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第2章吸附式压缩空气干燥机的基本结构及其原理参数
2.1吸附的基本概述
2.1.1吸附体系
吸附现象是发生在两相交界面上物质分子浓度自动迁移的自然现象。
研究表明,吸附现象不仅发生在气-固界面上,在液-气界面、固-液界面也同样会产生吸附作用,因此吸附作用是自然界中的普遍现象。
技术上将能发生明显吸附现象的体系叫做“吸附体系”,并将具有这一一定吸附能力的材料称为“吸附剂”,将被吸附的物质称为“吸附质”。
在压缩空气的吸附脱水流程中,常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛等,而均匀混合在压缩空气中的水蒸气就是吸附质。
在干燥器中硅胶等固体吸附剂与压缩空气中的水蒸气共同组成了一个吸附体系,压缩空气中的干空气在该吸附体系中担当了承载吸附质的作用,其本身并不参与吸附过程。
2.1.2表面张力
表面张力产生的原因
自然界存在着种类繁多的吸附剂,他们的共同特点是表面发育有数量极多、直径不等的微孔结构。
正是这些发达的微孔结构使吸附剂表面具有过剩的能量----称作“表面自由能”,表面自由能又称为“表面自由力场”或“表面引力场”。
物体表面层分子的受力性质与内部分子有所不同。
在图1-1中以x-y为液气分界面,A为液体内部的某一个分子,B为液体表面层上的某一个分子。
可以看出A分子受到周围分子的吸引,并且在各个方向上受力相同,因此合力为零。
而B分子则不然,他一方面受到液体内部分子的吸力,另一方面又受到交界面上液体外部气体分子的吸引。
由于气体密度比液体密度小的多,它对B分子的吸引力可忽略不计,因此可认为表面层分子只受到液体内部分子的吸引力,其合力的方向垂直液面而指向液体内部,从而使液体有尽量缩小表面积和降低位能的趋势。
这一趋势之所以不能一直发展下去,是因为液体表面存在一种对抗其表面积缩小的作用力,这个作用在物理上被称作“表面张力”。
由于表面张力的存在,使液体表面层分子比内部分子具有更多的能量,这部分多余的能量叫做“表面自由能”。
表面张力通常用符号σ的表示,单位是N·
m-1,且平面的表面张力处于平面上,曲面的表面张力处在作用力为切点的平面上。
2.2常用吸附剂及吸附原理:
2.2.1吸附条件及常用吸附剂
2.2.1.1吸附条件
虽然一切固体物质的表面对气体都具有一定的吸附作用,但作为深度脱水用的、性能良好的吸附剂应满足一下要求:
1、比表面积大,要求吸附颗粒内部要有发达的网格结构的微孔通道2、动态吸附量大,对减小吸附装置体量,节约生产成本,是有利的,3、吸附力小,一般讲来,吸附力小的吸附剂再生温度相应较低,且再生后被吸附的水蒸气残余量也较小,4、吸附热小,可降低吸附剂再生的能耗成本,5、与吸附物之间无破坏作用,即吸附剂与吸附质接触后,吸附剂本身不应出现强度降低,晶格破坏及颗粒解体等现象,6、吸附速度快,较易达到吸附的动态平衡,7、比热容小,热传导性好,可以加速吸附、脱附过程的进行,并降低再生能耗,8、耐压、耐磨使用中不产生碎屑粉末,与水接触后不破碎,不分解,9、颗粒形状以球形为好,要求有足够的气流通道,以降低气流阻力,10、能再生和多次使用。
此外工业上大规模应用的吸附剂必须来源充足、价格便宜等。
气体吸附过程是纯物理吸附过程,即所谓的“范德华吸附”,由于这种吸附通常只发生在固体表面1个到几个分子直径的厚度区域,单位面积固体表面所能吸附的气体量非常少,因此作为工业上使用的吸附剂,必须要有足够大的比表面积来弥补这一不足,表1-1附常用吸附剂的比表面积
2.2.1.2常用的吸附剂
1、活性氧化铝
活性氧化铝一般指人工合成的而言,它通常是将铝的水化物加热脱水而得,其活化物的性质和最初氢氧化物的结构与形态密切相关。
用于压缩空气吸附干燥的是γ形态的活性氧化铝,其活化温度低于600℃。
活性氧化铝对于水居于较强的亲和力,在一定的操作条件下,它的干燥效果可以达到露点-60℃一下,其再生温度比分子筛要低。
