干货:吸附式干燥机 结构原理与维护技术

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楼主 2022-05-09 11:05:01
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一、概述
 

常用的压缩空气干燥设备有三种,即冷冻式压缩空气干燥机、吸附式压缩空气干燥机和组合式低露点压缩空气干燥机。冷干机由于其工作原理和结构所限,压缩空气出口压力露点不可能低于0℃,一般在2-10℃之间。在一些场合,对压缩空气的压力露点要求较高,如要求-40℃的压力露点,此时只能选用吸干机或组合式低露点干燥机。 

吸干机的工业应用比冷干机早得多。在上世纪五、六年代,我国的一些工业就开始采用吸干机干燥压缩空气。 

吸附分离技术的应用相当广泛,如工业生产中物质的提纯、工业污水的处理、大气污染的治理等等,吸附干燥是吸附分离技术的应用之一。

二、吸附过程 

当流体(包括气体和液体)与固体颗粒,特别是与某些多孔性颗粒接触时,流体中的某些组分便富集于固体颗粒中,这过程叫“吸附过程”。因此,吸附是非均相系统(如气体—固体系统)中的两相界面上发生的传质与富集过程。吸附操作的逆过程,称为“解吸”或“脱附”,我们通常称为“再生”。

具有一定选择性吸附功能的多孔性固体物质称为“吸附剂”,在吸附剂上富集的物质称为“吸附质”。在压缩空气干燥中,吸附质为水蒸气。 

根据不同的表面作用,吸附过程可分为物理吸附和化学吸附两类。前者也称范德华吸附,它是由分子间作用力和静电作用力引起的,后者是由化学键的形成引起的。化学吸附的作用力强于物理吸附作用力,而且选择性也高。 

压缩空气的吸附干燥以物理吸附为主。当待干燥的压缩空气与吸附剂接触时,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。当单位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,虽然吸附与脱附过程均在进行但速度相等。此时,单位质量吸附剂所吸附的水蒸气量称为吸附剂的“静态吸附量”,常用g(水)/kg(吸附剂)、或%表示。

在实际生产中,吸附经常在未到达吸附平衡时就结束,因为我们采用吸附的目的不是为了证明某种吸附剂的“静态吸附量”有多大,而是为了达到流体中两种物质的分离,如把压缩空气中的水蒸气分离出去从而实现干燥目的,因此吸附剂的“动态吸附量”才是吸干机的关键参数,当然静态吸附量与动态吸附量是有密切联系的。 

所谓的“动态吸附量”指当湿空气通过吸附剂床层后,当吸干机出口压缩空气的露点温度达到设定值时,吸附塔内吸附剂所吸附水蒸气的量,单位与静态吸附量相同。很明显,吸附剂的静态吸附量比动态吸附量大。静态吸附量反映了吸附剂的性能,而动态吸附量往往是由设计人员根据静态吸附量、经验数据以及设计思路选定,它是吸干机的基本参数,吸附剂的充填量由它计算而得。 

吸附剂吸附吸附质时,伴随吸附过程所产生的热效应称为“吸附热”,即吸附过程为放热过程,与之相反,解吸过程为吸热过程。不同吸附剂吸附不同物质时放出的吸附热是不同的,表2-1是三种常用吸附剂吸附水蒸气时放出的吸附热参考值。

                              表1 水蒸气的吸附热

吸附剂

吸附热kJ/mol

硅胶

53.6

活性氧化铝

51.9

分子筛

75.3

三、再生过程 
前面已经提及,吸附过程是一个动态过程。如果压缩空气与吸附剂有足够长的接触时间,吸附将达  到一种动态平衡,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会被打破并建立一个新的平衡关系。图2-21所示为水在吸附剂上的吸附等温线和等压线示意图,它们共同描述了吸附过程的热力学特性。 

图1 吸附剂性能曲线


由图1可知,一定温度下,水(吸附质)在吸附剂上的吸附量随气相中水蒸气分压增大而增大;一定水蒸气分压下,水的吸附量随温度升高而减少。这就说明在低温、高压下水分易被吸附;在高温或低压下水分易被解吸。吸干机就是利用吸附剂的这一性质实现“吸附—再生—吸附…”之间的转换从而达到连续干燥压缩空气的目的。 

从上述描述可知,吸附剂的再生方式有两种:

——无热再生(heatlessregeneration)

——有热再生(heat regeneration)

根据吸附剂再生方式的不同,吸附循环可分为两类:变压吸附(PressureSwing Adsorption简称PSA)和变温吸附(TemperatureSwing Adsorption简称TSA)。 

变压吸附就是吸附剂在较高水蒸气分压下(未经干燥的湿压缩空气)进行吸附,在较低分压下(经减压后的干燥空气)被解吸(无热再生)。设定的吸附循环的周期比较短(一般在12分钟以内),吸附热来不及散失就转入再生,吸附床层温度变化较小,因此可以近似看作等温过程(或为了基本保证等温过程的实现,吸附循环周期不能过长)。 变温吸附就是吸附剂在常温下吸附,在较高的温度下再生(有热再生)。典型的有热再生干燥机是外加热鼓风再生干燥机。在微热再生干燥机中,变温吸附中也伴随着压力(再生用干燥气)的变化,因为干燥再生空气压力低于吸附剂吸附时的空气压力,所以也称之为变温变压吸附。由于吸附剂的比热容较大而导热率较小,加热和冷却所需的热量和冷量均较大而且时间长,因此变温吸附干燥机除了结构比变压吸附干燥机复杂——需要有加热装置外,工作周期也比变压吸附的长,如外加热鼓风再生干燥机一般为4-6小时。

