吸附式壓縮空氣干燥器運行分析

王新花

(中國石油蘭州石化公司)

空壓裝置中需要在壓縮機的出口設置壓縮空氣干燥器來降低其含水量，如果含水量過高可能會直接影響下游用氣裝置的正常生產，嚴重時還可能導致異常停工。因此壓縮空氣的含水量是空壓裝置的一個重要參數，工業上一般采用露點來表示，露點也稱露點溫度，是指將不飽和空氣等濕度冷卻到飽和狀態時的溫度，露點高則壓縮空氣的水含量也高。

工業上常用的空氣干燥方法有化學法、吸附法、冷凍法及壓力除濕法等，其中應用最為廣泛的是吸附法[1]。一空裝置目前在用的干燥器有兩種，均為吸附式干燥器，分別是普通型和壓縮熱再生型吸附式干燥器。

1 壓縮空氣干燥器的工作原理

1.1普通型吸附式干燥器

普通型吸附式干燥器一般有兩個干燥筒。正常工作時，一個筒吸附，另一個筒解吸，兩個筒交替工作實現連續生產。干燥筒內放置吸附劑來吸取壓縮空氣中的水分，使壓縮空氣的露點達標。吸附劑的種類較多，通常都利用其易吸水的物理特性來達到干燥壓縮空氣的目的。一般情況下，還可以對吸附劑進行脫水再生，工業上通常稱之為解吸。

普通型吸附式干燥器一般采用干燥熱空氣對吸附劑進行解吸，為了得到干燥熱空氣一般需要設置專門的電加熱器，因此能耗較大。

1.2壓縮熱再生型吸附式干燥器

壓縮熱再生型吸附式干燥器的結構與普通型類似，主要區別在于其使用壓縮機的壓縮余熱對吸附劑進行解吸，因此能耗較低，是一種新型、節能、環保型干燥器。其解吸過程如下：

a. 加熱階段。加熱階段的主要作用是將達到飽和的干燥筒升溫到解吸溫度，使吸附劑中的水分解吸。如圖1a所示，自壓縮機排出的高溫濕空氣首先進入干燥筒A中對其加熱，然后再分別進入后冷卻器和氣水分離器冷卻脫水，最后在干燥筒B中干燥后進入管網送往下游設備。

b. 冷吹階段。當干燥筒A被加熱到解吸溫度，吸附劑中的水分充分解吸后，便可進入冷吹階段。如圖1b所示，自壓縮機排出的高溫濕空氣首先進入后冷卻器和氣水分離器冷卻脫水，然后進入干燥筒B中干燥。干燥后的壓縮空氣一部分進入管網送往下游設備，一部分進入干燥筒A中，對其進行冷卻，并帶走干燥筒A中的水分。

a. 加熱階段

b. 冷吹階段

2 吸附劑的選擇與維護

吸附劑是空氣干燥器的核心部件，直接影響干燥器的工作效果，需要重點關注。

2.1吸附劑類型

工業上常用的吸附劑很多，如硅膠、活性氧化鋁、活性炭及分子篩等。通過對比使用，在壓縮空氣干燥器中，活性氧化鋁是較好的一種吸附劑。

活性氧化鋁又名活性礬土，主要成分為Al2O3，球狀多孔型物質，是一種分散度高的固體材料，表面積很大。其微孔表面具備吸附作用所要求的所有特性，如吸附能力強、表面活性好及熱穩定性優良等。表1是活性氧化鋁的主要技術指標[2]。

表1 活性氧化鋁主要技術指標

圖2是活性氧化鋁和4A分子篩的吸附性能曲線圖。從該曲線中可以看出，活性氧化鋁對水的吸附能力較4A分子篩差；同時隨著溫度的升高，其吸附能力迅速下降，當溫度達到100～150℃時，其吸附能力僅為1%～2%。但這并不意味著4A分子篩比活性氧化鋁更適用于壓縮空氣的干燥，事實上，在工業實際應用中，活性氧化鋁比4A分子篩的應用更好，原因有以下幾點：

a. 吸附時，只需將活性氧化鋁的溫度控制在20～30℃時，其吸附能力可達10 %以上，可以實現最佳吸附；

b. 解吸時，只需將活性氧化鋁加熱到130～150℃，其吸附能力降低為1%左右，可以達到完全解吸的要求，而4A分子篩的解吸過程相對較復雜；

c. 活性氧化鋁的價格較4A分子篩便宜得多。

圖2 活性氧化鋁和4A分子篩吸附性能曲線

因此，活性氧化鋁的投資成本和解吸成本較低，運行維護相對簡單，是一種非常適用于工業應用的水吸附劑。

2.2吸附劑的厚度

吸附過程是分層進行的，吸附效果與吸附劑的厚度有關。吸附劑層過薄，可能造成接觸時間短，來不及吸附。雖然從理論上講，吸附劑層越厚吸附效果越好，但吸附層厚度增加后，阻力也隨之增大，壓縮空氣的壓力損失較大，同時干燥器結構也隨之增大，需要的吸附劑的數量也隨之增加，投資和運行成本增加。因此，必須選擇合理的吸附層厚度。

