新型單元化吸附式干燥機的研究

吳云滔，趙軍，胡壽根

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

新型單元化吸附式干燥機的研究

吳云滔*，趙軍，胡壽根

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

為了降低無熱再生吸附式干燥機再生耗氣量以便有效降低空壓機的系統能耗，提高壓縮空氣有效使用率，采用新型單元化吸附式干燥機，利用化整為零的思想，將無熱再生吸附式干燥機吸附劑層分散成多個吸附單元，每個吸附單元相當于一個小型吸附塔，若干個小型吸附塔同時進行吸附和再生。結果表明：分散的吸附單元結構能夠維持穩定的壓縮空氣壓力露點，成倍地增加吸附劑和壓縮空氣的接觸面積，同時再生耗氣量將大大減少，壓縮空氣的有效使用率得以提高。

氣源系統；無熱再生吸附式干燥機；露點；能耗；吸附單元

0 引言

隨著壓縮空氣在工業領域的廣泛應用，用于去除壓縮空氣中水蒸氣的干燥設備也得到了相應的應用和發展。通常用于干燥壓縮空氣的設備按工作原理可分為冷凍式和吸附式兩類。冷凍式干燥機運行費用較低，但由于其工作原理和結構所限，出口壓力露點一般不低于2 ℃，一般在2 ℃～10 ℃[1-2]，這直接限制了冷凍式干燥機的使用范圍。目前工業領域使用較多的無熱再生吸附式干燥機出口壓力露點可達-40 ℃，但存在再生氣流量大、干燥效率低、吸附劑易破損等缺點[3]。筆者在分析無熱再生吸附式干燥機的基礎上提出了一種新型單元吸附式干燥機，主要特征在于采用化整為零的吸附單元。該結構單元能夠維持穩定的壓縮空氣露點，而且這種結構成倍地增加了吸附劑和壓縮空氣接觸的表面積，需要填充的吸附劑量會成倍減少，而處理效果卻大大增加，再生耗氣量大大減少。

1 氣源系統及空氣露點

在壓縮空氣系統中，由產生、儲存和處理壓縮空氣的設備所組成的系統，稱為氣源系統[4]，氣源系統圖如圖1所示。壓縮空氣主要通過空壓機將空氣壓縮后取得，在氣源系統中從空氣壓縮機直接排出的壓縮空氣中包含許多雜質，主要包括水、油及顆粒雜質等，如果不對其進行處理而直接使用，空氣中的雜質會對系統中的元件造成很大的危害[5]。處理壓縮空氣的凈化處理設備主要由后部冷卻器、精密過濾器、干燥機、自動排水、排污閥等根據不同的工藝要求組成一個完整的系統[6]，表1為部分氣源系統部件對應的冷凝水分布。

工業生產中，壓縮空氣的干燥程度通常用露點溫度來表示，露點是指空氣中所含的水汽達到飽和而凝結成液態水時所需要降至的溫度[7]。溫度20℃、相對濕度為65%時的空氣狀態為空氣的標準狀態，空壓機排氣量、干燥機、過濾器等后處理設備的處理量都是以空氣標準狀態下的流量來標注。

按《一般用壓縮空氣質量等級》（GB/T 13277-91）規定，空氣中水蒸氣含量以壓力露點表示，壓力露點共分6個等級，其中1～3級壓力露點分別為-70 ℃、-40 ℃和-20 ℃，必須使用吸附式干燥器才能達到[8]。

圖1 氣源系統圖

表1 冷凝水分布

2 無熱再生吸附式干燥機

2.1 無熱再生吸附式干燥機工作原理

無熱再生吸附式干燥機是通過變壓吸附原理來達到干燥目的[9-10]。由于氣體容納水蒸汽的能力與壓力成反比，其干燥后的一部分氣體減壓膨脹至大氣壓，這種壓力變化使膨脹氣體變得更加干燥，然后使它流過需要再生的干燥劑層，干燥的再生空氣吸收干燥劑里的水分，將其帶出干燥器來達到除濕的目的。通過雙塔結構，吸附和再生交替循環工作，以固定的切換時間進行雙塔切換，無需熱源，連續向用戶用氣系統提供干燥的壓縮空氣[11]。

