【壓縮機(jī)網(wǎng)】引言

　　隨著工業(yè)現(xiàn)代化程度的提高，壓縮空氣作為一種廉價(jià)清潔的動(dòng)力源，被廣泛地應(yīng)用在微電子、醫(yī)藥研究、紡織業(yè)、食品加工等領(lǐng)域。與其他動(dòng)力源相比，除了原材料易獲得之外，還有無毒無害，不燃燒，容易輸送，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　壓縮空氣在工業(yè)中的廣泛使用，成為現(xiàn)代工業(yè)中的主要耗能之一。我國2010年空氣壓縮機(jī)的耗電量高達(dá)2700億度，約占全國工業(yè)總用電量的8.7%。而大多數(shù)生產(chǎn)廠家中，壓縮空氣的能源消耗占全部能源消耗的10%～35%。因此，選用經(jīng)濟(jì)有效的方法降低壓縮空氣的生產(chǎn)能耗，提高壓縮空氣的干燥度和純凈度，對(duì)節(jié)能減排有著非常重要的作用。

　　壓縮空氣在未經(jīng)后處理設(shè)備之前，往往含有大量的水分、油污和固體顆粒物等，直接用于儀器和設(shè)備會(huì)造成管道和金屬零件腐蝕生銹，使氣動(dòng)元件及控制儀器失靈，縮短設(shè)備使用壽命等。在工藝上壓縮空氣應(yīng)用于各行業(yè)如化工、通信等，對(duì)壓縮空氣質(zhì)量的要求也比較高。壓縮空氣中的粉塵油污可以利用不同等級(jí)的過濾器凈化，來達(dá)到特定的空氣要求，而要除去壓縮空氣中的水分，則需使其通過氣水分離裝置。壓縮空氣氣水分離裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究不僅對(duì)提高壓縮空氣的品質(zhì)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)水平的發(fā)展有重要的作用，而且提高干燥裝置的工作效率對(duì)節(jié)能環(huán)保也有著重要的意義。

　　國內(nèi)外壓縮空氣氣水分離裝置發(fā)展概況

　　國外在50年代開始使用加熱再生式吸附干燥器，這類干燥器基本滿足了當(dāng)時(shí)氣動(dòng)儀表及其它氣動(dòng)系統(tǒng)的要求。60年代起，無熱再生式吸附干燥器問世，由于避開了復(fù)雜的加熱設(shè)備，吸附劑可再生，大大降低了成本和運(yùn)行費(fèi)用。因此，一出現(xiàn)就在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家得到廣泛應(yīng)用。70年代末，由于制冷機(jī)制造成本的降低和良好的運(yùn)行性能，冷凍式干燥器得到了快速的發(fā)展，并很快占據(jù)了大量市場(chǎng)。進(jìn)入80年代，法、英與美國相繼對(duì)冷干機(jī)的空氣換熱器與蒸發(fā)器進(jìn)行了改進(jìn)，使機(jī)組在體積上大大減小，性能進(jìn)一步提高。當(dāng)今，國外與空壓機(jī)配套的冷干機(jī)組配套率已達(dá)到30%，并且空氣凈化已形成系列。

　　我國在60年代才開始發(fā)展熱再生式干燥器，但在吸附劑再生過程中存在需要復(fù)雜的加熱設(shè)備及蒸氣鍋爐，且耗能設(shè)備費(fèi)用高等問題。70年代末，由大慶油田研究設(shè)計(jì)院和沈陽氣體壓縮機(jī)研究所聯(lián)合研制了第一套無熱再生式吸附干燥器，在國內(nèi)第一次采用了無熱再生流程。80年代初，長春氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)出第一臺(tái)冷干機(jī)，8個(gè)月后，無錫氣源凈化設(shè)備廠也研制成功。冷凍式干燥器開始迅速發(fā)展，相對(duì)于吸附式干燥器來說，其能耗相對(duì)較小，維護(hù)簡(jiǎn)單，而且對(duì)配置的空壓機(jī)沒有特殊的要求，對(duì)除油過濾器的要求也較低。90年代中期以來，一些企業(yè)推出了由冷凍式干燥機(jī)和變壓變溫吸附式干燥機(jī)有機(jī)組合而成的“組合式低露點(diǎn)”干燥器，并在這方面做了大膽探索。

