【壓縮機(jī)網(wǎng)】近十多年來，隨著離心式和無油干式螺桿空壓機(jī)的日益廣泛應(yīng)用，壓縮熱吸干機(jī)也成為市場熱點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球半數(shù)以上的離心式空壓機(jī)安裝使用地點(diǎn)在中國。因此，中國已成為壓縮熱干燥機(jī)需求量最多的市場，也是干燥機(jī)制造商最集中的地方。

 

　　壓縮熱干燥機(jī)以“節(jié)能”著稱，關(guān)于它的露點(diǎn)性能，眾說紛紜，還未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。本文系統(tǒng)的采用平衡吸附曲線來探討壓縮熱干燥機(jī)所能達(dá)到的露點(diǎn)性能，同時(shí)把平衡吸附曲線的使用方法推薦給相關(guān)從業(yè)人員。

　　1.壓縮熱的吸附劑

　　吸附劑是干燥機(jī)的核心。吸附式干燥機(jī)常用吸附劑有活性氧化鋁、4A分子篩和硅鋁膠（包括高性能硅鋁膠和防水硅鋁膠）。在壓縮熱干燥機(jī)上，國內(nèi)使用活性氧化鋁較多，對防水硅鋁膠認(rèn)識(shí)不足，只有少數(shù)廠家在使用；國外壓縮熱干燥機(jī)已普遍使用防水硅鋁膠。

　　活性氧化鋁較便宜，市場上容易購買。而防水硅鋁膠價(jià)格昂貴，生產(chǎn)廠家較少，但其性能更優(yōu)異，再生溫度更低，動(dòng)吸附量更大，是今后的發(fā)展趨勢。

　　壓縮熱干燥機(jī)采用了從無油壓縮機(jī)排出的中高溫的壓縮空氣來再生吸附劑。再生氣含濕量非常高，壓力露點(diǎn)常常可以達(dá)到60-70度，當(dāng)進(jìn)入吸附塔與處于冷態(tài)的吸附劑接觸時(shí)極有可能發(fā)生水蒸氣冷凝，產(chǎn)生液態(tài)水滴。因此，在選擇吸附劑時(shí)應(yīng)采用具有抗液態(tài)水滴功能的活性氧化鋁或者防水硅鋁膠，規(guī)避由于氣態(tài)水冷凝造成吸附劑床層失效的風(fēng)險(xiǎn)，特別不建議壓縮熱中采用遇液態(tài)水滴會(huì)失效的分子篩。

　　國內(nèi)市場上絕大部分壓縮熱都是采用的活性氧化鋁作為吸附劑，因此本文主要以活性氧化鋁為例進(jìn)行闡述。

 

　　2.平衡吸附曲線及使用方法

　　2.1 什么是平衡吸附曲線

　　有熱吸附式干燥機(jī)設(shè)計(jì)過程中常常會(huì)使用到吸附劑的三個(gè)重要的曲線：等溫吸附曲線、穿透曲線和平衡吸附曲線。其中平衡吸附曲線（equilibrium relation）也稱為等量吸附曲線（isostere），是最為重要的一條曲線，尤其是對壓縮熱干燥機(jī)而言。

　　平衡吸附線把不同溫度和濕度條件下吸附量相同的點(diǎn)連接起來形成的曲線。每種不同的吸附劑都有自己獨(dú)有的平衡吸附曲線，圖1是一種典型活性氧化鋁的平衡吸附曲線。

 

 

　　圖1中橫坐標(biāo)是吸附劑的工作溫度，可以是吸附溫度也可以是再生溫度。縱坐標(biāo)是空氣的含濕量，采用壓力露點(diǎn)來表示（用露點(diǎn)最大好處是平衡吸附線是一條直線，使用起來非常方便）。

　　平衡吸附線的物理意義是吸附劑的狀態(tài)點(diǎn)移動(dòng)到直線上方時(shí)發(fā)生吸附，移動(dòng)到下方時(shí)發(fā)生脫附，沿直線移動(dòng)時(shí)既不發(fā)生吸附也不發(fā)生脫附。

