,吸干机还可以进一步利用空压机或其他设备的余热把耗电量和再生气量降低。文章后面会有详细解读。
  ⑶ 常规吸干机的分类:根据吸附/解析方式分为三类:
 
  a)无热再生吸干机
 
  b)微热再生吸干机
 
  c)外加热再生吸干机
 
  2.2.3吸干机规定工况:根据JB/T 10532-2017《一般用吸附式压缩空气干燥器》规定A2是常规吸干机的规定工况。见表6
 
  通常吸干机样本或铭牌中的处理量和露点温度就是依据在规定工况下的额定处理量。
 
  2.2.4吸干机干机的性能要求:根据JB/T 10532-2017《一般用吸附式压缩空气干燥器》,压缩空气质量等级,出口压力露点,耗气量和压降要求见表7
 
  2.2.5吸干机选型指南
 
  在保障客户用气质量(压力露点见表7-1)的情况下,由于实际工况发生变化时,选择吸干机实际工况处理量应参考产品样本的标准处理量(标准工况见表6)及修正系数(见表8)按以下公式选型:
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>

干燥技术在压缩空气中的应用<一>

干燥技术在压缩空气中的应用<一>

干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  处理量(m3/min)=标准处理量(m3/min) /(sf进气温度*sf进气压力)
 
 
  2.3压缩空气干燥器的扩展和创新
 
  压缩空气干燥器市场上90%都是常规冷干机和吸干机(以上介绍),因为在客户用气质量保障的前提下,更多的客户考虑空压系统设备的采购成本:
 
干燥技术在压缩空气中的应用<一>
 
  冷干机<无热再生吸干机<微热再生吸干机<外加热吸干机
 
  随着科技进步,有些特殊客户对压缩空气干燥器的采购成本要求不是那么强烈,对使用效果和使用成本却情有独钟,于是便催生了:组合式干燥器、膜式干燥器、模组吸干机、变频式冷干机、蓄冷式冷干机、转鼓吸干机、压缩热吸干机等明星产品。由于其性能超群,销售价格也高,在特点市场和客户群体很受欢迎,但市场容量及普及性较低,这里就不作介绍,不过其基本理论都是来源于以上介绍,笔者将在之后将以“干燥技术在压缩空气蓝海市场的应用”为主题,另文进行详细解读,敬请期待! 
 
  参考资料
  JB_T 10526-2017 《一般用冷冻式压缩空气干燥器》;
  JB_T 10526-2017 《一般用冷冻式压缩空气干燥器》;
  ISO 8573-1 2010 《压缩空气 第1部分:污染物和纯度等级》;
  T/CGMA033001-2018《压缩空气站能效分级指南》
  T/CGMA ××××—××××《一般用压缩空气干燥器选型指南》征求意见稿;
  《压缩空气干燥与净化设备》;
  《压缩空气应用指南》;
  《容积式压缩机技术手册 化工、动力、制冷》
 
  作者简介
 
  第一作者:梁柳生,1968年,男,广西柳州,大学本科。高级工程师,1990开始从事空压机行业工作;有在国企,合资及外企工作经历,其中22年在AC集团工作。先后从事过空压机及后处理设备的产品设计、产品工艺、生产管理、产品质量跟踪服务等及全国销售总监并有在欧洲学习和工作的经历。2017年创办上善气体工作室,专业从事压缩空气系统研究,精益生产管理及销售的培训工作。国家标准JBT10526-2005《一般用冷冻式压缩空气干燥器》第一起草人。全国压缩机标准化技术委员会副主任委员
  第二作者:梁翰林,上善气体工作室讲师助理
 
  <注:未完待续,更多精彩见下期……>

来源:本站原创

标签: 应用技术  

网友评论

条评论

最新评论

今日推荐

百万彩票 真人棋牌娱乐 香港赌场 宝马开户 信誉最好的娱乐平台 中国竞彩网论坛 贵州快3代理 易中彩票开户 手机网投哪个可靠 澳门赌场玩法