　　近十幾年來，隨著國產(chǎn)冷凍式干燥器不斷的改進(jìn)和提高，在配置的選購上更注重部件的品質(zhì)，使設(shè)備可靠性大大提高。目前，冷凍式和吸附式干燥器已成為我國工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用z*廣的壓縮空氣干燥器。與此同時(shí)，蓄冷式冷干機(jī)也得到了很大的發(fā)展。蓄冷式冷干機(jī)采用充滿大量蓄冷溶液的蓄冷式換熱器，制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量通過蓄冷溶液來冷卻壓縮空氣。在氣量、氣體狀態(tài)與環(huán)境條件變化時(shí)，能穩(wěn)定的提供負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)的壓縮空氣，無論是在部分負(fù)荷還是空負(fù)荷下運(yùn)行，蓄冷式冷干機(jī)都可以在效率z*佳，工況z*安全的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，總能耗低，節(jié)能效果顯著。

　　壓縮空氣氣水分離裝置的種類及性能比較

　　干燥器的種類很多，按工作原理可分為吸附式干燥器、冷凍式干燥器、潮解式干燥器、滲膜式干燥器以及組合式干燥器等。但市場(chǎng)上應(yīng)用z*多的是冷凍式干燥器和吸附式干燥器兩種。

　　1 冷凍式干燥器

　　冷凍式干燥器的工作原理，是利用全封閉式壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)空壓機(jī)排出的壓縮氣體冷卻降溫，使壓縮空氣溫度降至露點(diǎn)溫度以下，從而使得其中所含的大量水蒸氣凝結(jié)成液滴析出，再由自動(dòng)排水閥排出，得到干燥純凈的壓縮空氣，如圖1所示為冷凍式干燥機(jī)的工作原理流程圖。進(jìn)口處的潮濕空氣先進(jìn)入熱交換器，利用經(jīng)蒸發(fā)器冷卻后的壓縮空氣的冷量對(duì)其進(jìn)行預(yù)冷，從而減輕了制冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷，達(dá)到節(jié)約能源的目的。另一方面，低溫壓縮空氣經(jīng)熱交換器溫度得到回升，使排氣管道外壁不至于因溫度過低而出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

　　冷干機(jī)在運(yùn)行時(shí)，對(duì)環(huán)境溫度較為敏感，大容量冷干機(jī)需要消耗較多的冷卻水，這給高寒地區(qū)、干旱地區(qū)的應(yīng)用帶來了限制。而且，由于冷凍式干燥器使用的是制冷技術(shù)，飽和空氣中含有的水分在低于冰點(diǎn)時(shí)，容易產(chǎn)生冰堵。所以，冷凍式干燥器的壓力露點(diǎn)通常情況下無法達(dá)到0 ℃以下。在一些特定應(yīng)用領(lǐng)域中，用冷干機(jī)是達(dá)不到需要的干燥度，如氣動(dòng)儀表、電子工廠等。

　　2 吸附式干燥器

　　吸附式干燥器屬于固體除濕法，采用的吸附劑主要有硅膠、鋁膠和分子篩。這些吸附材料都有很大的比表面、適宜的孔結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)，當(dāng)吸附材料表面水蒸氣壓力小于空氣中的水蒸氣表面分壓力時(shí)，壓縮空氣中的水分就被吸附。因此，吸附式干燥器可以達(dá)到較低的干燥度，壓力露點(diǎn)可達(dá)-20 ℃～-100 ℃。當(dāng)吸附劑吸附飽和后必須進(jìn)行脫附再生，才能重復(fù)使用。所以一般采用兩個(gè)吸附塔交替工作，使機(jī)組連續(xù)運(yùn)行。其工藝一般為無油空壓機(jī)-后冷卻器-儲(chǔ)氣罐-油水分離器-過濾器-再生干燥-用戶。此外，吸附劑對(duì)空氣中的含油量比較敏感，含油量大時(shí)，吸附劑失去作用。所以，吸附干燥器需要與無油空壓機(jī)配套使用。

