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压缩空气吸干机技术图解

  【压缩机网】用户使用端的压缩空气含水量的多少应根据用户对压缩空气的品质需求来确定。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+10~20℃(风冷),环境温度+8~15℃(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)会降温向环境温度靠拢,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:压力露点≤0℃时,则干燥器选用吸干机。见下表中压缩空气质量等级在Class3以下。

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  下面我们通过十图十解来了解市场上最常见和最实用的吸干机知识。

  图解一:吸干机为什么叫XX热再生吸干机?

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  吸干机的原理:当压缩空气通过吸干机时,工作塔内的吸附剂将压缩空气中的水蒸气吸附,除去压缩空气中的水分,从而达到压缩空气干燥的目的。同时,再生塔内的吸附剂需要脱附(再生),从而实现切换时可以继续吸附(工作)。

  吸干剂在吸附时是内能减少的过程,不但不需要外界能量,而且还以放热的形式向外输送能量。因此,任何形式的吸干机吸附过程均无需气或热介入。

  吸干剂在再生时是内能增加的过程,因此,需要外界能量补充,通常需要提高温度或降低水分压力进行再生。因此,无热再生需要消耗成品气来再生吸附剂,微热再生耗电耗气来再生吸附剂,鼓风热再生耗电来再生吸附剂,压缩热再生耗热来再生吸附剂。

  无论是无热、微热、鼓风热还是压缩热再生式吸干机(见图解一),区别在于再生方式不同,而吸附过程类似。(见图解一右上):当工作塔出口区域吸附剂的吸附量与压缩空气出口含水量达成动态平衡后,吸附剂对压缩空气失去了干燥能力,此时需要再生了。

  吸干机的露点深度取决于再生,就像挖坑种树一样,(见图解一左上),坑挖得越深(消耗再生能量越多),树长得越大(露点越低)。所以工作流程和周期是关键,吸干机的干燥能力在理论上取决于再生能力, 所以,吸干机根据再生原理和流程,仅消耗一定量成品气再生吸附剂的吸干机叫无热再生式吸干机,消耗一定量成品气及电量来再生吸附剂叫微热再生式吸干机,消耗一定量环境气体气及电量来再生吸附剂叫鼓风热再生式吸干机,利用压缩机余热来再生吸附剂叫压缩热再生式吸干机。

  图解二:吸干机是如何工作的?

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  吸干机通常需要两个塔体或空间:当一个塔体吸附的时候,另一个塔体再生;(见图解二下)

  吸附剂工作的时候,吸附和解析不是绝对的,而是同时在进行(并不是吸附时不解析,也不是解析时不吸附),只是他们工作时的速率不一样。(见图解二上)

  根据吸附剂这样的特性,吸干机工作主要有三个步骤:吸附、再生和吹冷切换。

  吸附过程:(见a)由于压缩空气相对湿度高,而吸附剂相对湿度低,此时,吸附速率>解析速率。吸附剂不断吸附压缩空气水分,使得压缩空气获得干燥。

  解析过程:(见b)吸附剂相对湿度高,通过对再生气体加热、降压等方式使吸附剂湿度不断降低,此时,解析速率>吸附速率。达到吸附剂再生目的。

  吹冷切换过程:(见c)当解析速率=吸附速率时,吸附剂的相对湿度达到饱和(既不能吸附,也不能再生),工作塔准备切换了,切换前先把再生塔体温度降低到室温,这是吹冷的过程。

  图解三:什么情况下用分子筛比氧化铝效果好?

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  吸干机的干燥效果(露点)需要通过吸附剂吸附压缩空气中的水分来实现。

  对于一定量的吸附剂,其吸附容量越大,吸附效果就越好。

  很多朋友认为,分子筛吸附效果一定比活性氧化铝好!是不是这样呢?