　　平衡吸附曲線建立了吸附溫度（吸附溫度與壓縮空氣進(jìn)氣溫度、壓力和相對濕度直接相關(guān)）、成品氣露點(diǎn)、再生氣露點(diǎn)和再生氣溫度等多個(gè)變量之間的關(guān)系，可以幫助我們更深刻的理解吸干機(jī)是如何工作的。

　　2.2 用平衡吸附曲線預(yù)測壓力露點(diǎn)的方法

　　理解了平衡吸附曲線的意義，在已知再生條件下，我們就可以利用它來預(yù)測干燥機(jī)的露點(diǎn)性能，這種方法對于壓縮熱干燥機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行是特別有用的。

　　在已知進(jìn)氣壓力、溫度和無油空壓機(jī)相關(guān)參數(shù)的條件下，可以通過五步來預(yù)測成品氣壓力露點(diǎn)。

 

　　第一步，確定再生溫度。根據(jù)進(jìn)入吸附塔的再生溫度值并在橫坐標(biāo)上找到該點(diǎn)，通過該點(diǎn)向上劃一條垂直線（按圖2中步驟1）；

　　第二步，確定再生氣的露點(diǎn)。這是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，可通過無油壓縮機(jī)廠家獲得，也可自行進(jìn)行計(jì)算（按3.1節(jié)計(jì)算）。確定再生氣露點(diǎn)后，通過縱坐標(biāo)上的該點(diǎn)劃一條水平線并于上一步的直線相交于一點(diǎn)（按圖2中步驟2）；

　　第三步，劃平衡吸附線。沿上一步的交點(diǎn)劃一條與圖中最近的平衡吸附線的平行線（按圖2中步驟3），產(chǎn)生一條設(shè)計(jì)工況的平衡吸附線；

　　第四步，確定吸附溫度。吸附劑吸附水分時(shí)放熱，提升了床層吸附溫度，這個(gè)溫度可以通過進(jìn)入吸附塔的壓縮空氣的溫度、壓力和相對濕度計(jì)算得到。詳細(xì)計(jì)算方法在第4節(jié)中介紹。確定吸附溫度后，在橫坐標(biāo)上找到對應(yīng)的吸附溫度點(diǎn)，向上劃一條垂直線與上一步的平衡吸附線相交（按圖2中步驟4）；

　　第五步，確定成品氣露點(diǎn)。沿上一步的交點(diǎn)，向左劃一條水平線，與縱坐標(biāo)相交（按圖2中步驟5），交點(diǎn)即為成品氣露點(diǎn)值。

　　除了預(yù)測露點(diǎn)外，我們也可以在已知露點(diǎn)要求的情況下，采用平衡吸附線來確定再生溫度。總之，只要知道三個(gè)變量就可以確定第四個(gè)變量，這個(gè)的意義在于可以定量的了解各個(gè)參數(shù)間的影響關(guān)系，更好的設(shè)計(jì)或者運(yùn)行、維護(hù)干燥機(jī)。

 

　　3.無油壓縮機(jī)排氣狀態(tài)參數(shù)計(jì)算方法

　　與壓縮熱吸干機(jī)配合使用的無油空壓機(jī)主要是離心式和干式無油螺桿。其中離心式空壓機(jī)多以三級(jí)壓縮為主，而干式螺桿主要是二級(jí)壓縮。在不相同的環(huán)境條件和冷卻水條件下，它們的排氣溫度和排氣露點(diǎn)是不同的。

　　3.1 環(huán)境因素對排氣露點(diǎn)的影響

　　為便于分析，對離心壓縮機(jī)和無油二級(jí)干式螺桿壓縮機(jī)做如下假設(shè)：第一，各級(jí)壓縮比相同；第二，各級(jí)間冷卻器出口壓縮空氣溫度比冷卻水溫度高10度，且氣水分離器的效率為100%。當(dāng)然，從壓縮機(jī)制造商處獲得的參數(shù)更為準(zhǔn)確，更有利于本文的分析。