四、吸附剂 

吸附剂是吸附分离的物质基础。在工业上,不同的分离用途选用的吸附剂也不同,如在空分装置中采用碳分子筛作为吸附剂,在水处理中常用活性炭作为吸附剂。在压缩空气干燥脱水中常用的吸附剂有: 

活性氧化铝(Activated Aluminium Oxide ) 

分子筛(Molecular Sieve) 

几乎所有吸附剂具有以下特点:

具有很大的表面积,具有良好的机械强度和热强度;

化学稳定性较强,一般不与接触的物质发生化学反应;

五、控制系统

吸附式压缩空气的控制方式有两种。列如本公司的吸干机的控制系统标准配置为RD2000微电脑可编程控制系统。根据事先确定编写的时序,微电脑控制系统输出信号控制切换阀和排放阀的切换,并不会随压缩空气负荷的变化调节时序。另一种就是本公司的露点节能控制系统。

为了保证出口露点温度,我们根据压缩空气的最大负荷确定吸干机的处理量,但是在实际运行中,压缩空气的工况并不始终处于极限工况(最大负荷)下,有很多时间处于比极限工况好得多的工况。例如:压缩空气的最高温度往往发生在夏季,而春、秋、冬三季的压缩空气温度低于夏季。在时序控制时,吸干机的工作周期是一定的。例如由RD2000TSE微电脑节能控制系统控制的的无热再生干燥机的吸附/再生的工作周期为10分钟,如图2所示。


图2,RD2000TSE型微电脑控制无热再生干燥机露点节能控制时序

在小负荷工况下,吸附塔内吸附带的宽度相对较小、移动速度也较慢。如按固定工作周期切换,吸附带远未达到吸附塔顶部之前(吸附塔还有吸附能力)已被切换而进入再生状态(此时吸附塔的吸附能力是有富余的),并用干燥空气去“再生”并不潮湿的吸附剂,能源就会浪费。露点控制节能系统是为了让吸干机尽可能地处于满负荷状态,最大限度的节省能源。

露点节能控制系统由露点传感仪和PLC组成。露点传感仪安装在干燥机的出口处。我们把所需要的露点温度设定在露点节能控制系统上,系统在线对比露点传感头测到的干燥机出口露点温度和设定值。当实测值低于设定值时,系统不发出吸附/再生切换信号:吸附继续进行,而再生已在规定的时间里结束,即充压后等待切换(如图2),此时没有消耗再生空气。当吸干机出口露点温度等于设定值时,系统发出吸附/再生切换信号,进入下一循环。

六、吸附剂比较 

在常用的三种吸附剂中,硅胶使用较少,活性氧化铝最常使用,而分子筛常用在要求较高的场合。 这三种吸附剂的主要性能已列在表3中。表3列出了三种吸附剂的使用条件。在使用条件栏中指的是压缩空气中含有的某些杂质。 

使用环境

硅胶

活性氧化铝

分子筛

碱性

不可

酸性

不可

不可

活性氧化铝和分子筛的吸附性能曲线列于图3、图4和图5。


图3表示了吸附剂在不同相对湿度下吸附量,常用的三种吸附剂具有共同的一个性质:吸附量随着压缩空气相对湿度的增高而上升;与之相对,三种吸附剂的吸附能力随着压缩空气相对湿度的降低而减小。但是我们发现分子筛在低湿度下仍然具有较强的吸附能力,我们常在吸附剂双层床中利用分子筛的这一特点。


图4 不同水蒸气分压下吸附容量(等温线) 

 

图4告诉我们,吸附剂的吸附能力随着水蒸气分压的降低而降低,在水蒸气分压很低的情况下,分子筛仍然具有吸附能力。 

图5 不同吸附温度下吸附能力(等压线)

图5说明了吸附剂在不同温度下的吸附能力变化情况:吸附温度越低,吸附剂吸附能力越强。 

七、无热再生 

无热再生干燥机再生时外界没有对其输送热量,而是采用了PSA(Pressure Swing Adsorption)原理。这类干燥机所需的再生干燥空气占其处理量的12-16%之间。再生干燥空气要降至大气压,以获得更低的相对湿度。 
无热再生吸干机的吸附剂通常为活性氧化铝或分子筛。活性氧化铝适用于压缩空气的进口温度不超过40℃、压力露点一般不低于-40℃的场合;分子筛允许最高的压缩空气进口温度为55℃,压力露点温度可-70℃以下。 
    
在无热再生干燥机中,通过吸附剂吸附产生的温升相对较少,因为吸附的水蒸气不多。在正常运行中,压缩空气的出口温度比进口温度高约2-6℃。 
1
、结构布置和工作过程 
无热再生干燥机的结构比较简单(如图9所示)。 
吸附塔的底部安装了筛网,出口处安装了圆柱状的金属丝网以防止吸附剂被压缩空气吹出吸附塔。两个吸附塔的进出口分别由管道相互连接,为了使两个塔之间进行切换并独立运行,连接处安装了相关阀门。 
无热再生干燥机下部的压缩空气进口处一般设有四个阀门,分别称为切换阀和排放阀,其中排放阀控制吸附塔卸压、再生气排放和再生完成后吸附塔的“均压”;两个切换阀控制了压缩空气的流动方向,即决定了吸附和再生的切换。在运行时这四个阀门对角动作。在小型吸干机中,采用电磁阀作为切换阀,在大型吸干机中采用气动球阀、气动蝶阀。 

