張思平，馬士虎，謝江輝，汪正清，張德滿

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢430064)

變壓吸附是一種利用吸附劑在高壓下吸附能力強(qiáng)、低壓下吸附能力弱的特點(diǎn)進(jìn)行氣體分離的技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于壓縮空氣凈化領(lǐng)域。依據(jù)該原理設(shè)計(jì)的無熱再生吸附式干燥過濾器具有循環(huán)周期短、產(chǎn)氣快、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其解析氣由自身的成品氣節(jié)流減壓來提供，當(dāng)工作壓力越高其解析氣耗越小，在干燥高壓壓縮空氣領(lǐng)域成為設(shè)備首選，活性氧化鋁則是一種常用的吸附劑。

活性氧化鋁作為一種干燥劑，很多學(xué)者對(duì)其性能作了實(shí)驗(yàn)研究。蔣宗傳等［1］采用了活性氧化鋁和分子篩作為組合式吸附床，對(duì)0.7 MPa壓縮空氣進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)干燥后壓縮空氣露點(diǎn)為-45℃～-60℃; REGE等［2］對(duì)活性氧化鋁和13X分子篩在0.7 MPa下的等溫吸附曲線進(jìn)行了測(cè)定，他們還測(cè)定了分子篩與活性氧化鋁組合床的等溫吸附曲線。但是針對(duì)活性氧化鋁在高壓環(huán)境下吸附性能的研究工作相對(duì)較少。

作者將對(duì)活性氧化鋁在高壓、較長(zhǎng)吸附周期下的干燥性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，著重對(duì)干燥劑在高壓環(huán)境下的露點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與過程

活性氧化鋁吸附高壓空氣中的水蒸氣屬于物理吸附，這種吸附通常只發(fā)生在固體表面1個(gè)到幾個(gè)分子直徑的厚度區(qū)域，單位面積固體表面所能吸附的氣量非常少，所以一般的吸附劑都具有較大的比表面積。物理吸附進(jìn)行時(shí)，吸附量的大小與吸附劑及被吸附物質(zhì)的性質(zhì)、溫度、壓力等因素有關(guān)，關(guān)系非常復(fù)雜。但是通常在同一溫度下，吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，也就是說加壓有利于吸附過程的進(jìn)行，降壓有利于吸附過程解析的進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)的原理就是利用吸附劑的變壓吸附原理來測(cè)定活性氧化鋁在高壓空氣下的露點(diǎn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由高壓吸附系統(tǒng)、穩(wěn)壓控制系統(tǒng)、低壓解析系統(tǒng)和露點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置連接原理圖

高壓吸附系統(tǒng)包括40 MPa空壓機(jī)、油水分離器、除塵過濾器、除油過濾器和干燥塔?？諌簷C(jī)額定工作壓力為40 MPa，排量為2.3 m3/min;除塵過濾器和除油過濾器用于除去高壓空氣中的雜質(zhì)，以防止污染干燥塔中的活性氧化鋁;干燥塔中填裝有上海恒業(yè)生產(chǎn)的活性氧化鋁，形成的吸附柱尺寸為φ140 mm× 700 mm，比表面不小于300×103m2/kg，堆積密度ρ為700 kg/m3，干燥塔是吸附高壓空氣中水蒸氣的核心器件。

穩(wěn)壓控制系統(tǒng)主要由氣瓶、高壓壓力表、截止閥和消音器組成。氣瓶的容積為50 L，工作壓力40 MPa，主要起到緩沖和穩(wěn)壓的作用;壓力表可指示出干燥塔工作的壓力;消音器的作用在于降低排氣噪聲。當(dāng)空壓機(jī)不斷向氣瓶中充氣的時(shí)候，壓力不斷增大，當(dāng)需要穩(wěn)定在一定壓力之時(shí)，打開手動(dòng)截止閥6調(diào)節(jié)開度，多余的氣體通過消音器排向大氣，保持壓力表示數(shù)不變即可保證干燥塔工作壓力在需要的范圍內(nèi)。

