新型单元化吸附式干燥机的研究

吴云滔，赵军，胡寿根

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

新型单元化吸附式干燥机的研究

吴云滔*，赵军，胡寿根

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

为了降低无热再生吸附式干燥机再生耗气量以便有效降低空压机的系统能耗，提高压缩空气有效使用率，采用新型单元化吸附式干燥机，利用化整为零的思想，将无热再生吸附式干燥机吸附剂层分散成多个吸附单元，每个吸附单元相当于一个小型吸附塔，若干个小型吸附塔同时进行吸附和再生。结果表明：分散的吸附单元结构能够维持稳定的压缩空气压力露点，成倍地增加吸附剂和压缩空气的接触面积，同时再生耗气量将大大减少，压缩空气的有效使用率得以提高。

气源系统；无热再生吸附式干燥机；露点；能耗；吸附单元

0 引言

随着压缩空气在工业领域的广泛应用，用于去除压缩空气中水蒸气的干燥设备也得到了相应的应用和发展。通常用于干燥压缩空气的设备按工作原理可分为冷冻式和吸附式两类。冷冻式干燥机运行费用较低，但由于其工作原理和结构所限，出口压力露点一般不低于2 ℃，一般在2 ℃～10 ℃[1-2]，这直接限制了冷冻式干燥机的使用范围。目前工业领域使用较多的无热再生吸附式干燥机出口压力露点可达-40 ℃，但存在再生气流量大、干燥效率低、吸附剂易破损等缺点[3]。笔者在分析无热再生吸附式干燥机的基础上提出了一种新型单元吸附式干燥机，主要特征在于采用化整为零的吸附单元。该结构单元能够维持稳定的压缩空气露点，而且这种结构成倍地增加了吸附剂和压缩空气接触的表面积，需要填充的吸附剂量会成倍减少，而处理效果却大大增加，再生耗气量大大减少。

1 气源系统及空气露点

在压缩空气系统中，由产生、储存和处理压缩空气的设备所组成的系统，称为气源系统[4]，气源系统图如图1所示。压缩空气主要通过空压机将空气压缩后取得，在气源系统中从空气压缩机直接排出的压缩空气中包含许多杂质，主要包括水、油及颗粒杂质等，如果不对其进行处理而直接使用，空气中的杂质会对系统中的元件造成很大的危害[5]。处理压缩空气的净化处理设备主要由后部冷却器、精密过滤器、干燥机、自动排水、排污阀等根据不同的工艺要求组成一个完整的系统[6]，表1为部分气源系统部件对应的冷凝水分布。

工业生产中，压缩空气的干燥程度通常用露点温度来表示，露点是指空气中所含的水汽达到饱和而凝结成液态水时所需要降至的温度[7]。温度20℃、相对湿度为65%时的空气状态为空气的标准状态，空压机排气量、干燥机、过滤器等后处理设备的处理量都是以空气标准状态下的流量来标注。

按《一般用压缩空气质量等级》（GB/T 13277-91）规定，空气中水蒸气含量以压力露点表示，压力露点共分6个等级，其中1～3级压力露点分别为-70 ℃、-40 ℃和-20 ℃，必须使用吸附式干燥器才能达到[8]。

图1 气源系统图

表1 冷凝水分布

2 无热再生吸附式干燥机

2.1 无热再生吸附式干燥机工作原理

无热再生吸附式干燥机是通过变压吸附原理来达到干燥目的[9-10]。由于气体容纳水蒸汽的能力与压力成反比，其干燥后的一部分气体减压膨胀至大气压，这种压力变化使膨胀气体变得更加干燥，然后使它流过需要再生的干燥剂层，干燥的再生空气吸收干燥剂里的水分，将其带出干燥器来达到除湿的目的。通过双塔结构，吸附和再生交替循环工作，以固定的切换时间进行双塔切换，无需热源，连续向用户用气系统提供干燥的压缩空气[11]。

无热再生吸附式干燥机工作原理图如图2所示，压缩空气进入干燥机前，先经过过滤器去除从空压机中带出的油滴和粉尘。在图 2中，含有水蒸气的压缩空气从进口1通过气动切断阀2进入右边填充有干燥剂的塔4，由于干燥剂的吸附作用，压缩空气中的水蒸气被吸附在干燥剂的表面，被干燥的压缩空气大部分通过单向阀7从干燥机出口8流向下游，小部分压缩空气通过调节阀10后，降压至接近大气压从上部进入塔12，经过降压的空气变得十分干燥，用于吹扫塔12中吸附了大量水蒸气的干燥剂，从而使干燥剂获得再生，然后经气动切断阀13和消音器11排放到大气中。在此期间，右塔4为吸附过程，左塔12为再生过程；经过270 s后，气动切断阀13关闭，左塔12内的压力开始上升，此期间为均压过程，再过30 s后，切断阀2关闭，同时切断阀14打开，再经过10 s后，切断阀3打开，此时左塔12进入吸附阶段，右塔 4进入再生阶段。如此循环，每个循环的时间为600 s，塔底部的4个气动切断阀的开关动作通过可编程控制器来实现[3,12]。