　　基于以上假設(shè)，我們采用Vaisala Humidity Calculator（可以在維薩拉網(wǎng)站上下載）計(jì)算了冷卻水溫度為32度，排氣壓力為7barg，在不同環(huán)境條件下的空壓機(jī)出口壓力露點(diǎn)。

 

　　從圖3和圖4中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度（假設(shè)為空壓機(jī)的吸氣口溫度）在35度以上及相對濕度60%以上時(shí)，環(huán)境因素對壓縮機(jī)排氣的露點(diǎn)基本上沒有影響。從空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，只要環(huán)境濕度高到一定程度，排氣露點(diǎn)基本上只跟冷卻水溫的關(guān)系最大。

　　實(shí)際工況的空壓機(jī)排氣露點(diǎn)計(jì)算，需要知道空壓機(jī)的末級(jí)進(jìn)氣溫度、末級(jí)吸氣和排氣壓力即可。

　　3.2 排氣溫度的計(jì)算

　　無論是離心壓縮機(jī)還是無油干式螺桿壓縮機(jī)，每一級(jí)壓縮均可看作絕熱壓縮過程。因此排氣溫度Td可用以下公式計(jì)算：

　　Td=(p2/p1)(k-1)/k·Tin

　　其中Tin為末級(jí)吸氣溫度，p2/p1為壓縮比，k為絕熱指數(shù)，對于空氣其值為1.4。

 

　　4.吸附溫度的計(jì)算

　　當(dāng)含濕空氣進(jìn)入吸附塔接觸吸附劑后，空氣中的水蒸氣逐漸被吸附。吸附是放熱的，放出的熱量被吸附劑和壓縮空氣吸收，因此吸附劑和空氣的溫度都被提高了，吸附溫度就是吸附劑和空氣的溫度。很顯然，吸附溫度比進(jìn)氣溫度高。

　　如果把吸附塔作為一個(gè)絕熱系統(tǒng)，計(jì)算吸附溫度就變得比較容易。下圖是以活性氧化鋁為例（宏觀吸附熱700kcal/kgH2O），在進(jìn)氣溫度38度@7barg及濕度100%的條件下，理論計(jì)算了干燥機(jī)出口溫度隨時(shí)間的變化曲線。從曲線來看，二十多分鐘后床層溫度就進(jìn)入恒定狀態(tài)。由于有熱再生周期較長，這個(gè)穩(wěn)定后的溫度即可視為吸附溫度。

 

 

　　吸附溫度與進(jìn)氣溫度、壓力和相對濕度有關(guān)。一般而言，單位質(zhì)量空氣中水分含量越多，吸附溫度越高。也就是說，進(jìn)氣溫度越高，吸附溫度越高；進(jìn)氣壓力越低，吸附溫度越高。下圖曲線是進(jìn)氣相對濕度為100%時(shí)，不同進(jìn)氣溫度和壓力的條件干燥機(jī)的吸附溫度。

 

 

　　理論上講，吸附溫度就是床層溫度，也是干燥機(jī)出口溫度。干燥機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的吸附溫度（出口溫度），與理論計(jì)算值吻合度很好。

 

　　5.典型壓縮熱流程

　　市場上常見的有兩種壓縮熱再生干燥機(jī)，一種是有氣耗的壓縮熱，這個(gè)流程出現(xiàn)的較早，來源于美國。還有一種是采用雙冷卻器的零氣耗壓縮熱，這種出現(xiàn)的比有氣耗壓縮熱晚一些，來源于歐洲。

　　應(yīng)該說兩種壓縮熱都有非常長的歷史，流程上比較成熟，在中國市場上應(yīng)用非常廣泛。本文主要討論這兩種壓縮熱的露點(diǎn)性能。由于中國是無油壓縮機(jī)最活躍的市場，也給了國內(nèi)干燥機(jī)行業(yè)很多探索的機(jī)會(huì)，出現(xiàn)了很多更新的流程，本文限于篇幅，不做討論。