在吸干机上部出口处,干燥后的压缩空气通过止回阀(CV1)进入管网。同时,部分再生用干燥空气通过旁通管进入需要再生的吸附塔,旁通管上安装有孔板或球阀(SV5),孔板孔径或球阀开启度决定于所需的再生气量。 

无热再生干燥机的工作流程:

 

 


图9

干燥机开机后,A塔吸附运行,B塔再生。在预先设定的时序控制下,切换阀SV1打开、SV3关闭,排放阀SV2打开、SV4关闭,湿空气进入A塔,干燥后的空气通过止回阀CV1排入下游管线;部分干燥压缩空气在压差的作用下通过孔板(SV5)流向B塔,其压力被降至接近大气压,由于降压后空气体积同比例增大,使再生用空气的相对湿度只有干燥空气的几分之一,这样这种特别干燥的再生空气中的水蒸气分压远远低于B塔内吸附剂床层的水蒸气分压。吸附床层中的水蒸气在压差的作用下释放至再生空气中并被带走,再生空气通过排放阀SV4和消声器SP6排入大气。 
再生结束后,A、B塔切换不能马上切换,而是先关闭排放阀SV2,B塔压力升高至系统压力,即“均压”过程。因为再生时,吸附塔处于大气压状态,与吸附状态有较大的压差,如果直接切换会导致压力冲击,严重时引起机械故障。

当两个吸附塔的压力相同时,控制系统发出信号进行切换——A塔再生、B塔吸附。

无热再生吸干机所需要的阀门较少。这些切换阀常直接或间接由时间控制。如为了节省成本采用简单的几个时间继电器来控制切换阀,这种方法虽然成本低廉,但不可靠,因为时间继电器会产生较大的时间误差。而我公司采用了自主研发的RD2000微电脑可编程控制系统控制,虽然成本较高但我们所追求的是其自身的经久耐用性以及可靠性,大大提高了整机的质量以及可靠耐用性。 

2、运行特点

无热再生干燥机的运行特点主要表现为两个方面:工作周期短、再生气量大。

a)   工作周期 

在无热再生干燥机中,由于常温再生空气只能脱附吸附剂外表面的湿气,因此只利用了吸附剂外表面的吸附功能,吸附剂的吸附量一般在0.5%以下。 
在无热再生干燥机中,吸附被近似地认为是等温过程,再生时需要尽量利用储存在吸附床层中的吸附热。吸附时间越长,被干燥空气带走的吸附热越多,影响再生效果,严重时无法再生。基于上述两方面原因,无热再生干燥机的工作周期不能太长,一般为12min。本公司无热再生干燥机就采用了12min的工作周期,英国domnick hunter公司PNEUDRI无热再生干燥机的工作周期为4min。

无热再生干燥机的短工作周期决定了相关阀门的高动作频率。如工作周期为12min的吸干机,吸附/再生每6min切换一次,切换阀、排气阀等也每6min动作一次,每小时需要动作10次。如果每年按8000小时计,无热再生干燥机的相关阀门在一年中需动作80000次。因此,在无热再生干燥机中,切换阀是比较容易损坏的部件。切换阀的质量直接影响吸干机的正常运行。

a)   再生气量 

无热再生干燥机以变压吸附原理进行工作,其再生方式是变压再生,即用部分干燥的压缩空气降压后对吸附剂进行解吸,外界并没有热量加入,因此再生气量相对较大。 
如果不考虑吸附时的热量损失,同时假定再生气排放时为饱和空气且为大气压、湿空气和再生气的温度相等,再生气流量则可按式2-1计算。

(2-1)

式中:

Vrf —— 再生气流量m3/min 

V —— 干燥机进口流量m3/min 

di —— 进口湿空气含湿量 

do —— 再生气排放时含湿量 

在2-1式中,我们假定了再生空气温度等于进口湿空气温度。从第一章有关内容可知,在温度相等情况下,两种压力不同的饱和空气中水蒸气分压是相等的,其含水量与压力成反比。因此,无热再生干燥机的再生气量也可以用进口压力和再生压力的比值表示,并表述为进口流量的百分数(式2-2)。 

Vrf —— 再生气流量 % 

Pi —— 进口湿空气压力(绝压)

Pr —— 再生气压力(绝压)

需要说明的是,式2-1和2-2的计算结果是在理想状况下得到的,是最低的再生耗气量。实际上,无热再生干燥机的再生气量比按照2-1式或2-2式计算结果大,这是因为: 

为了克服吸附床阻力(图10)能使再生气顺利排出吸附塔,再生气的实际压力Pr要稍高于大气压,这会导致再生耗气量增加。 放空损耗。无热再生干燥机切换频繁,每次切换时,塔内操作压力下的压缩空气都要放空,这部分并没有计算在2-1和2-2式中。

热量损耗。无热再生干燥机是建立在等温吸附基础上的,假定解吸过程所需的脱附热完全由吸附过程中积聚在吸附剂床层中的吸附热提供。吸附剂是不良导热体,在短周期循环时可以认为其无热量损耗,但是干燥空气毕竟会带走部分吸附热,损失的热量只有用增大再生气量来补充。 