  我们看看图解三,在相对湿度60%以上时,活性氧化铝的吸附能力强于分子筛,在相对湿度低于50%,分子筛的吸附能力强于活性氧化铝。

  由于压缩空气进入吸干机的相对湿度基本在100%,因此工作塔进口位置使用活性氧化铝可以提高吸附剂的吸附效率;

  压缩空气进入工作塔中段后,由于压缩空气的相对湿度不断降低,活性氧化铝的吸附能力也在不断下降。

  当相对湿度低于50%的时候,如果使用分子筛吸附,既能保障吸附效果,又可以减少填充量。

  因此,在低露点要求的吸干机设计时,往往是氧化铝和分子筛一起使用,即2/3的氧化铝填充在塔体的进气口处,1/3的分子筛填充在塔体的排气口。

  图解四:为什么高温加热再生吸干机需要分子筛?

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  我们经常提到压缩空气品质与节能是客户的需求,高品质的压缩空气是需要付出代价的。

  前面我们讲到:吸干机的吸附是一个放热的过程,不需要消耗能量;而再生则是吸热过程,需要耗气或耗热。同时再生程度越好,吸干机的露点才能越低。因此对于大流量、低露点压缩空气的需求,无论是耗气的无热再生还是耗电耗气的微热再生吸干机都无法实现节能,需要高温加热再生吸干机。

  再生时,加热温度越高,再生就越彻底。

  从图解四上看,硅胶、活性氧化铝、分子筛这三种吸附剂。分子筛耐热温度是最高的,非常有利于吸干机追求低露点时的高温再生流程。

  在相同进气条件下,分子筛具有以下三点优势:

  1.分子筛是唯一高温可用的吸附剂,在1.3% 相对湿度时比相同条件下的氧化铝吸附能力大10倍,比硅胶大20倍。

  2.分子筛在深度吸附时可以使压缩空气中的残留水分做到只有1~3ppm。

  3.再生温度越高,再生效果越好(种树的坑挖得越深)。分子筛的再生温度200-250℃;氧化铝的再生温度160-190℃;硅铝胶的再生温度120-130℃。

  因此,再生塔需要250℃高温加热时,吸干机需要分子筛。

  图解五:吸干机设计理论的依据是什么?

  吸干机通常比冷干机贵,不仅是因为干燥气体后的含水量更少、制造成本更高,同时也是因为吸干机的设计更难。

  吸干机的干燥原理与冷干机完全不同。吸干机是利用吸附剂吸附水的物理特性来干燥压缩空气,而冷干机是通过降低压缩空气的温度可以使空气含湿量降低而获得干燥。

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  吸干机干燥效果与吸附剂的吸附量有关,而吸附量的大小与吸附剂及吸附质的性质、温度、压力等因素有关。

  对于特定的吸附剂与吸附质,吸附量X与压力p、温度T可用图上公式来表示:

  X=f(T,p)

  上式中有三个变量(X、T、p),固定一个变量,研究其它两个变量之间的关系所得到的曲线称为吸附热力学曲线。

  吸干机设计理论依据来自于三条吸附热力学曲线。见图中a等温吸附曲线;b等压吸附曲线;c等量吸附曲线。

  1.等温吸附曲线(图a):温度T是常数时,压力越大,吸附量越大;反之,压力越小,解析量越大。

  如无热再生式吸干机,吸附塔内压力高,在吸附时,吸附剂吸附量(吸附压缩空气中水的量)要比解析量大。而再生塔的压力低,再生时,吸附剂吸附量(吸附压缩空气中水的量)要比解析量小。通常我们称为变压吸附。

  2.等压吸附曲线(图b):压力P是常数时,温度越低,吸附量越大;反之,温度越高,解析量越大。

  如微热再生式吸干机,吸附塔内温度低,在吸附时,吸附剂吸附量(吸附压缩空气中水的量)要比解析量大。而再生塔的温度高,再生时,吸附剂吸附量(吸附压缩空气中水的量)要比解析量小。通常我们称为变温吸附。

  3.等量吸附曲线(图c):吸附或再生量是常数时,温度越高,水分压越大;反之,温度越低,水分压越小。

  如鼓风加热再生式吸干机,吸附塔内压力高、温度低,在吸附时,吸附剂吸附量(吸附压缩空气中水的量)要比解析量大。而再生塔的压力低、温度高,再生时,吸附剂吸附量(吸附压缩空气中水的量)要比解析量小。通常我们为了让一定量的吸附剂在工作时,既能达到我们需要的压缩空气露点,又能通过提高解析条件达到彻底再生,此时我们需要等量吸附。

  图解六:等温吸附曲线是什么类型吸干机的理论基础?