　　5.1 有氣耗壓縮熱流程

　　從壓縮機(jī)排出的中高溫的無油壓縮空氣進(jìn)入吸附塔（與吸附方向相反），加熱吸附劑床層并脫附水分，再生氣離塔后形成基本飽和的再生尾氣。再生尾氣然后進(jìn)入冷卻器冷卻后進(jìn)入吸附塔吸附。加熱完成后，采用干燥機(jī)出口的少量成品氣減壓后將塔內(nèi)吸附劑吹冷，吹冷尾氣排空。需要指出的是，吹冷氣在床層熱量的輔助下更進(jìn)一步脫水再生，降低了吸附塔的殘留吸附量，也進(jìn)一步提升了露點(diǎn)潛力，是一個(gè)非常重要的輔助再生過程。

　　5.2 雙冷卻器零氣耗壓縮熱流程

　　從壓縮機(jī)排出的中高溫的無油壓縮空氣進(jìn)入吸附塔（與吸附方向相反），加熱吸附劑床層并脫附水分，再生氣離塔后形成基本飽和的再生尾氣。再生尾氣然后進(jìn)入主冷卻器冷卻后進(jìn)入吸附塔吸附。在加熱完成后，從壓縮機(jī)排出的中高溫的無油壓縮空氣直接進(jìn)入主冷卻器冷卻，然后經(jīng)氣液分離器后進(jìn)入再生塔（與加熱方向相反，與吸附方向相同），將再生塔內(nèi)吸附劑吹冷。吹冷尾氣經(jīng)再生冷卻器后進(jìn)入吸附塔吸附。需要指出的是，吹冷氣是100%相對濕度的壓縮空氣，進(jìn)入吸附塔的時(shí)候發(fā)生吸附，離塔的時(shí)候形成干燥的壓縮空氣并在床層熱量的輔助下將離塔端的吸附劑更進(jìn)一步脫水再生，這個(gè)過程增加了吸附塔切換到下一周期的水分負(fù)擔(dān)，但卻進(jìn)一步脫附從而提升了露點(diǎn)潛力。

　　由于該流程中有兩個(gè)冷卻器，一個(gè)主冷卻器和一個(gè)再生冷卻器，因此該流程也稱為雙冷卻器零氣耗壓縮熱。

 

　　6.露點(diǎn)性能分析

　　圖3方法適用于吸附劑加熱脫附后自然冷卻到常溫的狀況。對于本文所探討的壓縮流程，由于吹冷也是重要的再生過程，結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對不同的流程對活性氧化鋁的等量吸附曲線進(jìn)行了改良，增加了成品氣露點(diǎn)的縱坐標(biāo)，見圖8和圖9。

 

 

 

　　如果進(jìn)吸附塔溫度為40度，壓力為7barg，根據(jù)圖6可知吸附溫度為57度。對于離心機(jī)而言，可計(jì)算出排氣溫度約為115度，壓力露點(diǎn)為56度（按圖4）。

 

　　圖10和圖11采用改良的平衡吸附曲線，按圖中步驟1-5步，即可預(yù)測成品氣露點(diǎn)。對于有氣耗的壓縮熱，可實(shí)現(xiàn)壓力露點(diǎn)約為5度左右，而對于零氣耗壓縮熱實(shí)現(xiàn)壓力露點(diǎn)為15-20度左右。這個(gè)結(jié)果說明，來自于離心壓縮機(jī)的排氣含濕量大，溫度不夠高，吸附劑的脫附深度不夠，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)-20度或者-40度的壓力露點(diǎn)。

　　從平衡吸附曲線圖上來看，我們有兩個(gè)手段可以改善露點(diǎn)性能：采用低溫冷凍水降低吸附溫度或者用加熱器提高再生氣溫度。以提高再生氣溫度的辦法實(shí)現(xiàn)-20度為例，采用平衡吸附曲線確定最低再生溫度。仍然按照圖中1-5步可以確定最低再生溫度。對于有氣耗壓縮熱，實(shí)現(xiàn)-20度的壓力露點(diǎn)，再生氣溫度需提高到約160度，而零氣耗壓縮熱的再生溫度需要提高到約190度。