活性氧化铝具有很高的表面硬度和抗压强度,在静压力作用下不易破碎,在交变压力作用下不易磨损脱落。
由于它的吸附容量大,在高湿度气体的干燥流程中,其吸附—再生周期可以比其他吸附剂更长一些,避免了频繁切换的再生操作。
2、分子筛
分子筛是一大类具有均一微孔且能有选择性地吸附直径小于其孔径的吸附剂的泛称。
沸石分子筛是一种合成的沸石型硅铝酸盐的多水化合物晶体。
其热稳定性和化学稳定性比较高,而且还同时具有筛分性能、离子交换性能、选择单一性和吸附性能良好等特点。
从吸附性质上说,和其他吸附剂比较其特点是:
①分子筛表面微孔道直径一致,只能吸附直径比通道直径更小的气体分子,②分子筛孔道窄缝中,相对面的孔壁会产生力场叠加现象,使其吸附势有明显提高。
这一特点导致在吸附质浓度很低或者温度较高情况下,分子筛仍然具有相当大的吸附容量,③沸石分子筛属极性吸附剂,对极性分子,特别对水有很大的亲和力,还能选择吸附不饱和和有机化合物。
2.2.2吸附剂的解析原理
在达到吸附平衡后,从宏观上看吸附剂已经停止了吸附作用。
为了使吸附剂重新获得吸附的活性,必须将已经被吸附的吸附质分子从吸附剂表面的微孔中去除,这个过程叫做“解吸”(也称脱附),解吸是吸附的逆过程。
从图1-2(a)(b)所示的吸附曲线图上可以看出,在同一温度下,吸附质在吸附剂上的吸附量x随吸附质的分压力p上升而增加,在同一吸附质分压力下,吸附质在吸附剂上的吸附量x随吸附温度上升而减小。
也就是说,加压或者降温—有利于吸附过程的进行,降压或升温—有利于吸附过程的逆过程即解吸的进行。
于是,按照吸附剂的吸附量与温度成反比,与吸附质的分压力成正比的原理,可将吸附操作分为两类:
变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)。
图1-3所示为平衡吸附量与温度、压力的关系曲线。
图中A-B-C之间的变化过程:
由于状态点由A到B时,系统温度不变,压力升高,吸附量增大,即发生了变压吸附;
而由B到A时,系统温度不变,压力降低,吸附量减少,即减压解吸。
所以A、B状态点间的变化称为“变压吸附”过程。
同理由B到C时,温度升高后,压力不变,吸附量减小,即升温解吸;
而由C到B时,压力不变,温度降低,吸附量增大,即发生降温吸附。
所以B、C状态点间的变化过程又称为“变温吸附”过程。
大多数吸附剂都具有比热容较大而导热率极小的特点,因此升温或降温所需的时间较长,消耗热能也较多,这会给变温吸附的应用带来不少困难。
故目前在压缩空气除水干燥技术中,普遍使用的是变压吸附技术。
2.3吸附干燥机的结构参数及结构特征
2.3.1吸附式空气干燥器的储气塔应符合GB150-1998钢制压力容器标准。
2.3.2在吸附塔的管道连接中,接管应符合GB3087-1999低中压锅炉用无缝钢管(国家质量技术监督局发布)相关标准。
2.3.3在吸附塔的端口法兰连接中,法兰应符合HG20592-97钢制管法兰型式、参数的相关标准要求。
2.3.4吸附塔的制作过程中使用的封头应符合JB/T4746-2002钢制压力容器用封头的相关标准。
2.3.5在压力容器的制造及使用过程中应符合国家质量技术监督检验检疫总局颁发的《压力容器安全技术监察规程》的相关规定。
2.3.6吸附式干燥器概述
压缩空气吸附式干燥器通常分为加热再生和无热再生两种形式。
加热再生干燥器按变温吸附工作原理工作,即吸附剂在常温下吸附水分,在高温下对吸附剂所吸附的水分进行解吸并重返气相。
该工艺由外热源提供解吸所需要的热量,并利用鼓风机吸取环境空气作为热量的载体。
在加热再生工艺中,所吸附的水分全部重返气相并不意味着吸附剂再生已经完成,因为吸附剂在高温状态下是没有吸附水分能力的,所以必须用常温干燥空气对吸附剂进行冷却,直到温度降低至起始值时,才能完全恢复原有的吸附活性。
所以说加热再生干燥器的再生工序要分两步进行,即先加热解吸后冷却再生;