图2 无热再生吸附式干燥机工作原理图

2.2 无热再生吸附式干燥机再生能耗分析

完全再生时，无热再生吸附式干燥机最低再生耗气量vmin可通过下式求得[13]：

式中：

V——单位时间内流入干燥器的压缩空气流量，Nm3/min；

d0——进气状态下压缩空气的绝对含水量，g/m3；

d——再生气排气状态下的绝对含水量，g/m3；

T——工作半周期，min。

在标准进气状态（温度 T =38 ℃、表压 p =0.7 MPa、相对湿度 =100%）下，压缩空气的绝对含水量 d0=6.80 g/m3，经吸附干燥机处理后压缩空气的大气压露点达到-50 ℃（相当于0.7 MPa下压力露点为-30 ℃，露点温度和该温度对应的绝对湿度关系见图 3[14]）。经过干燥后的压缩空气含水量约为0.03 g/m3，可忽略不计，则每处理1 m3/min压缩空气，吸附剂大约吸附了6.8 g水蒸气。再生气离塔时状态：压力为1 atm，温度保持不变，再生排气达到饱和时的绝对含水量是d =46.1 g/m3；显然，要全部吸纳6.8 g水，需要的再生气量为6.8/46.1 = 0.148 m3，即再生气量要占到被处理气量的 14.8%，对于40 m3/min，额定功率一般为250 kW的压缩机来说，14.8%的再生空气消耗意味着37 kW的电能消耗。这个数字并不小，不可忽略不计，也就是说这部分的压缩空气是消耗掉的，不能再供给用气端。

图3 露点温度与绝对湿度关系图

通过分析可知，若要获取低露点的干燥压缩空气，就必定要消耗更多的能耗，长期使用无热再生吸附式干燥机是很不经济的，因为过多的再生能耗将增加用电成本。因此对无热再生吸附式干燥机实施有效的节能改造，降低干燥机再生用气量，从而减少再生能耗量，促进干燥机高效率运行成为当前研究人员研究的热点。

3 新型单元化吸附式干燥机

3.1 新型单元化吸附式干燥机工作原理

新型单元化吸附式干燥机的核心思想在于采用化整为零的分散式吸附单元。主要特点为：将无热再生吸附式干燥机的整体吸附剂层化整为零，分散成多个吸附单元，每个吸附单元由管道腔体组成，对管道腔体进行吸附剂填充，由于采用化整为零的吸附单元，相当于将无热再生吸附式干燥机的再生塔单元化，也就是相当于若干个小型再生塔同时进行再生。主要优点在于：采用这样的结构能够维持稳定的压缩空气露点，而且这种吸附单元可以大大地增加吸附剂和压缩空气接触的表面积，需要填充的吸附剂将会成倍减少，处理效果却成倍增加，再生耗气量大大减少。

3.2 设计思路

结构：将传统无热再生吸附式干燥机的双塔循环结构做些改变，采用多管道分流吸附，实行化整为零的设计思想。同时将进气口径设置成与管道一样大，这样可有效地消除吸附与再生时存在的死角，增加吸附剂的接触面积。

吸附剂：活性氧化铝和分子筛都是吸附式干燥机常用的吸附剂。这两种吸附剂对水蒸汽都具有很强的吸附能力。活性氧化铝还综合具备了许多优良的化学及物理性质，但是该吸附剂在低水分环境下的吸附能力远不如分子筛，所以为了获取极干燥的压缩空气，分子筛才是更好的选择，但分子筛的机械强度及抗水滴性能很不理想，综合两种吸附剂的特征，新型单元化吸附式干燥机采用分子筛与氧化铝的混合物[15]。

填充方法：让吸附剂颗粒以10 m/s的速度均匀进入塔内，使填充密度达到680 g/L左右，并采用多级分流布气装置和自动压紧装置，弥补传统气缸压紧造成的吸附剂填充不紧密、存在较大的间隙、吸附剂粉化等现象。

新型单元化吸附式干燥机结构图如图4所示。

图4 新型单元化吸附式干燥机结构图

A单元吸附，潮湿的空气从进口输入，经过干燥剂层，得到干燥的空气，从出气口输出。

B单元再生，一小部分干燥的空气从上而下，对已经吸附水分的干燥剂层进行吹扫脱附，气流将水分从消音器处排出。

再生泄放：由于变压解吸的时候水分泄放出来最多的就是由高压变为低压的那一瞬间，新型单元化吸附式干燥机采用多次瞬间释放。一次吸附的时间为360 s，多次解吸的时间共是135 s。传统的无热再生吸附式干燥机的双塔结构吸附时间与解析时间相同，也就是说新型单元化吸附式干燥机的泄放时间只有双塔的2/5；双塔的耗气量在15%左右，所以新型单元化吸附式干燥机的再生耗气量在6%左右。由此可知长期使用新型单元化吸附式干燥机，对于无热再生吸附式干燥机来说，可以节省大量的耗气量，对于降低吸附式干燥机能耗成本，促进吸附式干燥机高效运行具有重要的实际意义。

新型单元化吸附式干燥机与无热再生吸附式干燥机能耗对比如表2。

综上可知，新型单元化吸附式干燥机每年能节约的能耗折算为经济效益高达24,190元。

表2 能耗对比（空压机的功耗为：37 kW）

4 结论

新型单元化吸附式干燥机采用化整为零的思想，将无热再生吸附式干燥机的吸附剂层分散成若干个吸附单元，通过分析研究可得出以下结论：

1）由于再生耗气量小，压缩空气的有效使用率高，使得压缩空气的使用成本降低，这是一笔客观的运行成本费用；

2）新型单元化吸附式干燥机使用多管道单元化结构，减缓了气体的流速，提高了吸附剂与压缩空气的接触时间和面积，大大提高了吸附剂的利用率；使吸附剂充分吸收压缩空气中的水分，压力露点稳定性更好；

3）无热再生吸附式干燥机的压损与压降均较为明显，新型单元化吸附式干燥机采用了上下均有缓冲室的结构，压降少，压力损失也较低。

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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

*吴云滔（1991-），男，硕士研究生。研究方向：制冷及流体机械。联系地址：上海市军工路516号上海理工大学，邮编：200093。联系电话：13162358905。E-mail：420946594@qq.com。