 

　　如果進(jìn)吸附塔溫度為40度，壓力為7barg，根據(jù)圖6中可知吸附溫度為57度。對于無油干式螺桿機(jī)而言，可計(jì)算出排氣溫度約為165度，壓力露點(diǎn)為64度（按圖4）。

 

 

　　同樣采用改良的平衡吸附曲線，按圖中步驟1-5步，即可預(yù)測成品氣露點(diǎn)。對于有氣耗的壓縮熱，可實(shí)現(xiàn)壓力露點(diǎn)約為-20度左右，而對于零氣耗壓縮熱實(shí)現(xiàn)壓力露點(diǎn)為-10度左右。采用加熱器提高再生氣溫度或者適用冷凍水來降低吸附溫度也可以改善露點(diǎn)性能，本文不再詳細(xì)闡述。

　　為方便使用，歸納了吸附溫度不超過60度時(shí)再生溫度與壓力露點(diǎn)的關(guān)系曲線（前端壓縮機(jī)末級(jí)進(jìn)氣溫度不超過40度，且無液態(tài)水）。無論壓縮熱干燥器是否采用加熱器提高再生溫度，都可以通過下圖來獲得對應(yīng)的壓力露點(diǎn)。當(dāng)然設(shè)計(jì)人員也可采用該圖來確定壓縮熱的最低再生溫度。

 

　　通過以上方法，我們詳細(xì)了解了如何根據(jù)工況和再生條件預(yù)測一臺(tái)壓縮熱干燥機(jī)的露點(diǎn)性能。干燥機(jī)要達(dá)到露點(diǎn)要求，除了各個(gè)參數(shù)要滿足吸附平衡曲線關(guān)系要求外，還有很多其它的必要條件，比如足夠的吸附劑填充量，足夠的再生熱量供給，合適的吹冷氣量。可以說缺少任何一個(gè)條件，即使再生溫度足夠高也無法實(shí)現(xiàn)期望的露點(diǎn)性能。

　　另外，壓縮熱干燥機(jī)運(yùn)行過程中要特別注意兩點(diǎn)。第一，空壓機(jī)的級(jí)間冷卻器非常緊湊，易結(jié)垢，造成空壓機(jī)末級(jí)有時(shí)可達(dá)50度以上，此時(shí)排氣露點(diǎn)大幅上升到65-75度，干燥機(jī)再生嚴(yán)重惡化，露點(diǎn)性能大幅下降。干燥機(jī)的設(shè)計(jì)中很難考慮這種情況，因此，建議空壓機(jī)末級(jí)的進(jìn)氣溫度不要超過42度，超過后應(yīng)及時(shí)清洗冷卻器。第二，冷卻水的溫度應(yīng)盡量低。冷卻水溫度是影響干燥機(jī)性能的又一個(gè)重要因素。降低冷卻水溫度，降低了空壓機(jī)排氣的濕度，改善了再生氣的品質(zhì)，有利于吸附劑的再生。同時(shí)，冷卻水溫度的降低，使得干燥機(jī)的水分負(fù)荷也降低了。雙重影響，性能上雙倍改善。

 

　　7.寫在最后

　　本文雖以活性氧化鋁作為吸附劑舉例，但更適合壓縮熱干燥機(jī)吸附劑的是性能優(yōu)異的防水硅鋁膠。關(guān)于防水硅鋁膠的性能，在作者參與起草的即將發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《一般用壓縮空氣干燥器選型指南》中有提及。

　　另外，市場上還有一些其它的壓縮熱流程，比如干氣等壓輔助加熱壓縮熱流程和鼓風(fēng)輔助加熱壓縮熱流程等。針對這些流程，今后將另行詳細(xì)分析。

 

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