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压缩热干燥机的露点性能分析

   近十多年来,随着离心式和无油干式螺杆空压机的日益广泛应用,压缩热吸干机也成为市场热点。据不完全统计,全球半数以上的离心式空压机安装使用地点在中国。因此,中国已成为压缩热干燥机需求量最多的市场,也是干燥机制造商最集中的地方。
 
压缩热干燥机的露点性能分析
  压缩热干燥机以“节能”著称,关于它的露点性能,众说纷纭,还未形成统一认识。本文系统的采用平衡吸附曲线来探讨压缩热干燥机所能达到的露点性能,同时把平衡吸附曲线的使用方法推荐给相关从业人员。
压缩热干燥机的露点性能分析
  1.压缩热的吸附剂
  吸附剂是干燥机的核心。吸附式干燥机常用吸附剂有活性氧化铝、4A分子筛和硅铝胶(包括高性能硅铝胶和防水硅铝胶)。在压缩热干燥机上,国内使用活性氧化铝较多,对防水硅铝胶认识不足,只有少数厂家在使用;国外压缩热干燥机已普遍使用防水硅铝胶。
  活性氧化铝较便宜,市场上容易购买。而防水硅铝胶价格昂贵,生产厂家较少,但其性能更优异,再生温度更低,动吸附量更大,是今后的发展趋势。
  压缩热干燥机采用了从无油压缩机排出的中高温的压缩空气来再生吸附剂。再生气含湿量非常高,压力露点常常可以达到60-70度,当进入吸附塔与处于冷态的吸附剂接触时极有可能发生水蒸气冷凝,产生液态水滴。因此,在选择吸附剂时应采用具有抗液态水滴功能的活性氧化铝或者防水硅铝胶,规避由于气态水冷凝造成吸附剂床层失效的风险,特别不建议压缩热中采用遇液态水滴会失效的分子筛。
  国内市场上绝大部分压缩热都是采用的活性氧化铝作为吸附剂,因此本文主要以活性氧化铝为例进行阐述。
 
  2.平衡吸附曲线及使用方法
  2.1 什么是平衡吸附曲线
  有热吸附式干燥机设计过程中常常会使用到吸附剂的三个重要的曲线:等温吸附曲线、穿透曲线和平衡吸附曲线。其中平衡吸附曲线(equilibrium relation)也称为等量吸附曲线(isostere),是最为重要的一条曲线,尤其是对压缩热干燥机而言。
  平衡吸附线把不同温度和湿度条件下吸附量相同的点连接起来形成的曲线。每种不同的吸附剂都有自己独有的平衡吸附曲线,图1是一种典型活性氧化铝的平衡吸附曲线。
 
压缩热干燥机的露点性能分析
 
  图1中横坐标是吸附剂的工作温度,可以是吸附温度也可以是再生温度。纵坐标是空气的含湿量,采用压力露点来表示(用露点最大好处是平衡吸附线是一条直线,使用起来非常方便)。
  平衡吸附线的物理意义是吸附剂的状态点移动到直线上方时发生吸附,移动到下方时发生脱附,沿直线移动时既不发生吸附也不发生脱附。
  平衡吸附曲线建立了吸附温度(吸附温度与压缩空气进气温度、压力和相对湿度直接相关)、成品气露点、再生气露点和再生气温度等多个变量之间的关系,可以帮助我们更深刻的理解吸干机是如何工作的。
  2.2 用平衡吸附曲线预测压力露点的方法
  理解了平衡吸附曲线的意义,在已知再生条件下,我们就可以利用它来预测干燥机的露点性能,这种方法对于压缩热干燥机设计和运行是特别有用的。
  在已知进气压力、温度和无油空压机相关参数的条件下,可以通过五步来预测成品气压力露点。
 
压缩热干燥机的露点性能分析
  第一步,确定再生温度。根据进入吸附塔的再生温度值并在横坐标上找到该点,通过该点向上划一条垂直线(按图2中步骤1);
  第二步,确定再生气的露点。这是一个关键的参数,可通过无油压缩机厂家获得,也可自行进行计算(按3.1节计算)。确定再生气露点后,通过纵坐标上的该点划一条水平线并于上一步的直线相交于一点(按图2中步骤2);
  第三步,划平衡吸附线。沿上一步的交点划一条与图中最近的平衡吸附线的平行线(按图2中步骤3),产生一条设计工况的平衡吸附线;
  第四步,确定吸附温度。吸附剂吸附水分时放热,提升了床层吸附温度,这个温度可以通过进入吸附塔的压缩空气的温度、压力和相对湿度计算得到。详细计算方法在第4节中介绍。确定吸附温度后,在横坐标上找到对应的吸附温度点,向上划一条垂直线与上一步的平衡吸附线相交(按图2中步骤4);
  第五步,确定成品气露点。沿上一步的交点,向左划一条水平线,与纵坐标相交(按图2中步骤5),交点即为成品气露点值。
  除了预测露点外,我们也可以在已知露点要求的情况下,采用平衡吸附线来确定再生温度。总之,只要知道三个变量就可以确定第四个变量,这个的意义在于可以定量的了解各个参数间的影响关系,更好的设计或者运行、维护干燥机。
 