解吸只是吸附剂再生的一个步骤。
无热再生干燥器以变压吸附为基础,在混合组分中的水蒸气高分压时吸附剂吸附水分,而在低分压环境中,吸附剂中所吸附水分完成解吸并重返气相,吸附剂因此而获得活性再生。
无热再生干燥器所用的低分压空气取自本机输出的一部分成品气,再生气与成品气同源给无热再生吸附干燥器带来很大的便利,使其结构变得十分简单,操作过程也很方便。
在无热再生工艺中,解吸气不仅是再生所必需的能源,而且还兼做水蒸气排出的载体。
由于变压吸附在一般情况下均视作等温过程,所以无热再生干燥器不需要另设冷却工序,吸附剂的解吸与再生在无热再生中是同步完成的。
。
2.4吸附干燥器工作流程
2.4.1无热式再生干燥器工作流程
图1-4所示为目前用的比较广泛的四阀结构无热再生吸附干燥器的工作原理图。
开机后,A塔随机做吸附运行,B塔则做再生运行。
在预先设定的时序控制下,进气截止阀F1开启,高水分含量的压缩空气进入A塔,在向上的流动中,混合组分中的水蒸气被A塔中有吸附活性的吸附剂所吸附,失去水分的干燥压缩空气在本身压力作用下,推开设置在顶端的单向阀a,通过排气管道进入用气管网。
在进气阀F1开启后的几秒钟,B塔底部的截止阀F2开启,为携带大量水分的再生尾气打开排出通道。
来自A塔的一部分干燥空气由节流阀c及与之并联的微调阀c’从上部进入B塔做自上而下的逆向流动,在上一个周期中已被B塔吸附剂所吸附的水分在低水分压下得以解吸,解吸出来的水蒸气以再生气为载体,通过已开启的截止阀F2和消声器E排出,B塔内的吸附剂由于脱水而获得再生。
在F1关闭前,F2要先行关闭,使B塔有足够的时间进行增压,在双塔压力达到平衡后,F1关闭,而F3,F4相继开启,干燥器进入B塔吸附,A塔再生的下半个周期。
上述工作时间及时序分配均由程序控制器预先设定,使用时可按实际工况对工序进行时间调整。
无热再生干燥器的半周期一般设定为2~5min,均压时间一般为20~30s。
2.4.2加热式再生干燥器工作流程。
加热再生干燥器的工作原理虽然与无热再生不同,但在流程上两者之间并无重大差别。
加热再生所需要的热量由外设热源提供,另外需要一套供风设备将热量送到吸附床。
在大多数情况下,热量由电热器提供,解吸风量由鼓风机提供----常采用风压较高的罗茨风机。
加热再生干燥器的程序控制器不仅要对各个阀门的动作次序进行有序切换,而且对加热温度也要控制,温度太低,不能使吸附剂解吸脱附,温度太高,吸附剂容易劣化变质。
另外还必须设置冷却程序—冷却用的空气由干燥器本身提供是最方便的,这一点在流程控制过程中显得非常重要。
冷却气量和冷却持续时间会直接影响干燥器的再生能耗和成品气的露点指标,这与无热再生工艺形成明显差异。
2.4.3再生过程分析
2.4.3.1无热再生过程分析
设吸附干燥器的循环周期为T,可将其分为吸附操作时间T’和再生时间T’’两个半周期,如果不考虑双塔均压时间,则显然有T=T’+T’’;
为了实现连续供气,应当有T’≥T’’。
在无热再生干燥器中,解吸出来的水分在重返气相过程中连续被干燥的再生气体带出,解吸完毕,吸附剂即同步获得再生,因此再生过程是一步到位的。
在实际过程中再生时间T’’由消耗再生气体的解吸时间tz和不消耗再生气体的均压时间tj两部分组成。
即T’’=tz+tj,tz≤T’’。
这样在保持T’’不变前提下,调节均压时间tj,就可改变解吸时间tz,而tz的长短直接关系到再生气量的多少,利用这一点我们就可以在干燥器湿负荷变化时调节tz改变在生气供给量,从而达到节约再生能耗的目的。
2.4.3.2加热再生过程分析
加热再生干燥器的再生时间T’’除了上述tz、tj外还要加上吸附剂的冷却时间T’’=tz+tj+tl,即加热再生过程分为两段进行,前半段是加热解吸过程,外界提供的高温再生气体使水分重返气相并随相对湿度很小的高温气体流出,从而完成解吸任务;
后半段是吸附剂的冷却过程,由于高温下吸附剂不具备吸附活性,必须将其冷却至常温才能最后完成再生。
