0 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清潔的動力源，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。
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[1]。我國2010年空氣壓縮機的耗電量高達(dá)2 700 億度，約占全國工業(yè)總用電量的8.7%[2]。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%[3]。因此，選用經(jīng)濟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)備會造成管道和金屬零件腐蝕生銹，使氣動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)計與研究不僅對提高壓縮空氣的品質(zhì)，推動產(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節(jié)能環(huán)保也有著重要的意義。
1 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)時氣動儀表及其他氣動系統(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，大大降低成本和運行費用。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[4]。70年代末，由于制冷機制造成本的降低和良好的運行性能，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。進(jìn)入80年代，法、英與美國相繼對冷干機的空氣換熱器與蒸發(fā)器進(jìn)行了改進(jìn)，使機組在體積上大大減小，性能進(jìn)一步提高。當(dāng)今，國外與空壓機配套的冷干機組配套率已達(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，但是在吸附劑再生過程中需要復(fù)雜的加熱設(shè)備及蒸氣鍋爐等，且耗能設(shè)備費用高。70年代末，由大慶油田研究設(shè)計院和沈陽氣體壓縮機研究所聯(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[5]。80年代初，長春氣動元件廠生產(chǎn)出第一臺冷干機，8個月后，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，相對于吸附式干燥器來說，其能耗相對較小，維護(hù)簡單，而且對配置的空壓機沒有特殊的要求，對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和變壓變溫吸附式干燥機有機組合而成的“組合式低露點”干燥器，并在這方面做了大膽探索[6]。
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)中應(yīng)用最廣的壓縮空氣干燥器[7]。與此同時，蓄冷式冷干機也得到了很大的發(fā)展。蓄冷式冷干機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，能穩(wěn)定的提供負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)露點的壓縮空氣，無論是在部分負(fù)荷還是空負(fù)荷下運行，蓄冷式冷干機都可以在效率最佳，工況最安全的情況下運轉(zhuǎn)，總能耗低，節(jié)能效果顯著[8]
2 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。但市場上應(yīng)用最多的是冷凍式干燥器和吸附式干燥器兩種。
2.1 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制冷系統(tǒng)，對經(jīng)空壓機排出的壓縮氣體冷卻降溫，使壓縮空氣溫度降至露點溫度以下，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的工作流程圖[9]。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。
冷干機在運行時，對環(huán)境溫度較為敏感，大容量冷干機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時，容易產(chǎn)生冰堵。所以，冷凍式干燥器的壓力露點通常情況下無法達(dá)到0 ℃以下。在一些應(yīng)用領(lǐng)域中，用冷干機還達(dá)不到需要的干燥度，如氣動儀表、電子工廠等[10]。
2.2 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，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。所以一般采用兩個吸附塔交替工作，使機組連續(xù)運行。其工藝一般為無油空壓機—后冷卻器—儲氣罐—油水分離器—過濾器—再生干燥—用戶。此外，吸附劑對空氣中的含油量比較敏感，含油量大時，吸附劑失去作用。所以，吸附干燥器需要與無油空壓機配套使用。
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，能耗和投資相對較高。目前，屬于變溫吸附的有熱再生吸附干燥器實際使用已越來越少。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[11]。
雖然吸附式干燥器運行穩(wěn)定可靠，但是由于要對吸附飽和的空氣進(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)[12]。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)競爭力有著明顯的現(xiàn)實意義。目前，利用空壓機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。
2.3 潮解式干燥器
潮解式干燥器也是利用吸附劑對水分的吸附性能進(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，因而具有很強的親水性。采用這種裝置可以達(dá)到-38 ℃左右的露點，但再生時處理的耗能相當(dāng)大，對于價值低廉的吸附劑來說費用太高，因此只做一次性使用[13]。潮解后的水溶液對環(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。
2.4 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)簡單、不消耗能源、無運動部件、重量輕、安裝維修方便等特點，在外市場上已是成熟產(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個數(shù)量級。其工作原理為：壓縮空氣由空氣壓縮機排出，經(jīng)冷卻的壓縮空氣首先進(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)外會形成壓力差，膜內(nèi)的水蒸氣分子會由內(nèi)向外擴散。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)簡單、可靠性高、輕便小巧、免維修、故障率低、壽命長等特點，但需要進(jìn)行除油處理，而且承載負(fù)荷較小。目前，在我國各大干線機車的制動系統(tǒng)上廣泛使用。
李國民等[14]，利用共混材料制備高分子分離膜的方法，既可以對現(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。
2.5 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。由前置的冷干機對壓縮空氣進(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)到這個效果。采用冷干機作前置預(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[15]。
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，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。
3 壓縮空氣氣水分離裝置研究發(fā)展趨勢
3.1 利用余熱廢熱實現(xiàn)節(jié)能減排
在壓縮空氣干燥設(shè)備領(lǐng)域，能耗大是一個顯著的特點。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新興的發(fā)展方向，充分利用了壓縮機的廢熱，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。
3.2 改進(jìn)配置部件提高運行效率
目前，冷凍式干燥機在設(shè)計與制造上還有不足之處。如壓縮機設(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，壓縮空氣處理量也會隨之變化，換熱器及蒸發(fā)器的換熱系數(shù)也會改變，特別是預(yù)冷器與蒸發(fā)器的傳熱負(fù)荷配比也會發(fā)生變化，因此存在一個優(yōu)化問題[16]。凍干機中蒸發(fā)器捕水的性能，直接影響著整機的性能和制造成本，因此研究捕水器的結(jié)構(gòu)和結(jié)霜特性也非常重要[17]。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。所以提高各個部件的運行效率，減少各種冷量的損耗，在細(xì)節(jié)上改進(jìn)是干燥器的發(fā)展方向之一。
3.3 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)制造中應(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，而無菌工作造價也很昂貴。目前，各種自動進(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[18]，實現(xiàn)凍干機在醫(yī)藥領(lǐng)域中的自動化和無菌生產(chǎn)。同時，提高各部件運行效率，達(dá)到人物隔離要求，也是凍干機在醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)展的方向[19]。
4 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，實現(xiàn)節(jié)能減耗，優(yōu)化配置的部件，提高氣水分離裝置運行的效率。同時，冷干機在制藥工藝流程中的自動化也是發(fā)展方向之一。