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  无热再生式吸干机的设计原理主要参考“等温吸附曲线”理论。由于无热再生式吸干机工作时(吸附和再生)均没有外界能量输入,吸附时主要是通过提高进气相对湿度来提高吸附剂的吸附能力;同时再生时利用一部分相对湿度低的成品气体降压来降低吸附剂的水分压,并且利用储存在吸附剂内的吸附热的方式,对吸附剂进行解析。

  我们先看图解六左图的图a,工作压力增加,吸附剂的吸附量也增加(各种吸附剂的吸附量及增加率有大有小),这就是在吸附过程希望得到的结果。反之,工作压力下降,吸附剂的吸附量也减少(各种吸附剂的吸附量及减少率有大有小),这就是利用这样的特性达到解析的目的。

  我们再看图解六左图的图b,在相同压力下,温度越低,吸附量越高;同一个温度下,压力越高,吸附量越高。反之,温度越高,吸附量越低,解析越容易。

  这就是为什么无热再生式吸干机的工作周期短的原因,因为无热再生式吸干机在吸附时放热,热量堆积会使吸附剂床身温度上升,影响吸附效果。同时,解析时吸热,由于无热再生式吸干机没有外在能量介入,吸附时堆积的吸附热对于吸附剂解析来说又是难能可贵的,因此,工作周期设置为10分钟。

  由于无热再生式吸干机的再生需要消耗一定量成品气,因此,再生气体多了,压缩空气系统耗能增加;如果再生气体量不够,又会影响露点温度。

  我们再看图解六右图,在不同工作压力下,理论计算所需的再生耗气量差别。

  1.工作压力在6bar(a)时:通过理论计算,所需耗气量在25%。

  2.工作压力在15bar(a)时:通过理论计算,所需耗气量在10%。

  因此吸附塔与再生塔的压力差越大,所需的耗气量越小!

  图解七:等压吸附曲线是什么类型吸干机的理论基础?

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  微热再生式吸干机主要参考“等压吸附线”理论,吸附剂的解析时有一定的外界输入能量(电加热)可以降低一定的再生气量,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。

  我们先看图解七左图,相同压力下,吸附剂吸附量与温度的关系。

  前面我们说过,吸附与解析是同时进行的,就看他们的工作速率谁大,谁就主导过程。当再生塔工作时,我们需要解析的速率越大越好。因此在图上我们可以看到,随着温度升高,吸附量逐步减少,也就是再生量增大。因此相对于无热再生式吸干机来说,微热再生式吸干机再生压力没有变化,而再生温度却提高了很多,通过消耗电(加热),可以减少再生气体的耗气量。

  我们再看图解七右图,在8bar(a)工作压力下,理论计算所需的再生耗气量。

  通过理论计算,所需耗气量在9.8%。

  因此通过对再生塔的加温,可以使再生量增加,微热再生式吸干机所需的耗气量比无热再生式吸干机要小!

  图解八:等量吸附曲线是什么类型吸干机的理论基础?

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  鼓风热再生式吸干机主要参考“等量吸附线”理论,吸附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。

  我们先看图解八左图的等量吸附曲线,揭示了吸附量、压力及温度的关系。

  相同吸附量下:

  1)温度越低,水分压力越低(获得露点低)(吹冷过程);

  2)相同温度下,压力越高,吸附量越高。(吸附过程);

  3)相同压力下,要想再生量大,温度需要越高。(再生过程)。

  鼓风热再生式吸干机通常工作周期为8小时,吸附过程与无热再生式和微热再生式吸干机原理是一样的,但再生方式不一样。

  我们再看图解八右图,鼓风热再生式吸干机由于再生气来自大气环境,这就大大减少对成品气的需要。通过对大气进行加热,可以降低再生气体的湿度,使得再生塔内的吸附速率降低,而再生速率提高,只要达到一定的高温,再生塔内的吸附剂可以彻底再生。但是在塔体切换前必须要吹冷。这时需要消耗成品气来吹冷和深度再生。

  在8bar(a)工作压力下,通过理论计算,鼓风热再生式吸干机所需耗气量在3.8%。

  零气耗鼓风热再生式吸干机的吸附和再生流程没有变化,不同的是吹冷过程,利用冷却器把吹冷气(从大气取)进行冷却,降低吹冷气体相对湿度和温度达到对再生塔吸附剂吹冷,从而节省了成品压缩空气。零气耗鼓风热再生式吸干机并非完全不用成品气,在吹冷结束前还是需要一点成品气(1%左右)对再生塔进行吹扫,使吸附剂能再生完全。但不到1%耗气量可以忽略不记,因此称为零耗气。

  图解九:怎样知道吸干机是不是copy?