　　吸附劑再生的方法有變壓吸附和變溫吸附兩種。變溫吸附是在較高的溫度下將被吸附的氣體從吸附劑中脫附出來，由于常用的吸附劑比熱容較大而熱導(dǎo)率較小，所以脫附時(shí)間長，還需配備相應(yīng)的加熱和冷卻設(shè)備，能耗和投資相對(duì)較高。目前，屬于變溫吸附的有熱再生吸附干燥器實(shí)際使用已越來越少。變壓吸附是在較低的分壓力下，甚至真空狀態(tài)，使被吸附氣體進(jìn)行脫附的過程。吸附循環(huán)周期只需短短幾分鐘，吸附熱不需散失完全即可供脫附使用，吸附床溫度變化小，這些優(yōu)點(diǎn)使得屬于變壓吸附的無熱再生干燥器得到了廣泛的應(yīng)用。

　　雖然吸附式干燥器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但是由于要對(duì)吸附飽和的空氣進(jìn)行再生，因此能耗較大，消耗空氣量較大，表1所列為幾種吸附式干燥器的主要技術(shù)參數(shù)。采用節(jié)能技術(shù)措施降低吸附式干燥器能耗，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著明顯的現(xiàn)實(shí)意義。目前，利用空壓機(jī)余熱為吸附劑再生能源的技術(shù)得到廣泛的使用和發(fā)展。

　　3 潮解式干燥器

　　潮解式干燥器也是利用吸附劑對(duì)水分的吸附性能進(jìn)行空氣干燥，只不過潮解式吸附劑在吸附水分后變成液態(tài)排出，因此叫做“潮解”。經(jīng)過再生，潮解后的液態(tài)又恢復(fù)為固態(tài)。常用的吸附劑有氯化鈣、五氧化二磷、苛性鈉和苛性鉀等，這些材料表面水蒸氣分壓力低于周圍空氣的水蒸氣分壓力，因而具有很強(qiáng)的親水性。采用這種裝置可以達(dá)到-38 ℃左右的露點(diǎn)，但再生時(shí)處理的耗能相當(dāng)大，對(duì)于價(jià)值低廉的吸附劑來說費(fèi)用太高，因此只做一次性使用。潮解后的水溶液對(duì)環(huán)境污染較大，所以這種干燥器應(yīng)用較少。在吸附式干燥器和冷凍式干燥器崛起后，這類干燥方法已被逐漸淘汰。

　　4 滲膜式干燥器

　　滲膜式壓縮空氣干燥器具有壽命長、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不消耗能源、無運(yùn)動(dòng)部件、重量輕、安裝維修方便等特點(diǎn)，在國外市場(chǎng)上已是成熟產(chǎn)品，規(guī)格比較齊全，也是較理想的壓縮空氣干燥器的換代品。氣體膜分離過程中傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力是壓力，在膜兩側(cè)壓力差的作用下，各種氣體透過膜的速率不同，從而達(dá)到分離或富集的目的。一般情況下水蒸氣的透過速率比較大，其透過系數(shù)要比O2、N2高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。其工作原理為：壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)排出，經(jīng)冷卻的壓縮空氣s*先進(jìn)入高精度過濾器過濾掉壓縮空氣中的固體雜質(zhì)、液態(tài)水、油等；經(jīng)過濾的壓縮空氣進(jìn)入脫水膜進(jìn)行干燥，干燥后的壓縮空氣，小部分用來作為反吹氣體吹過膜的外表面。由于節(jié)流孔的減壓，反吹空氣比膜內(nèi)的壓縮空氣干燥。因此膜的內(nèi)外會(huì)形成壓力差，膜內(nèi)的水蒸氣分子會(huì)由內(nèi)向外擴(kuò)散。水蒸氣通過掃氣孔排入大氣，壓縮空氣得到干燥。膜式干燥器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、輕便小巧、免維修、故障率低、壽命長等特點(diǎn)，但需要進(jìn)行除油處理，而且承載負(fù)荷較小。目前，在我國各大干線機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)上廣泛使用。

　　利用共混材料制備高分子分離膜的方法，既可以對(duì)現(xiàn)有的膜材料進(jìn)行優(yōu)化組合，從而得到性能更為優(yōu)良的新型材料，又可籍此來調(diào)節(jié)、控制膜的結(jié)構(gòu)，使膜的分離性能進(jìn)一步改善。