  3.无油压缩机排气状态参数计算方法
  与压缩热吸干机配合使用的无油空压机主要是离心式和干式无油螺杆。其中离心式空压机多以三级压缩为主,而干式螺杆主要是二级压缩。在不相同的环境条件和冷却水条件下,它们的排气温度和排气露点是不同的。
  3.1 环境因素对排气露点的影响
  为便于分析,对离心压缩机和无油二级干式螺杆压缩机做如下假设:第一,各级压缩比相同;第二,各级间冷却器出口压缩空气温度比冷却水温度高10度,且气水分离器的效率为100%。当然,从压缩机制造商处获得的参数更为准确,更有利于本文的分析。
  基于以上假设,我们采用Vaisala Humidity Calculator(可以在维萨拉网站上下载)计算了冷却水温度为32度,排气压力为7barg,在不同环境条件下的空压机出口压力露点。
压缩热干燥机的露点性能分析
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  从图3和图4中可以看出,当环境温度(假设为空压机的吸气口温度)在35度以上及相对湿度60%以上时,环境因素对压缩机排气的露点基本上没有影响。从空压机的结构特点来看,只要环境湿度高到一定程度,排气露点基本上只跟冷却水温的关系最大。
  实际工况的空压机排气露点计算,需要知道空压机的末级进气温度、末级吸气和排气压力即可。
  3.2 排气温度的计算
  无论是离心压缩机还是无油干式螺杆压缩机,每一级压缩均可看作绝热压缩过程。因此排气温度Td可用以下公式计算:
  Td=(p2/p1)(k-1)/k·Tin
  其中Tin为末级吸气温度,p2/p1为压缩比,k为绝热指数,对于空气其值为1.4。
 
  4.吸附温度的计算
  当含湿空气进入吸附塔接触吸附剂后,空气中的水蒸气逐渐被吸附。吸附是放热的,放出的热量被吸附剂和压缩空气吸收,因此吸附剂和空气的温度都被提高了,吸附温度就是吸附剂和空气的温度。很显然,吸附温度比进气温度高。
  如果把吸附塔作为一个绝热系统,计算吸附温度就变得比较容易。下图是以活性氧化铝为例(宏观吸附热700kcal/kgH2O),在进气温度38度@7barg及湿度100%的条件下,理论计算了干燥机出口温度随时间的变化曲线。从曲线来看,二十多分钟后床层温度就进入恒定状态。由于有热再生周期较长,这个稳定后的温度即可视为吸附温度。
 
压缩热干燥机的露点性能分析
 
  吸附温度与进气温度、压力和相对湿度有关。一般而言,单位质量空气中水分含量越多,吸附温度越高。也就是说,进气温度越高,吸附温度越高;进气压力越低,吸附温度越高。下图曲线是进气相对湿度为100%时,不同进气温度和压力的条件干燥机的吸附温度。
 
 
压缩热干燥机的露点性能分析
  理论上讲,吸附温度就是床层温度,也是干燥机出口温度。干燥机实际运行过程中的吸附温度(出口温度),与理论计算值吻合度很好。
 
  5.典型压缩热流程
  市场上常见的有两种压缩热再生干燥机,一种是有气耗的压缩热,这个流程出现的较早,来源于美国。还有一种是采用双冷却器的零气耗压缩热,这种出现的比有气耗压缩热晚一些,来源于欧洲。
  应该说两种压缩热都有非常长的历史,流程上比较成熟,在中国市场上应用非常广泛。本文主要讨论这两种压缩热的露点性能。由于中国是无油压缩机最活跃的市场,也给了国内干燥机行业很多探索的机会,出现了很多更新的流程,本文限于篇幅,不做讨论。
  5.1 有气耗压缩热流程
  从压缩机排出的中高温的无油压缩空气进入吸附塔(与吸附方向相反),加热吸附剂床层并脱附水分,再生气离塔后形成基本饱和的再生尾气。再生尾气然后进入冷却器冷却后进入吸附塔吸附。加热完成后,采用干燥机出口的少量成品气减压后将塔内吸附剂吹冷,吹冷尾气排空。需要指出的是,吹冷气在床层热量的辅助下更进一步脱水再生,降低了吸附塔的残留吸附量,也进一步提升了露点潜力,是一个非常重要的辅助再生过程。
  5.2 双冷却器零气耗压缩热流程
  从压缩机排出的中高温的无油压缩空气进入吸附塔(与吸附方向相反),加热吸附剂床层并脱附水分,再生气离塔后形成基本饱和的再生尾气。再生尾气然后进入主冷却器冷却后进入吸附塔吸附。在加热完成后,从压缩机排出的中高温的无油压缩空气直接进入主冷却器冷却,然后经气液分离器后进入再生塔(与加热方向相反,与吸附方向相同),将再生塔内吸附剂吹冷。吹冷尾气经再生冷却器后进入吸附塔吸附。需要指出的是,吹冷气是100%相对湿度的压缩空气,进入吸附塔的时候发生吸附,离塔的时候形成干燥的压缩空气并在床层热量的辅助下将离塔端的吸附剂更进一步脱水再生,这个过程增加了吸附塔切换到下一周期的水分负担,但却进一步脱附从而提升了露点潜力。
  由于该流程中有两个冷却器,一个主冷却器和一个再生冷却器,因此该流程也称为双冷却器零气耗压缩热。
 