对无热再生干燥机而言,要减少再生气量,只有提高进气压力和降低进口温度这一条路可走。

a)   压力降 

无热再生干燥机的压力降包括管道、阀门和吸附床层等压力损失之和。图2-30是高度为1m的吸附床层,在不同空塔流速和操作压力下的压力损失,单位为mm水柱(10m水柱相当于0.1MPa)。本公司无热再生干燥机压力降小于0.02MPa(额定工况下)。 


图10不同空塔流速、不同操作压力下的压力损失

八、有热再生吸附式干燥机

有热再生干燥机按“变温吸附”(TSA)原理进行吸附剂再生,再生条件比无热再生干燥机优越。加热能脱附吸附剂内表面的水蒸气,使吸附剂实现深层吸附,因此有热再生干燥机中吸附剂的动态吸附量远远比无热再生干燥机中的吸附剂动态吸附量大。

相对于无热再生干燥机而言,有热再生干燥机的种类就比较多,但其吸附原理是一样的,主要区别在于加热方式、再生气来源等方面。 

按加热器的安装方式分,有热再生干燥机可分为内加热再生干燥机、外加热再生干燥机两类。外加热再生干燥机又可按再生气来源分为利用干燥空气再生的微热再生干燥机和利用环境空气再生的外加热鼓风再生干燥机。在工业企业中,外加热再生干燥机可作为加热源的能源比较多,如电、蒸汽、热油等。近年来,国内出现了利用空压机的压缩热作为再生能源的压缩热再生干燥机。在国外,在外加热鼓风再生干燥机的基础上开发出了真空再生干燥机。

内加热再生干燥机的特点是加热器安装在吸附塔内,加热器直接对吸附剂加热,使富集在吸附剂上的水蒸气脱离其表面,并用少量干燥的再生气把水蒸气带出吸附塔外。由于吸附剂的导热性较差,因此吸附塔内的吸附剂无法得到均匀加热,导致再生不完全。另,由于加热器安装在吸附塔内,带来了维护困难、不够安全等缺点,因此此类干燥机已基本淘汰。 

1、           微热再生吸附式干燥机

顾名思义,微热再生干燥机的再生温度比外加热再生干燥机的再生温度略低。但各干燥机制造商对微热再生的理解不尽相同。如再生温度、工作周期、吸附剂充填量等参数的差别很大(而无热再生干燥机的结构参数比较接近)。 
(一)结构布置和工作过程  
微热再生干燥机的结构布置比无热再生干燥机稍微复杂(如图12所示),主要增加了再生气加热器(HS),干燥机上部多了两个止回阀(CV2、CV4)。 


微热再生干燥机的工作流程: 

干燥机开机后,A塔吸附运行,B塔再生。在预先设定的时序控制下,切换阀SV1打开、SV3关闭,排放阀SV4打开、SV2关闭,湿空气进入A塔,干燥后的空气通过止回阀CV1排入下游管线;部分干燥压缩空气在压差的作用下通过孔板(SV5)流入再生气加热器(HS),被加热至设定温度并进入B塔内解吸潮湿的吸附剂,使吸附剂再生。潮湿的再生空气通过排放阀SV4和消声器SP6排入大气。这一再生阶段称为“加热阶段”。 

加热再生持续一段时间后,出口再生空气温度达到设定值,再生气加热器就停止加热。未加热的再生干燥空气进入B塔内对吸附床层进行冷却,使其恢复至吸附时的温度,这一阶段称为“冷吹阶段”。

冷吹结束后,B塔进行“均压”,最后完成整个再生过程。 

微热再生吸干机的控制系统比无热再生干燥机复杂。除了控制相关阀门外,还需要根据再生温度控制加热器的运行。我公司的RDH型微热再生干燥机采用RDH2000(可编程控制器)和相关的温控装置实现控制。 

(二)运行特点

微热再生干燥机的运行特点是工作周期相对较长、再生气量比无热再生小(在额定工况下约为7%)和需要消耗额外的能源等。 

a)   工作周期   

微热再生干燥机中的吸附剂是深层吸附,其动态吸附量比无热再生干燥机中的大,相同数量吸附剂可处理更多的压缩空气,即吸附时间可以适当延长。

由于吸附剂的导热系数较小,因此再生时把吸附剂床层温度加热至所需的再生温度需要较长的时间。从微热再生干燥机的再生过程我们知道,加热再生结束后还需要对吸附床层进行冷却(冷吹),这同样需要较长的时间。 
由于上述两方面的原因,微热再生干燥机的工作周期相对较长。本公司通过实际试验,总结出了不同再生温度、再生气流量和工作周期之间的关系,并确定了RDH型微热再生干燥机的工作周期为90-120min。 

b)再生气量 

    微热再生干燥机的再生气量由加热再生气耗和冷吹气耗两部分组成。加热阶段的再生气量决定于再生所需要的热量,因为该阶段的再生气主要作为再生热带入吸附塔的载体。加热再生阶段所需的热量由以下几部分组成: 