低壓解析系統(tǒng)主要由0.5 MPa的干燥氮?dú)庠?、截止閥和消音器構(gòu)成。0.5 MPa的干燥氮?dú)庥?0 MPa壓縮氮?dú)夤?jié)流減壓提供。

露點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)主要由減壓閥、壓力表和露點(diǎn)在線檢測(cè)儀構(gòu)成。減壓閥1進(jìn)口壓力35 MPa，出口壓力0.2～2 MPa，流量0.01 kg/s;減壓閥2進(jìn)口壓力小于1.5 MPa，出口壓力0.1～0.7 MPa，流量為0.01 kg/s;露點(diǎn)檢測(cè)儀使用的是上海安銳儀器公司生產(chǎn)的PDMI612A型工業(yè)用在線露點(diǎn)檢測(cè)儀，測(cè)量范圍-80～+20℃，精度±3℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

按照下列步驟進(jìn)行操作，完成5、20和40 MPa的露點(diǎn)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)高壓吸附階段。打開閥1、閥3、閥4，關(guān)閉閥2、閥5、閥6，啟動(dòng)壓縮機(jī)，等待氣瓶壓力升高至測(cè)定壓力值，打開閥6，調(diào)節(jié)閥6使高壓壓力表指示值達(dá)到5 MPa，每隔10 min記錄一次露點(diǎn)儀的數(shù)據(jù)，單次吸附周期為60 min。

(2)低壓解析階段。關(guān)閉空壓機(jī)，泄放干燥塔和氣瓶中的壓縮空氣，然后關(guān)閉閥1、閥3、閥4，打開閥2和閥5，使用干燥的0.5 MPa氮?dú)鈱?duì)干燥塔中的活性氧化鋁進(jìn)行吹掃，共計(jì)20 min。

(3)在高壓吸附的過程中，每隔10min左右，需要對(duì)油水分離器、除塵過濾器和除油過濾器進(jìn)行吹除，吹除過程中導(dǎo)致系統(tǒng)壓力降低，此段時(shí)間需要關(guān)閉閥6讓系統(tǒng)壓力升高至設(shè)定壓力，達(dá)到設(shè)定壓力之后，調(diào)節(jié)閥6保持系統(tǒng)壓力。

(4)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，分別完成5、20和35 MPa干燥塔后的露點(diǎn)測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果

40 MPa空壓機(jī)房溫度為22℃，濕度50%，解析氣露點(diǎn)為-43.2℃，不同壓力下的露點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同壓力下的露點(diǎn)數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

影響吸附式干燥器出口露點(diǎn)的因素有很多，處理氣的壓力是核心因素之一。壓縮空氣的壓力越高，其飽和含水量越高，隨著吸附時(shí)間的增加吸附劑趨于飽和，處理氣露點(diǎn)升高;另一方面，單位時(shí)間里流過干燥器的容積流量一定時(shí)，壓力越小流速越快，兩項(xiàng)接觸的時(shí)間變短，也會(huì)使出口氣的露點(diǎn)升高。

在幾種實(shí)驗(yàn)壓力下，工作壓力為5 MPa時(shí)，壓縮空氣的含水量最大，1小時(shí)中，壓縮空氣中的最大含水量Gs:

式中:m為處理空氣的質(zhì)量，151.5 kg;

d0為5 MPa下20℃時(shí)壓縮空氣的飽和含水量，5×10-4kg/kg。

所以，5 MPa壓縮空氣最大含水量Gs=0.076 kg。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］可知:7.5 kg吸附劑活性氧化鋁動(dòng)態(tài)吸水量取2%，其理論吸水量G=0.15 kg。

由上可知，G＞Gs，所以吸附劑在處理5 MPa空氣時(shí)還有未飽和區(qū)，20 MPa和35 MPa的空氣含水量更少，所以實(shí)驗(yàn)表格中的數(shù)據(jù)可作為反映活性氧化鋁極限露點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)中，前10 min系統(tǒng)需要升壓至所需壓力值，同時(shí)露點(diǎn)儀采樣管路中存有殘余空氣，露點(diǎn)儀檢測(cè)到的數(shù)據(jù)值誤差較大，所以該數(shù)據(jù)不作為數(shù)據(jù)處理用。