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  前面图一讲过:无论什么形式的吸干机,其吸附机理都是一样的,只是再生方式不同而已。

  我们在设计吸干机的时候一定需要计算接触时间,如果设计人员没有经过对接触时间的计算,吸干机肯定是copy的。

  接触时间就是压缩空气与吸附剂接触的时间,它决定了工作塔内吸附剂床层高度及压缩空气在工作塔的流速,接触的时间越长,压缩空气的干燥度越高。

  图解九上图是吸干机进气含水量、出口露点与接触时间的关系图。可以看出:

  1)相同的进气含水量(假设20g/m3),看红线,接触时间越长,压缩空气露点越低;

  2)相同的出口露点(假设-64℃),看黄线,进气含水量越高,需要的接触时间越长;

  3)相同的接触时间(假设4.55s),看最上面的曲线,进气含水量越高,出口露点越高。

  通常在吸干机设计时,接触时间一般选择4~8s,分子筛选择3~5s,氧化铝选择6~8s。

  作为吸干机设计来说,先计算接触时间,再校核其他参数,再计算,再校核,不断接近最佳参数,才能得到理想的吸干机。

  没有经过对接触时间的计算造出来的吸干机,肯定是COPY的。

  图解十:对于吸干机节能,为什么说再生能用电就不用气?

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  压缩空气的品质要求越高,付出的代价就越高。这不仅是指设备的采购成本,而且包括设备的使用成本更高。

  前面我们说过,吸附过程不需要外界能量输入,而再生过程和吹冷过程则需要消耗气或热。因此吸干机耗能主要在再生过程和吹冷过程。

  我们先看图解十左图,有三条能耗曲线分别代表了在市场上用量最多的三种吸干机单位成品气电耗。其中能耗最高的为无热再生式吸干机、其次为微热再生式吸干机,最低为鼓风加热再生式吸干机。

  大气变成压缩空气需要耗电能且电能的利用率不到20%,如果再生或吹冷时使用了压缩空气成品气,成品气的成本不仅需要耗电压缩,也需要耗电加热,此时使用成品气再生越多,越耗能。这就是在空压机站设计手册中提出了当需要吸干机时,单台无热再生式吸干机处理量大于20m3/min时不建议选用。

  我们再看图解十右图,是市场上用量常见的四种吸干机再生能耗比较:依次是无热再生式吸干机、微热再生式吸干机、鼓风加热再生式吸干机(气耗)、鼓风加热再生式吸干机(零气耗)。黄色部分代表消耗成品压缩空气,蓝色部分代表消耗电(加热)。

  整体耗能(看柱子的高度)是:无热再生>微加热再生>鼓风热再生(气耗)>鼓风热再生(零气耗);由于无热和微热再生时都使用了成品压缩空气,耗气量分别是15~25%和8~12%,把压缩空气折算为电耗的话,无热再生式吸干机整体耗能比微热再生式吸干机高。

  鼓风热再生时不需要成品气,只需要耗电鼓风和加热。如果使用零气耗鼓风热再生式吸干机把吹冷耗成品气也省掉的话,耗能最低。

  所以从吸干机的再生能耗来看,用电就不用气(如微热再生式吸干机比无热再生式吸干机节能),能用大气就不用成品气是空压系统节能的最有效的方法之一(如鼓风热再生式干燥器)。

  作者注:“吸干机技术图解”是上善气体工作室最新课题“压缩空气应用百图百解”中的一部分内容。更多压缩空气吸干机技术知识,可以看看专业书籍《干燥技术在压缩空气中的应用》。

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标签: 吸干机技术  

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