在冷却阶段,为了避免二次吸附,不能使用常温下湿度较高的环境供气,最经济、方便的办法就是利用本机输出的干燥空气对吸附剂“吹冷”,这就要消耗一部分成品气。
吸附剂的物理性质(热容量大,导热系数小)决定了无论加温还是冷却都需要较长的时间,所以加热再生干燥器的再生操作时间T’’要远远大于无热再生。
这迫使加热再生干燥器的吸附操作时间T’也要相应延长,一个循环周期可长达几个小时甚至十几个小时。
2.4.4结构特征及结构参数
2.4.4.1结构特征
压缩空气吸附干燥器无论采取哪种再生方式,在结构上的共同特征就是都采用双塔结构。
外型的对称布置固然在工业美学上容易被使用者接受,而根本原因还是这种形式能实现连续供气的实际需要,而且在生产、运输、安装及日常维护上都有独到的方便之处。
进一步研究可以发现,吸附干燥器A、B双塔之间的内在联系并不像外在布置那样紧密联系互不可分,在工作流程上他们表现如下特点:
(1)独立性—双塔在流程上既不是上下游关系,也不存在主从关系,实际上他们是两个相互独立并相互替代的并立个体。
(2)对称性—表现在A、B双塔在程序控制器的统一指挥下,在相同时间里按预先规定的相同程序完成各自的任务;
(3)相对依赖性—A、B双塔互相供给再生气仅在于取之方便而已,并非是工艺之必须,例如加热再生干燥器的解吸用气就来自环境空气。
实际上双塔结构并不是吸附装置的本质特性,在某些情况下,若采用单塔或多塔结构干燥器同样能够完成连续供气任务,甚至能取得更好的结果。
2.4.4.2结构参数
吸附式干燥器的基本功能是最大限度地除去湿空气中水分以获得深度干燥的压缩空气。
在吸附干燥器结构设计时,将进气状态(压力p1、温度t1或近期压力露点td1、空压机吸气环境相对湿度∮)及排气压力露点td作为原始参数。
一般情况下原始参数的基准值可取为:
(1)进气温度:
t1=38℃;
(2)进气压力:
p1=0.7MPa(表压);
(3)进气相对湿度:
∮=100%
(4)排气压力露点:
td=-40℃(常压);
基准参数确定后,结构设计的主要内容是确定干燥塔集合尺寸和核算吸附剂填充量。
(1)干燥塔几何尺寸
干燥塔无疑是吸附干燥器最重要的结构部件,其几何尺寸由下列因素确定:
空气处理量、空塔流速、吸附剂动吸附量、气固两相接触时间及再生方法。
上述因素既相对独立而相互之间又有所牵制。
1空塔流速C0及塔体几何尺寸
空塔流速是一切化工塔设备的重要工作参数。
在流通量一定条件下空塔流速直接决定了塔体直径;
在一定的填充物质及充填量确定的条件下,C0又决定了流体在塔内的实际流动速度、流体与充填物之间的接触时间及流通阻力。
在压缩空气干燥器中,根据进气状态基准值及成品气露点,空塔流速可做如下选择:
活性氧化铝:
0.1~0.3m/s;
沸石分子筛:
0.05~0.2m/s
无热再生时,C0取高值,加热再生时,取低值。
空塔流速确定后,干燥塔直径按下公式计算:
式中C0----空塔流速,m/s;
Qv----通过干燥器的压缩空气在压力下的有压流量,m3/s
有压流量与额定状态下自由流量之间的换算可按状态方程计算,在吸附干燥器计算时,由于温度差异不大,状态方程式中温度项目可以忽略不计。
因此
q‘v=qv(p0/60p1)(m3/s)
式中p0----进气状态下空气的绝对压力,一般取p0=0.1MPa
P1----干燥器的进气绝对压力,即干燥器的额定工作压力,MPa。
空塔流速选定后,塔体高度H决定了压缩空气与吸附床的接触时间,两次接触时间越长,成品气露点质量越好,对压缩空气干燥器而言,接触时间至少要大于4s
H=(4~5)C0(m)
也可按吸附塔直径的2.5~4倍选取塔高,即
H=(2.5~4)D(m)
塔体名义体积:
②动吸附量α的选取。
动吸附量的定义:
动吸附量是指当两元或两元以上的混合气体通过吸附床后,被吸附气体在吸附床出口端达到脱除精度时,吸附床中吸附剂所吸附的气体的重量百分比。
显然,干燥器的动吸附量是指排气口空气达到规定露点时,塔内吸附剂所吸附的水分重量与吸附剂充填量的比值,即:
式中α----动吸附量,%
Gs----排气露点达到规定值时,吸附床所吸附水分的重量,kg;
Gx----吸附剂单塔充填量,kg
动吸附量α的选取,既关系到干燥器的制作成本和运行费用,也关系到排气露点的质量。
α大,固然可节省吸附剂充填量,但会引起成品气露点上升而难以达到使用要求,同时会增加吸附剂的再生能耗并使吸附剂提前劣化,α小,不仅要增加吸附剂充填量,而且使塔几何尺寸变得十分庞大。
每一种吸附剂的动吸附量厂家在使用说明书上均标有推荐值。
对压缩空气干燥而言,在通常工况条件下α应按下列文献推荐值选取:
硅胶:
5%~8%;
4%~6%;
8%~15%
核算吸附剂充填量
按吸附剂充填量公式,Gx可用下式计算:
式中Gs为单位吸附时间(min)里,吸附床吸附的水量(kg)
式中q’v----单位时间通过干燥器的有压流量,m3/min
р----被处理空气在压力p1,温度t1时的密度,kg/m3
如果吸附持续时间为T’(min),则(单塔)吸附剂充填量为:
式中Φ----充填余量,取Φ=1.2~1.3
2.4.4.2管系结构
吸附干燥器的进出气管路分两部分,即下管系与上管系。
(1)普通吸附式干燥器下管系包括压缩空气进气阀,再生气排出阀,按照使用阀的数量,下管系和以是四阀结构,也可以是三阀结构。
图1-4所示为典型的四阀结构下管系。
F1、F3分别是A、B两塔的进气阀,F4、F2分别是A、B两塔的再生气排气阀。
若将图1-4中的F1、F3用一只双向阀来代替,则成了三阀结构干燥器。
图1-5则示出了一个两阀结构干燥器的流程,其中进气阀、再生气排出阀分别用一只两位五通阀和两位三通阀来担任,它的工作原理和四阀结构干燥器是完全相同的。
下管系中的消声器是改善环境噪声的重要部件,而且容易堵塞,一旦堵塞会造成再生塔内压力降不下来,再生尾气也排不出去,这会严重干扰干燥器的正常吸附循环。
(2)吸附干燥器上管系包括压缩空气成品气排出阀和再生通道阀两种,一般都用单向阀担任。
成品气排出阀通过的是清洁干燥的压缩空气,不易损坏。
上管系中最值得注意的是用来调节再生气压力的节流阀。
在无热再生干燥器中,再生气体是干燥器成品气的一部分,通过调节节流阀的开度何以获得所需的再生压力,再生压力一旦稳定,再生气量也就获得稳定。
节流阀最大开度时的通气面积(或截流孔径)取决于干燥器再生气量的多少,由计算得到。
需要指出的是,由于干燥器处理量的不稳定,用固定通径的节流孔来输送再生气量,未必都是准确的。
实际上经常用一只可双向调节的针阀来代替节流孔,调节针阀开度使再生气压保持在大气压附近(只要能克服吸附床阻力即可),便可保证无热再生干燥器的再生气量处于最经济状态。
有时为了提高调节精度,常在主节流阀旁边并接一只小通量针阀做再生气压力的微调。
对加热再生干燥器而言,节流阀显得不是那么重要,即使在吸附冷却阶段,工艺更重视的是吹冷气的质量流量。
所以加热再生干燥器可以不设专门的节流阀。
结论
随着气动技术在工业自动化领域中的广泛应用,气动系统和各类气动元件对气源质量的要求日益提高。
自20世纪80年代中、后叶开始,作为工业气源主导形式的压缩空气净化技术已引起业内外认识的广泛关注,压缩空气净化设备也从原先依附于空气压缩机的辅助设备,在较短时间里发展成了一个门类齐全、产品特色鲜明的独立产业。
借助于市场经济的灵活、快速的发展大环境和部分产品准入门槛较低的特点,目前我国已经结束了压缩空气净化设备大规模进口的局面,使得这个集气体力学、工程热力学、工业干燥、化工分离、制冷技术及工业控制等多学科综合交叉的技术,为我们所掌握,也必将为我们发展的未来作出贡献。
参考文献
[1]《压缩空气净化原理及设备》李申主编(浙江大学出版社)
[2]《AUTOCAD2005压力容器设计》栾春远主编
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- 浅析 吸附 压缩空气 干燥器 原理 应用