压缩热干燥机的露点性能分析
  6.露点性能分析
  图3方法适用于吸附剂加热脱附后自然冷却到常温的状况。对于本文所探讨的压缩流程,由于吹冷也是重要的再生过程,结合多年实践经验,针对不同的流程对活性氧化铝的等量吸附曲线进行了改良,增加了成品气露点的纵坐标,见图8和图9。
 
 
压缩热干燥机的露点性能分析
压缩热干燥机的露点性能分析
 
  如果进吸附塔温度为40度,压力为7barg,根据图6可知吸附温度为57度。对于离心机而言,可计算出排气温度约为115度,压力露点为56度(按图4)。
压缩热干燥机的露点性能分析
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  图10和图11采用改良的平衡吸附曲线,按图中步骤1-5步,即可预测成品气露点。对于有气耗的压缩热,可实现压力露点约为5度左右,而对于零气耗压缩热实现压力露点为15-20度左右。这个结果说明,来自于离心压缩机的排气含湿量大,温度不够高,吸附剂的脱附深度不够,远远无法实现-20度或者-40度的压力露点。
  从平衡吸附曲线图上来看,我们有两个手段可以改善露点性能:采用低温冷冻水降低吸附温度或者用加热器提高再生气温度。以提高再生气温度的办法实现-20度为例,采用平衡吸附曲线确定最低再生温度。仍然按照图中1-5步可以确定最低再生温度。对于有气耗压缩热,实现-20度的压力露点,再生气温度需提高到约160度,而零气耗压缩热的再生温度需要提高到约190度。
压缩热干燥机的露点性能分析
压缩热干燥机的露点性能分析
 
  如果进吸附塔温度为40度,压力为7barg,根据图6中可知吸附温度为57度。对于无油干式螺杆机而言,可计算出排气温度约为165度,压力露点为64度(按图4)。
 
压缩热干燥机的露点性能分析
压缩热干燥机的露点性能分析
 
  同样采用改良的平衡吸附曲线,按图中步骤1-5步,即可预测成品气露点。对于有气耗的压缩热,可实现压力露点约为-20度左右,而对于零气耗压缩热实现压力露点为-10度左右。采用加热器提高再生气温度或者适用冷冻水来降低吸附温度也可以改善露点性能,本文不再详细阐述。
  为方便使用,归纳了吸附温度不超过60度时再生温度与压力露点的关系曲线(前端压缩机末级进气温度不超过40度,且无液态水)。无论压缩热干燥器是否采用加热器提高再生温度,都可以通过下图来获得对应的压力露点。当然设计人员也可采用该图来确定压缩热的最低再生温度。
压缩热干燥机的露点性能分析
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  通过以上方法,我们详细了解了如何根据工况和再生条件预测一台压缩热干燥机的露点性能。干燥机要达到露点要求,除了各个参数要满足吸附平衡曲线关系要求外,还有很多其它的必要条件,比如足够的吸附剂填充量,足够的再生热量供给,合适的吹冷气量。可以说缺少任何一个条件,即使再生温度足够高也无法实现期望的露点性能。
  另外,压缩热干燥机运行过程中要特别注意两点。第一,空压机的级间冷却器非常紧凑,易结垢,造成空压机末级有时可达50度以上,此时排气露点大幅上升到65-75度,干燥机再生严重恶化,露点性能大幅下降。干燥机的设计中很难考虑这种情况,因此,建议空压机末级的进气温度不要超过42度,超过后应及时清洗冷却器。第二,冷却水的温度应尽量低。冷却水温度是影响干燥机性能的又一个重要因素。降低冷却水温度,降低了空压机排气的湿度,改善了再生气的品质,有利于吸附剂的再生。同时,冷却水温度的降低,使得干燥机的水分负荷也降低了。双重影响,性能上双倍改善。
 
  7.写在最后
  本文虽以活性氧化铝作为吸附剂举例,但更适合压缩热干燥机吸附剂的是性能优异的防水硅铝胶。关于防水硅铝胶的性能,在作者参与起草的即将发布的团体标准《一般用压缩空气干燥器选型指南》中有提及。
  另外,市场上还有一些其它的压缩热流程,比如干气等压辅助加热压缩热流程和鼓风辅助加热压缩热流程等。针对这些流程,今后将另行详细分析。
 

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