——吸附剂所吸收的热量 

——吸附热。取决于在操作压力下吸附剂吸附的水量。吸附量大,释放的吸附热就多。

——吸附塔等部件需吸收的热量 

——热量损失 

在加热再生阶段,再生耗气量约为进气量的5%左右。 冷却空气用量取决于在冷吹阶段需要带走的热量。在正常冷吹条件下,冷却空气需要量约为4-8%。 

结合这两部分再生气量,本公司微热再生干燥机的再生气耗约为7%。 

1、           外加热鼓风再生 

外加热鼓风再生干燥机被认为是有热再生干燥机的经典产品,它的一大特点就是在加热再生阶段用的再生空气是取自环境的空气,只在冷吹阶段使用干燥后的压缩空气,因此其有效供气量比微热再生干燥机高。 

外加热鼓风再生干燥机的外形图(因技术的不便在此不作流程图)。其再生部分比微热再生干燥机多一台鼓风机用以抽取环境空气。其吸附原理及过程与微热再生基本相同。

在外加热鼓风再生干燥机中的吸附剂动态吸附量较大,有报道最高的可达达到16%~18%,几乎接近静态吸附量。吸附时放出的热量也高,出口空气温度比进口空气温度高12-20℃。为了实现连续运行,吸附剂要求再生彻底、完全,因此其再生温度要高。 

外加热鼓风再生干燥机的再生阶段也分为:加热——冷吹——均压三部分。加热阶段和部分冷吹阶段所用的再生空气取自大气。 冷吹阶段后期,吸附床层温度较低,吸附剂已具有吸附能力。由于环境空气是湿空气,因此如果冷吹后期的再生空气仍然是环境空气的话,吸附剂(尤其是吸附塔上部)会吸附其中的水蒸气。在切换投入吸附的开始阶段,出口压缩空气的露点温度会比较高,并出现露点峰值。为了避免这种现象,冷吹阶段后期(约1小时)的再生空气必须使用干燥后的压缩空气,用量约为3%~8%,整个再生阶段的平均干燥空气用量在2%以上。 

3 压缩热再生 

在压缩空气干燥机中,虽然吸附式干燥机所能达到的露点温度较低,但其能耗太大,在“可持续发展”战略被人们越来越认同的情况下,降低吸干机的能耗是业界一直追求的目标。本公司的RSC型组合式低露点压缩空气干燥机是一种能达到低露点又节能的干燥设备。当然在业界也有人开发了相对节能的吸干机——利用空压机的压缩热再生的吸干机,我们称它为“压缩热再生干燥机”。 
这种干燥机的设计思想是:空气在被压缩过程中体积缩小,温度升高。由于气体的焓是温度的单值函数,当空压机的最终排气温度与吸气温度相等时,其焓值是不变的,这意味着空压机所作的压缩功全部变为热量而被冷却水或外界大气带走。这部分压缩热的数量相当可观。一台空气压缩机产生的压缩热完全满足相同流量吸附式干燥器的再生热需求。 

目前这一类型干燥机有两种形式:(因技术的不便在此不作流程图)

1)直接利用空压机排出的未经后部冷却器冷却的热压缩空气进行再生。

此类干燥机的再生方式与外加热鼓风再生干燥机相似——都用潮湿空气作为再生空气。但再生程度前者比后者差得多。这是因为: 

根据吸附剂有热再生原则,吸附剂再生彻底与否取决于再生空气的温度和含湿量。压缩热再生干燥机的再生温度取决于空压机的排气温度,一般活塞式空气压缩机的排气温度按规定不超过160℃,实际运行中排气温度很少有达到160℃的情况,有时甚至低至110℃,而螺杆空压机的排气温度更低,用这样低的排气温度用于吸附剂再生是很不利的。再生气体温度低造成了再生的不完全,而再生不完全的后果就是成品气的露点高。而外加热鼓风干燥机不存在这一情况。 空压机的二级缸排气的含湿量与环境空气的相对湿度有关。压力状态下单位体积空气的水蒸气量比常压空气多,这就决定了此类干燥机的再生不可能很彻底,除非环境空气的相对湿度很低。 总之,此类干燥机的在再生温度不太高的情况下,出口露点温度受环境的影响很大,根据不同季节、不同地区,该类干燥机的出口露点温度在-10至-40℃之间变化,不适合于要求露点稳定的工艺中。

2)利用中间加热器,用空压机排出的未经后部冷却器冷却的热压缩空气与干燥后的部分空气热交换,提高再生气的温度。这种干燥机的结构与微热再生干燥机相同,只是热源不是电、蒸汽等,而是热空气。由于空压机排气温度不会很高,因此基本属于微热再生干燥机一类。

九、各种干燥机比较 

从吸附/再生原理上讲,无热再生、微热再生和外加热鼓风再生干燥机的综合能量消耗应该基本相同,即吸附/再生需要平衡。但是这三种干燥机的有效供气量不同(再生气量不同),这会影响空压机的选型。对于整个压缩空气系统而言,在保证露点温度满足要求的前提下,选用不同形式的吸干机对总投资、占地面积、运行费用等方面有影响。三种吸干机的经济技术对比见表2-4。 

表2-4 吸附式干燥器经济技术分析比较 

干燥机类型

无热再生

微热再生

有热再生(外加热鼓风)

工作原理

变压吸附(PSA)

变压、变温吸附

变温吸附(TSA)

出口压力露点

-20至-40℃

-20至 -40℃

-20至-40℃

吸附塔相对尺寸

1.0

1~1.5

1.5~2

再生气温度

比进气温度高2-6℃

120~200

120~320

工作周期

4~10(min

1.5~8h

6~8h

加热设备功率

0.15~0.3KW/(1m3/min)