無熱再生吸附式干燥機工作原理圖如圖2所示，壓縮空氣進入干燥機前，先經過過濾器去除從空壓機中帶出的油滴和粉塵。在圖 2中，含有水蒸氣的壓縮空氣從進口1通過氣動切斷閥2進入右邊填充有干燥劑的塔4，由于干燥劑的吸附作用，壓縮空氣中的水蒸氣被吸附在干燥劑的表面，被干燥的壓縮空氣大部分通過單向閥7從干燥機出口8流向下游，小部分壓縮空氣通過調節閥10后，降壓至接近大氣壓從上部進入塔12，經過降壓的空氣變得十分干燥，用于吹掃塔12中吸附了大量水蒸氣的干燥劑，從而使干燥劑獲得再生，然后經氣動切斷閥13和消音器11排放到大氣中。在此期間，右塔4為吸附過程，左塔12為再生過程；經過270 s后，氣動切斷閥13關閉，左塔12內的壓力開始上升，此期間為均壓過程，再過30 s后，切斷閥2關閉，同時切斷閥14打開，再經過10 s后，切斷閥3打開，此時左塔12進入吸附階段，右塔 4進入再生階段。如此循環，每個循環的時間為600 s，塔底部的4個氣動切斷閥的開關動作通過可編程控制器來實現[3,12]。

圖2 無熱再生吸附式干燥機工作原理圖

2.2 無熱再生吸附式干燥機再生能耗分析

完全再生時，無熱再生吸附式干燥機最低再生耗氣量vmin可通過下式求得[13]：

式中：

V——單位時間內流入干燥器的壓縮空氣流量，Nm3/min；

d0——進氣狀態下壓縮空氣的絕對含水量，g/m3；

d——再生氣排氣狀態下的絕對含水量，g/m3；

T——工作半周期，min。

在標準進氣狀態（溫度 T =38 ℃、表壓 p =0.7 MPa、相對濕度 =100%）下，壓縮空氣的絕對含水量 d0=6.80 g/m3，經吸附干燥機處理后壓縮空氣的大氣壓露點達到-50 ℃（相當于0.7 MPa下壓力露點為-30 ℃，露點溫度和該溫度對應的絕對濕度關系見圖 3[14]）。經過干燥后的壓縮空氣含水量約為0.03 g/m3，可忽略不計，則每處理1 m3/min壓縮空氣，吸附劑大約吸附了6.8 g水蒸氣。再生氣離塔時狀態：壓力為1 atm，溫度保持不變，再生排氣達到飽和時的絕對含水量是d =46.1 g/m3；顯然，要全部吸納6.8 g水，需要的再生氣量為6.8/46.1 = 0.148 m3，即再生氣量要占到被處理氣量的 14.8%，對于40 m3/min，額定功率一般為250 kW的壓縮機來說，14.8%的再生空氣消耗意味著37 kW的電能消耗。這個數字并不小，不可忽略不計，也就是說這部分的壓縮空氣是消耗掉的，不能再供給用氣端。

圖3 露點溫度與絕對濕度關系圖

通過分析可知，若要獲取低露點的干燥壓縮空氣，就必定要消耗更多的能耗，長期使用無熱再生吸附式干燥機是很不經濟的，因為過多的再生能耗將增加用電成本。因此對無熱再生吸附式干燥機實施有效的節能改造，降低干燥機再生用氣量，從而減少再生能耗量，促進干燥機高效率運行成為當前研究人員研究的熱點。

3 新型單元化吸附式干燥機

3.1 新型單元化吸附式干燥機工作原理

新型單元化吸附式干燥機的核心思想在于采用化整為零的分散式吸附單元。主要特點為：將無熱再生吸附式干燥機的整體吸附劑層化整為零，分散成多個吸附單元，每個吸附單元由管道腔體組成，對管道腔體進行吸附劑填充，由于采用化整為零的吸附單元，相當于將無熱再生吸附式干燥機的再生塔單元化，也就是相當于若干個小型再生塔同時進行再生。主要優點在于：采用這樣的結構能夠維持穩定的壓縮空氣露點，而且這種吸附單元可以大大地增加吸附劑和壓縮空氣接觸的表面積，需要填充的吸附劑將會成倍減少，處理效果卻成倍增加，再生耗氣量大大減少。

3.2 設計思路

結構：將傳統無熱再生吸附式干燥機的雙塔循環結構做些改變，采用多管道分流吸附，實行化整為零的設計思想。同時將進氣口徑設置成與管道一樣大，這樣可有效地消除吸附與再生時存在的死角，增加吸附劑的接觸面積。