對吸附式干燥器可以計算吸附劑的厚度[2]：

C=C0E-1.22T

式中C——干燥器出口空氣濕含量，g/m3；

C0——干燥器入口空氣濕含量，g/m3；

E——吸附效率，%；

T——吸附劑厚度，m。

2.3吸附劑的壽命

吸附劑都有一定的壽命，活性氧化鋁也不例外，其在使用過程中吸附性能將逐漸降低。原因主要有：吸附劑不斷擠壓、磨損和粉化，破壞了吸附劑表面的微孔結構；解吸過程中，吸附表面會出現積碳現象，特別當再生溫度過高時積碳更加嚴重，積碳會堵塞吸附劑表面的微孔，因此，必須定期更換吸附劑。一般情況下，可以根據出口露點來判斷是否需要更換吸附劑。

3 進氣溫度對干燥器解吸過程的影響

3.1加熱階段

對于吸附式干燥器，在加熱階段，高溫濕空氣進入再生筒，對筒內的吸附劑進行加熱，當再生筒的出氣溫度達到90℃時方可切換進行下一步流程。因此如果進氣溫度高則加熱時間相應縮短。

表2是不同干燥器入口溫度對應的加熱時間數據。

3.2冷吹階段

在冷吹階段，如果干燥器的進氣溫度偏高，則干燥器的出氣溫度和露點必然也高。這使得再生筒中的冷卻效果變差，冷吹時間延長，嚴重時可能始終無法達到規定的冷卻溫度，只能人工進行強制切換。長此以往，對吸附劑的壽命有很大的影響。表3是不同進氣溫度與冷吹時間的對應關系。

表2 干燥器進氣溫度與解吸加熱時間的關系

表3 干燥器進氣溫度與冷吹時間的關系

4 進氣溫度對干燥器工作過程的影響

表4是壓縮空氣的飽和含濕量表[3]，從表中可以看出，在壓力一定的情況下，進氣溫度每提高10 ℃，飽和含濕量提高近一倍，也就是說壓縮空氣中的水含量增加近一倍。

表4 壓縮空氣的飽和含濕量

注：a～g表示壓力為0.4～1.0MPa。

表5是當其他條件不變，僅干燥器的進氣溫度變化時，出口露點的測試數據。從表中可以看出，隨著進氣溫度的升高，出口露點迅速升高。

表5 干燥器進氣溫度與出口露點的關系 ℃

5 結論

5.1實踐表明，活性氧化鋁的投資成本和解吸成本較低，運行維護相對簡單，是一種非常適用于工業應用的水吸附劑。

5.2吸附劑的厚度是空氣干燥器的重要參數之一，厚度過小，吸附效果較差，厚度過大，投資和運行成本較大。

5.3進氣溫度是影響空氣干燥器工作的重要參數之一，隨著進氣溫度的升高，干燥效果明顯變差，最終表現為干燥器出口露點升高。其原因是綜合的，主要有：隨著進氣溫度的升高，吸附劑的吸附能力顯著下降；進氣溫度的升高使得壓縮空氣中的含水量顯著提高，增加了干燥器的負荷，還會導致干燥器解吸時間長或解吸不完全，影響吸附劑的壽命。

5.4提升壓縮空氣干燥器性能的方法很多，如降低進氣溫度、加大吸附罐容積、更換高性能吸附劑、加大再生氣量及縮短工作周期等，這些方法中降低進氣溫度是最經濟、最安全、最合理的。

5.5根據一空裝置的運行情況，嚴格將干燥器的進氣溫度控制在30～40℃是壓縮空氣露點合格的關鍵，也是干燥器節能降耗的關鍵。

[1] 雷霽霞，楊亞芝，毛向禹.空壓站吸附式干燥器的選型和能耗分析[J].化工設計，2013，23(6)：37～39.

[2] 李克永.化工機械手冊[M].天津：天津大學出版社，1991：13～17，20.

[3] 中國建筑標準設計研究院.動力工程設計常用數據[M].北京：中國計劃出版社，2014.