0.4~0.8KW/(1m3/min)

再生气耗量

12~16%

6~8%

2~4%

综合评价

结构简单、操作方便、一次性投资低、占地面积小 、再生气耗量大、所需空压机排气量大、切换频繁

结构稍复杂、操作相对方便、占地面积小 、再生气耗量较小、所需空压机排气量较大、切换时间较长

结构复杂、占地面积大再生气耗量小、所需空压机排气量可稍小、切换时间长


十、使用条件
 

本公司吸附式压缩空气干燥机(包括RD型和RDH型)的额定工况如下: 
进气压力:0.7MPa(g) 
进气温度:40℃(饱和湿空气) 
环境温度:38℃ 
压力露点:-40℃

再生气量:13%(无热再生)、7%(微热再生) 

当吸干机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。但是,如果运行条件与额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。 

我们将从以下几个方面分析对吸干机正常运行影响颇大而又易被忽视的因素: 

(一)进气温度 

进入吸干机的压缩空气为具有一定温度的饱和空气。从3.2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,也即进入吸干机的湿度负荷增加30%左右;此外,吸附剂的吸附能力随温度的升高而降低(见图2-24),因此随压缩空气进口温度的升高,吸干机的干燥效率下降。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℃。所以,尽可能降低进气温度对吸干机有好处。

(二)工作压力

工作压力对吸干机的运行影响较大,具体表现在以下四方面: 
1
)前面已经讨论过压缩空气压力越低,再生气量越大。我们从(图-1)还可以看出,压缩空气饱和含水量与压力成反比,即工作压力越低,吸干机的湿度负荷越大,因此要求的再生气量也大。 
2
)从干燥机的结构我们知道,再生空气是由孔板或球阀的开启度和两侧的压力差决定的。在流通面积一定的情况下,流经孔板(SV5)或球阀的再生气量与压力成正比,工作压力的下降会导致再生气量的减小从而使吸干机再生效率降低,影响吸附效率。 
3
)压缩空气的体积与压力成反比,较低的工作压力使压缩空气空塔流速提高,吸附剂与压缩空气的接触时间缩短,导致动态吸附容量的下降。 
4
)由于压力下降、空塔流速提高,导致吸附床层的压力损失加大。 
因此工作压力降低必然引起产品气出口露点上升、再生气量加大、压力降上升。尤其无热再生式干燥机对压力下降十分敏感。因此RD型无热再生干燥机都对工作压力的下限提出要求即:不低于0.5MPa(特殊设计的干燥机除外)。 
除了压力的下降会降低干燥机运行效率有影响外外,较大范围的压力波动亦会影响设备的正常运行。尤其与活塞式空压机配套时容易出现这种情况,当然在某些场合对气量需求变化较大时也会出现压力波动。在这种情况下,应在干燥机前端配置合适的缓冲罐或在系统中设置压力维持阀,尽可能保证干燥机在稳定工况下运行。 
   
(三)凝结水 
    
从空压机后部冷却器排出的压缩空气是一种过饱和压缩空气,含有一定量的凝结水。少量的凝结水对吸干机的影响不大,因为本公司干燥机的吸附塔底部填充了抗水的瓷球或氧化铝(没有经过活化),但是如果吸干机前没有安装气水分离器和过滤器或由于非正常因素大量的凝结水进入吸附塔内就会导致吸附恶化、露点温度急剧上升,严重时导致吸附剂破裂成粉(具体表现为:从消声器内喷出粉末、后置粉尘过滤器堵塞)而必须更换吸附剂的后果。这是因为: 

大量凝结水进入吸附塔后,吸附剂在瞬间吸附大量的水分,同时放出大量的吸附热,由于吸附剂是非导热体,吸附热无法及时散发而被吸附剂微孔内的液体水吸收,当热量足够时,这些水分蒸发成气体后体积急剧膨胀而胀破吸附剂。 
因此在吸干机前置配置水分离设备是完全必要的。 
    
(四)油雾 
     
一般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。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10mg/m3,并以10m3/min排气量空压机为例,运行8000小时(一年)后的油雾量: 


如此之多的润滑油进入吸干机必然加速吸附剂的老化,导致寿命缩短。 
解决这一难题的方法是在吸干机进气口前设置除油过滤器。 
    
(五)再生气量 
    
前面章节对再生气量的讨论已不少,这里要强调的是在干燥机运行过程中不能随意调节再生气量。另外,对加热再生干燥机而言,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“遂道效应”而导致无法均匀传热与有效解吸。

十一、吸附式干燥机的选型 
在选择压缩空气干燥机时,我们首先考虑的是所需的露点温度。根据露点温度确定选择冷干机、吸干机还是组合式干燥机。 
当我们确定使用吸干机后,可根椐2.4.4.4和2.4.5.1综合比较,最后确定选用哪一类干燥机。

十二、吸附式干燥机的安装 
吸干机的安装具体见《使用维护手册》,但有两点需要指出: 
1
)所有吸干机必须与过滤器一起使用,吸干机前置应安装除油过滤器以除去压缩空气中凝结水、油滴和固体颗粒,下游的过滤器可以除去吸干机产生的粉尘。 
2
)空压机与吸干机之间应设置缓冲罐。

十三、吸附式干燥机的故障及提问

1、吸附式干燥机再生塔压为什么无法降到2kgf/cm2 以下?
a
)消音器堵塞;b)单向阀失灵;c)排气阀开启过久;d)再生气/升压阀无法开启。

2无热再生吸附式干燥机的干燥原理是什么?                                  