吸附劑：活性氧化鋁和分子篩都是吸附式干燥機常用的吸附劑。這兩種吸附劑對水蒸汽都具有很強的吸附能力。活性氧化鋁還綜合具備了許多優良的化學及物理性質，但是該吸附劑在低水分環境下的吸附能力遠不如分子篩，所以為了獲取極干燥的壓縮空氣，分子篩才是更好的選擇，但分子篩的機械強度及抗水滴性能很不理想，綜合兩種吸附劑的特征，新型單元化吸附式干燥機采用分子篩與氧化鋁的混合物[15]。

填充方法：讓吸附劑顆粒以10 m/s的速度均勻進入塔內，使填充密度達到680 g/L左右，并采用多級分流布氣裝置和自動壓緊裝置，彌補傳統氣缸壓緊造成的吸附劑填充不緊密、存在較大的間隙、吸附劑粉化等現象。

新型單元化吸附式干燥機結構圖如圖4所示。

圖4 新型單元化吸附式干燥機結構圖

A單元吸附，潮濕的空氣從進口輸入，經過干燥劑層，得到干燥的空氣，從出氣口輸出。

B單元再生，一小部分干燥的空氣從上而下，對已經吸附水分的干燥劑層進行吹掃脫附，氣流將水分從消音器處排出。

再生泄放：由于變壓解吸的時候水分泄放出來最多的就是由高壓變為低壓的那一瞬間，新型單元化吸附式干燥機采用多次瞬間釋放。一次吸附的時間為360 s，多次解吸的時間共是135 s。傳統的無熱再生吸附式干燥機的雙塔結構吸附時間與解析時間相同，也就是說新型單元化吸附式干燥機的泄放時間只有雙塔的2/5；雙塔的耗氣量在15%左右，所以新型單元化吸附式干燥機的再生耗氣量在6%左右。由此可知長期使用新型單元化吸附式干燥機，對于無熱再生吸附式干燥機來說，可以節省大量的耗氣量，對于降低吸附式干燥機能耗成本，促進吸附式干燥機高效運行具有重要的實際意義。

新型單元化吸附式干燥機與無熱再生吸附式干燥機能耗對比如表2。

綜上可知，新型單元化吸附式干燥機每年能節約的能耗折算為經濟效益高達24,190元。

表2 能耗對比（空壓機的功耗為：37 kW）

4 結論

新型單元化吸附式干燥機采用化整為零的思想，將無熱再生吸附式干燥機的吸附劑層分散成若干個吸附單元，通過分析研究可得出以下結論：

1）由于再生耗氣量小，壓縮空氣的有效使用率高，使得壓縮空氣的使用成本降低，這是一筆客觀的運行成本費用；

2）新型單元化吸附式干燥機使用多管道單元化結構，減緩了氣體的流速，提高了吸附劑與壓縮空氣的接觸時間和面積，大大提高了吸附劑的利用率；使吸附劑充分吸收壓縮空氣中的水分，壓力露點穩定性更好；

3）無熱再生吸附式干燥機的壓損與壓降均較為明顯，新型單元化吸附式干燥機采用了上下均有緩沖室的結構，壓降少，壓力損失也較低。

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Research on the New Unit Adsorption Dryer

WU Yuntao*, ZHAO Jun, HU Shougen
(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In order to decrease the regeneration gas consumption of the heatless regenerative adsorption dryer, to effectively reduce the energy consumption of air compressor system, and to improve the effective utilization of compressed air, the new unit adsorption dryer which dispersed the adsorbent layer of the heatless regenerative adsorption dryer into a multiple of adsorption unit is used, and each of adsorption unit is equivalent to a small adsorption tower. So all the small adsorption towers simultaneously adsorb and regenerate. Results illustrate that,the decentralized adsorption unit structure can maintain the stability of the compressed air dew point, and can greatly increase the contact area of adsorbent and compressed air, at the same time, the regeneration gas consumption will be greatly reduced, then the effective utilization of compressed air can be improved.

Air supply system; Heatless regenerative adsorption dryer; Dew point; Energy consumption; Adsorption unit

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.206

*吳云滔（1991-），男，碩士研究生。研究方向：制冷及流體機械。聯系地址：上海市軍工路516號上海理工大學，郵編：200093。聯系電話：13162358905。E-mail：420946594@qq.com。