圖3 不同壓力下的露點(diǎn)曲線

從圖3中不同壓力下的露點(diǎn)曲線可以看出:活性氧化鋁在5 MPa時(shí)的露點(diǎn)平均值約為-41℃，露點(diǎn)最高為-40.5℃，露點(diǎn)最低值為-42℃;在20 MPa時(shí)露點(diǎn)平均值為-45℃，露點(diǎn)最高為-41.7℃，露點(diǎn)最低值為-48℃;35 MPa下，40 min時(shí)露點(diǎn)達(dá)到-57.5℃，40 MPa下露點(diǎn)可達(dá)到-60℃。從而可以得出，隨著壓縮空氣的壓力提高，活性氧化鋁處理后的壓縮空氣露點(diǎn)降低;同時(shí)，3種不同壓力下的露點(diǎn)值均隨著吸附時(shí)間的增長(zhǎng)，露點(diǎn)值趨向降低。

從以上數(shù)據(jù)分析中可以看出:在不同壓力下，隨著吸附時(shí)間的增長(zhǎng)，露點(diǎn)值有略微降低的趨勢(shì)。該結(jié)論與隨著吸附時(shí)間周期的增長(zhǎng)露點(diǎn)值升高相矛盾。致使該結(jié)果的原因可能是由于每隔10 min系統(tǒng)中的過濾器需要排污，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力降低，系統(tǒng)升壓后露點(diǎn)儀檢測(cè)到的數(shù)據(jù)伴有延遲，導(dǎo)致露點(diǎn)儀波動(dòng)產(chǎn)生誤差;另一個(gè)原因則可能是減壓管路中的壓縮氣壓力巨大，露點(diǎn)儀檢測(cè)的是減壓后的空氣，管路中的壓縮氣全部更新替換一次需要較長(zhǎng)的時(shí)間，所以隨著時(shí)間的延長(zhǎng)檢測(cè)到的露點(diǎn)值降低。

3 結(jié)論

作者主要通過實(shí)驗(yàn)對(duì)高壓下的活性氧化鋁的極限露點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)定，得出了以下結(jié)論:

(1)活性氧化鋁在5 MPa的工作壓力下，其露點(diǎn)值可以達(dá)到-40℃以下;

(2)隨著壓力的增大，活性氧化鋁的干燥性能越顯突出，在35 MPa以上時(shí)，其處理氣常壓露點(diǎn)可達(dá)-55℃以下，40 MPa可以達(dá)到-60℃;

(3)在高壓干燥設(shè)備中采用在線露點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，該數(shù)據(jù)與實(shí)際露點(diǎn)值存在較大的延時(shí)。

【1】蔣宗傳，陳信果.微熱再生壓縮空氣干燥器的研究［J］.流體機(jī)械，1995，23(9):13-16.

【2】REGE Salil U，YANG Ralph T，QIAN Kangyi，et al.Buzanowski.Air-prepurification by Pressure Swing Adsorption Using Single/Layered Beds［J］.Chemical Engineering Science，2001，56(8):2745-2759.

【3】張思平，馬士虎，謝江輝.高壓微熱再生吸附式干燥器的設(shè)計(jì)研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2012(10):55-58.

【4】近藤精一，石川達(dá)雄，安部郁夫.吸附科學(xué)［M］.李國(guó)希，譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

【5】李申.壓縮空氣凈化原理及設(shè)備［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2005.

【6】李季明，譚躍進(jìn).13X型分子篩用于高壓空氣干燥時(shí)吸附極限露點(diǎn)的測(cè)定［J］.流體機(jī)械，2002，30(1):8-10.

【7】李大明.高壓干燥器再生方式選擇與應(yīng)用［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2007(5):34-35.

【8】李申.吸附式干燥器系列講座:第三講:吸附式干燥器露點(diǎn)研究［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2002(3):21-25.