无热再生吸附式干燥机是通过“压力变化”来达到干燥效果。由于空气容纳水汽的能力与压力呈反比,其干燥后的一部分干燥空气(称为再生气)减压膨胀至大气压,这种压力变化能膨胀空气变得更加干燥,然后让它流过未接通气流的需再生的干燥剂层(即已吸收足够水汽的干燥塔),干燥的再生空气吸出干燥剂里的水分,将其带出干燥机来达到脱湿干燥的目的。无热再生吸附式干燥机一般要消耗15%左右的再生压缩空气。

3、吸附式干燥机两塔不能循环再生和干燥的原因与解决方案如下:
a
)进气阀、再生气/升压阀失灵:检查所有阀门的工作状况,维修或更换有关阀门;
b
)电控箱内的压力开关失灵:更换压力开关;如果机器所有工作条件正常,所有阀门工作正常,可以将压力开关短接(即旁通关掉)应急。

 

4、吸附式干燥机再生循环时再生气排放量为什么过大?
a
)进气阀无法关闭;b)单向阀失灵。

5、吸附式干燥机工作塔压为什么达不到系统压力?
a
)再生气/升压阀无法关闭;b)下游空气的需求量过大。

 

6、干燥剂过早饱和的原因是什么?
a
)再生气率不足:(1)再生气阀排放不出、再生循环时,(2)工作塔压力并未完全下降(无法降到2kgf/cm2以下),造成压力差太小。
(3)
排气消音器堵塞;
(4)
排气阀无法打开;
(5)
单向阀卡住无法正常关闭:a、设置不当;b、定时器故障。

 

7、吸附式干燥机出口露点值为什么会过高?
1
)超出最大流量值和超过设计条件;
2
)干燥剂没有吸附作用:a使用寿命已结束、b干燥剂已被污染(如被油污染)、c过早饱和(吸水过多)。
3
)气流进入干燥机前没有预处理除去液态水。

 

8、吸附式干燥机电源指示灯不亮有何原因,如何解决?
a
)电源未接通。检查电路终端板上的电压;
b
)开关置于关的位置。将开关置于开的位置;
c
)开关失灵,更换开关。
d
)指示灯被烧毁。更换指示灯。

 

9、国产吸附式干燥机与进口吸附式干燥机的差距?
首先,由于国内的干燥剂(例如活性氧化铝)的吸附性能不佳,国产吸附式干燥机的压力露点-20以下就无能为力了。
其次,国内的阀门阀件的性能不佳,开启不很顺畅,造成国产吸附式干燥机的故障不断,工作不稳定。
再次,国产吸附式干燥机的设计落后。要知道合适的干燥剂层、机筒、管路、阀门设计可以减少压降,提高干燥效果。
特别是塔体尺寸和分流器的设计,关系到气流在塔体内的均匀走向和气流与干燥剂的接触时间,从而直接影响干燥机的干燥效。

 

10、加大吸附式干燥机的吸附床有何作用?
a
)增加压缩空气与吸附剂的接触时间;
b
)额外的吸附剂用于补偿干燥剂的自然老化;
c
)确保出口露点温度稳定;
d
)保存足够吸附热以备正常再生之需。

 

11、吸附式干燥机后置过滤器有何作用?
吸附式干燥机的后置过滤器用于清除干燥剂粉尘,防止下游有尘埃污染物。

 

12、吸附式干燥机前置过滤器有何作用?
吸附式干燥机的前置过滤器用于清除压缩空气中的固态和液态污染物,延长干燥剂层的使用寿命(尤其是油污染会造成干燥剂因中毒而失效。

 

13、无热吸附式干燥机的干燥效率与气流压力的关系是什么?
无热吸附式干燥机是通过变压(即压力变化)来进行干燥达到除湿效果的。干燥剂再生时气流的压


力差越大,再生气吸出的干燥剂里的水份就越多,干燥剂的再生效果就越好,下一工作周期时的干燥效果就越佳。
一般来说,无热吸附式干燥机都有它额定的最小工作压力,否则达不到干燥机设定的干燥效果。

14、吸附式干燥机的干燥效率与气流温度的关系是什么?
气流的温度越低,吸附式干燥机的干燥效率越高。因为空气温度越低,容纳的水分越少,对吸附式干燥机的干燥负载就越低,吸附式干燥机的干燥能力就越强,故而效率越高。

 

15、吸附式干燥机的适用范围如何?
吸附式干燥机用于压力露点要求在零度(0)以下的场合。它能达到冷冻式干燥机远远不能达到的干燥效果。

 

16、各类干燥剂的特点是什么?

