硅膠的搭配應用技術

賈厚林，周強，張校瑜，劉榮福，莊春龍

（中國航發渦輪院，四川江油621703）

硅膠的搭配應用技術

賈厚林，周強，張校瑜，劉榮福，莊春龍

（中國航發渦輪院，四川江油621703）

參考已有的某硅膠搭配使用方案，分析硅膠干燥劑搭配應用技術，探討類似空氣干燥器硅膠吸附劑的合理優化應用。

硅膠；壓縮空氣；搭配方案

0 引言

常用的吸附劑種類有很多，如硅膠干燥劑、黏土干燥劑、分子篩等。壓縮空氣一般采用硅膠和分子篩作為干燥劑。早在六七十年代，工業上均采用單一種類的普通硅膠作為干燥劑，隨著科技的發展和對設備要求的提高，無論是硅膠使用周期還是使用壽命已遠遠不能滿足需求。研究硅膠搭配應用技術的實際運用效果，為在實際的干燥過程中硅膠的搭配應用技術提供依據。

1 硅膠介紹

隨著科研任務對干燥氣要求的不斷提高，以往單一硅膠的使用方案已經無法滿足如今科研發展的需求。通過與專業廠家的溝通，大部分用戶一般采用2種甚至是2種以上的硅膠混搭填裝方案，充分發揮硅膠性能，降低使用成本和提高使用效益。

目前干燥系統采用的硅膠吸附劑為FNG-Ⅰ型球形粗孔硅膠與FNG-Ⅰ型球形細孔硅膠混搭填裝，填裝比例G粗∶G細=1∶1。FNG-Ⅰ型硅膠為耐水硅膠，遇水不炸裂率≥95%(普通硅膠為75%)，粉塵大大降低，使用壽命長，但其吸濕性能要略差普通硅膠。通過使用情況來看，采用FNG-Ⅰ型硅膠混搭使用后，相比之前的普通硅膠，其使用周期和使用壽命均得到了很大的改善。

2 硅膠特性

硅膠是一種高活性可再生的固體吸附劑，是由硅酸溶液凝結而成的人造含水硅石，具有高微孔結構。因硅膠高微孔結構，有著巨大的比表面積，依靠吸附作用來除去潮濕氣體中的水分子，即通過固體表面的質點與氣體中的水分子發生相互吸引力而將其吸附在硅膠表面上，達到某種程度的干燥效果。根據硅膠孔徑的大小分為普通粗孔硅膠、普通細孔硅膠。為改善硅膠得耐水性能，對普通硅膠進一步加工，可制成非均質耐水硅膠。

普通粗孔硅膠，優點是吸水性好，吸水容量大、吸水速度快。在相對濕度較大、絕對含濕量較大的條件下，其吸附性能好，超過普通細孔硅膠。缺點是遇液態水，容易產生裂紋。

普通細孔硅膠，優點仍然是吸水性好，吸水容量大、吸水速度快。在相對濕度較小、絕對含濕量較小的條件下，其吸附性能比粗孔硅膠好。

耐水硅膠為白色或灰色多微孔球形顆粒，是以通用硅膠為原料經過進一步加工制成的非均質成形硅膠。除具有普通工業硅膠高微孔結構，還具有不溶于水和無機酸、機械強度高等特性。

3 實例計算

3.1 硅膠填充規格與方案

所用硅膠來自青島海洋化工有限公司，分為粗孔與細孔2種硅膠，均為FNG-Ⅰ型硅膠，外觀顏色為灰白色。粗孔硅膠在較高的相對濕度條件下，對水蒸氣有很強的吸附能力，而細孔硅膠則是在較低的相對濕度條件下，對水蒸氣有著很強的吸附能力。因此，2種硅膠搭配使用，能夠很好地發揮硅膠的吸附性能，并且節省使用成本。某組干燥器硅膠填充參數見表1，干燥器壓縮空氣空塔流速0.53 m/s，壓縮空氣量6.63 kg/s×2；工作壓力700 kPa；工作溫度298 K。壓縮空氣吸附干燥流程示意圖見圖1。

表1 填充規格kg

圖1 壓縮空氣吸附干燥流程示意圖

3.2 計算思路

（1）將2種硅膠看作為連續均勻介質，其物理參數不隨吸附量及溫度的變化而變化。

（2）將壓縮空氣分為干燥空氣與水蒸氣2部分，忽略各組分分壓力對計算的影響。

（3）全程壓力損失忽略。

（4）不考慮溫度梯度與濃度梯度。

3.3 硅膠使用時間

查表得298 K下，水蒸氣飽和蒸汽壓為Ps=3.169 kPa，則700 kPa和298 K下，壓縮空氣中飽和水蒸氣量為H，H=0.622 Ps（P-Ps）=2.83 g/kg(干空氣)。壓縮空氣攜帶的水蒸氣量G水，G水=G氣×H=135 kg/h。

細孔硅膠對水蒸氣的動吸附量按12%設計，粗孔硅膠對水蒸氣的動吸附量按28%設計，假設硅膠再生后吸附能力下降，備用系數設定為10%，則硅膠使用時間T=[（G粗孔×28%+G細孔× 12%）/G水]×90%≈15 h。

3.4 干燥器設計驗算

粗孔硅膠與細孔硅膠在不同的環境下對水蒸氣的吸附能力有一定的差別，在相對濕度較大、絕對含濕量較大的條件下，粗孔硅膠對水蒸氣的吸附能力要遠好于細孔硅膠，而細孔硅膠主要是在相對濕度較小、絕對含濕量較小的條件下，其吸附性能比粗孔硅膠好。因此，合理的選擇粗孔硅膠與細孔硅膠的比例就能充分發揮硅膠的作用。

通過查閱相關資料，粗孔硅膠在相對濕度＜20%時，其吸附量就會低于細孔硅膠，這里假設相對濕度20%作為分界點。那么細孔硅膠在相對濕度20%時，其吸附量約為7%。例如，硅膠設計使用時間設計為8.5 h，粗孔硅膠動吸附量取28%，細孔硅膠動吸附量按7%（相對濕度20%）,假設硅膠再生后吸附能力下降,備用系數設為10%。80%的水分由粗孔硅膠吸收，吸收量G80%水=G水×15×0.8=1620 kg；細孔硅膠需吸濕的水蒸氣量G20%水= G水×15×0.2=405 kg；粗孔硅膠理論需求量G粗硅膠=G80%水/（0.28× 0.9）=6427 kg；細孔硅膠理論需求量G細硅膠=G20%水/（0.07×0.9）= 6427 kg。通過計算，2臺硅膠罐需填充的粗孔硅膠與細孔硅膠總量為12 854 kg，總重量比例G粗∶G細=1∶1。

4 結論

在硅膠用作壓縮空氣干燥時，需依據當地氣候的絕對含濕量與相對濕度進行選擇。一般含濕量較大，相對濕度較高的情況下選擇粗孔硅膠，反之則選擇細孔硅膠。壓縮空氣在通過硅膠層時，其濕度與相對濕度均發生了變化，而相應的硅膠吸附量也會隨之降低，因此計算的值要偏大于實際值。實際的使用情況與理論計算也基本吻合，可以作為硅膠搭配在實際應用中設計計算的參考依據。

[1]壓縮空氣干燥與凈化設備[M].北京：機械工業出版社,2005.

[2]工程熱力學[M].北京：國防工業出版社,1981.

[3]中國航空材料手冊[M].北京：機械工業出版社,1988.

〔編輯 利文〕

TQ333.93

B

10.16621/j.cnki.issn.1001-0599.2017.02.31