　　5 組合式干燥器

　　組合式干燥器是把冷凍-吸附干燥裝置串聯(lián)組合起來，如圖2所示。由前置的冷干機(jī)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行預(yù)處理，先除去大量的水分，再進(jìn)入吸附式干燥器做深度干燥。這種組合式的方法有效的提高了空氣的干燥度，但也增加了投資成本和運(yùn)行能耗。從公開發(fā)表的技術(shù)資料來看，組合干燥器壓力露點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)大多只要-40 ℃左右，普通的吸附式干燥器就能達(dá)到這個(gè)效果。采用冷干機(jī)作前置預(yù)處理，雖然可以節(jié)省再生用氣，但投資也增加不少，所以這種技術(shù)流程還值得更深入的分析。

　　以上幾種類型的壓縮空氣氣水分離裝置是目前使用較多的干燥器，由于冷凍式干燥器和吸附式干燥器的優(yōu)點(diǎn)，以極快的速度取代了潮解式干燥器和滲膜式干燥器。但在用戶使用和選型的過程中，選用哪種類型的干燥器將根據(jù)工藝要求、購買成本和使用成本等進(jìn)行合理選擇。

　　壓縮空氣氣水分離裝置研究發(fā)展趨勢(shì)

　　1 利用余熱廢熱實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

　　在壓縮空氣干燥設(shè)備領(lǐng)域，能耗大是一個(gè)顯著的特點(diǎn)。目前，利用工業(yè)上余熱廢熱的節(jié)能產(chǎn)品開始出現(xiàn)。余熱再生式吸附干燥器就是其中一個(gè)新興的發(fā)展方向，充分利用了壓縮機(jī)的廢熱，在滿足工廠需求的前提下達(dá)到了減少能源消耗的目的，起到了節(jié)能減排的效果。

　　2 改進(jìn)配置部件提高運(yùn)行效率

　　目前，冷凍式干燥機(jī)在設(shè)計(jì)與制造上還有不足之處。如壓縮機(jī)設(shè)備的利用效率不高，這一現(xiàn)象主要是設(shè)備配置欠佳，冷損失較大等原因造成的。由于負(fù)荷的變動(dòng)，壓縮空氣處理量也會(huì)隨之變化，換熱器及蒸發(fā)器的換熱系數(shù)也會(huì)改變，特別是預(yù)冷器與蒸發(fā)器的傳熱負(fù)荷配比也會(huì)發(fā)生變化，因此存在一個(gè)優(yōu)化問題。凍干機(jī)中蒸發(fā)器捕水的性能，直接影響著整機(jī)的性能和制造成本，因此研究捕水器的結(jié)構(gòu)和結(jié)霜特性也非常重要。另外，由于制作工藝水平的限制，冷阱中的換熱盤管布置不緊湊，制冷劑分配不均等，這些都是導(dǎo)致制冷效果差的原因。所以提高各個(gè)部件的運(yùn)行效率，減少各種冷量的損耗，在細(xì)節(jié)上進(jìn)一步改進(jìn)是干燥器的發(fā)展方向之一。

　　3 醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

　　冷凍式干燥器目前在藥品的生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛，近年來冷凍技術(shù)有很大的發(fā)展。傳統(tǒng)的制藥工藝中，有些環(huán)節(jié)操作人員直接與藥品接觸，成為藥品污染的主要來源，而無菌工作造價(jià)也很昂貴。目前，各種自動(dòng)進(jìn)出料生產(chǎn)線正在大量使用。這樣可以更好地保證產(chǎn)品的無菌要求和保護(hù)操作人員的安全，實(shí)現(xiàn)凍干機(jī)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的自動(dòng)化和無菌生產(chǎn)。同時(shí)，提高各部件運(yùn)行效率，達(dá)到人、物隔離要求，也是凍干機(jī)在醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)展的方向。

　　結(jié)論

　　壓縮空氣氣水分離裝置有多種類型，企業(yè)可以根據(jù)不同需求合理選擇不同的產(chǎn)品。充分利用余熱廢熱，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗，優(yōu)化配置的部件，提高氣水分離裝置運(yùn)行的效率。