活性氧化铝的吸附性能很强、很稳定,遇到水分不潮解,且具有高抗碎强度和抗磨蚀性,适用范围较广。分子筛由于在相对湿度20%以下有较好的干燥性能,常常仅用为深度干燥的干燥剂。

 

17、有热再生吸附式干燥机的工作原理是什么?
有热再生吸附式干燥机是通过温度变化来达到干燥效果。因为空气容纳水汽的能力与温度呈正比。
内加热型吸附式干燥机是让少量干燥空气(称为再生气)流过需再生的干燥剂层并启动内置在机筒内的加热器,产生的高温空气会吸出干燥剂空气里的水分,将其带出干燥机。
外加热型吸附式干燥机是一种让少量干燥空气(称为再生气)流过外置的加热器再次吹过需再生的干燥剂层,产生的高温干燥空气会吸出干燥剂里的水分,将其带出干燥机。
外加热型吸附式干燥机另一种是通过鼓风机将普通空气吹过外置在机筒的加热器,产生高温空气可吸出干燥剂里的水分,将其带出干燥机。此种外加热型吸附式干燥机不需要消耗压缩空气,即再生气消耗为0%

 

18、再生吸附式干燥机的运行原理是什么?
再生吸附式干燥机由两个双联机筒组成,机筒里装满了干燥剂(干燥剂的表面能吸收水份)。两个机筒轮流接通和关闭气源,交替进行干燥和再生运行,从而使气流能持续接触干的干燥剂来达到脱湿干燥的目的。

 

19、吸附式干燥机的分类是什么?
吸附式干燥机分为简易型吸附式干燥机(一次性)和再生型吸附式干燥机(自动循环型)。我们日常多采用再生型吸附式干燥机,简易型吸附式干燥机多用于小型实验室。再生型吸附式干燥机一般分为无热再生吸附式干燥机和有热再生吸附式干燥机。有热再生吸附式干燥机根据加热方式又可分为内加热型吸附式干燥机和外加热型吸附式干燥机。

 

十四、吸附式干燥机的检查保养

1、排气消音器

排气消音器应定期清洁检查,每18个月更换一次。消音器属于本机台耗材,当长时间使用时消音孔会被乾燥剂粉尘阻塞,造成机台再生时再生气不能顺畅排出,会使吸附剂顺利完成再生,严重时会导致吸附剂过早饱和,影响机台正常工作,导致露点升高。

2、机台在再生时再生吸附塔内的压力不得超过0.5kg/cm2,如果超过此数值,在确认阀门无故障的情况下,可以认为消音器阻塞,此时可以拆下消音器,将阻塞物清除,如果阻塞物清除不掉,请更换新消音器。

3、阀件

n       前导阀应经常检查有无漏气和正常操作。

n       定期检查阀门工作情况及密封状态是否良好。

4、精密过滤器之滤芯必须6000hr或一年更换,以确保空气的品质,宜使用原厂提供之滤芯。

B注意

请使用正确型号的吸附剂剂更换。

5、当空气品质变差认为需要更换吸附剂时,本公司将派人员至现埸指导并配备精密之露点测量仪器,为用户之空气品质把关,有关吸附剂之更换必须委托专业人员处理,如更换不得要领会使得吸附剂粉碎,造成严重的损坏及困扰。

6、高品质之吸附剂是机台空气品质的保证,请勿随意更换不同型号的吸附剂,导致无法达到标准之露点或耐压强度不足分子筛破碎分解而造成整个空压系统严重损坏。

7、定期检查表

需定期更换及清洁的零件

保养更换期限

检查期限

乾燥剂

2~3年

每年

消音器

18

每月

前导气源过滤器

1

每月

阀件

不定期

每月

十五、吸附式干燥机故障处理和引导排除表

序号

故障现象

原因分析

检查与故障排除方法

1

开机机台不工作

      无电输入

      开关失灵

      电脑板故障

      电器接触不良

      保险丝烧毁

检查电压

更换开关

与制造商联系

检查线路是否松动或更换电器

更换保险丝

2

露点偏高

      空气处理量超过最大值

      吸附剂超过使用期限

      吸附剂被污染

      进气压力过低或进气温度过高

      露点传送器故障

修正机台参数

更换吸附剂

检修前置过滤装置后更换吸附剂

修正进气压力和进气温度

检查和更换新品

3

均压时没有达到压力平衡

      再生阀关闭不严

      进气阀关闭不严

      再生塔止回阀关闭不严

      控制系统故障

      再生截流阀调节过小

检查和更换新品

检查和更换新品

检查和更换新品

检查控制系统

重新调节

4

再生时塔内压力大于0.5kg/cm2

      消音器阻塞

      再生阀门没有打开

      止回阀密封不良

清洗或更换消音器

检查再生阀

检查止回阀

5

机台压降过大

      压缩空气进入机台流量过大,超出机台的设计标准。

调整减少压缩空气进入机台的流量,以匹配机台的设计规范。

6

出口或入口压力过低

      入口压力不足

      用气量过大

      机台的进气阀没有打开

      再生阀没有正常关闭

      再生塔出口止回阀关闭失败

      吸附塔再生止回阀泄漏

检查空压机

检查机台或后端使用设备

检查前导气源和进气阀是否损坏

检查前导气源和再生阀是否损坏

检查止回阀或更换

检查止回阀或更换

7

高温或低温警报

      桶槽温度探针失效

检查温度探针或更换

8

加热器高温警报

      再生气流量不足

      温度探针失效

调节再生阀

检查温度探针或更换

9

加热器不能加热

      温度探针失效

      加热管损坏

      接触器没有闭合

检查温度探针或更换

检查后更换加热管

检查控制电路


F若上述之故障排除与引导方法不能排除故障,请打开空气旁路阀并关闭机台的空气入口阀,然后关机,使空气无法进入机台中,尽快联络本公司售后服务人员予以协助处理。

 


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