無(wú)熱再生干燥用活性氧化鋁吸附器設(shè)計(jì)

1、廣西輕工業(yè)GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY化工與材料2008年 10月 第 10期 (總第 119期 隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、 工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展 , 對(duì)壓縮空氣的需 求量越來(lái)越大 , 質(zhì)量要求亦越來(lái)越高 , 氣源凈化、 干燥設(shè)備在各 行業(yè)得到廣泛的使用 1, 2。近年來(lái) , 工廠將提高經(jīng)濟(jì)效益作為企 業(yè)生產(chǎn)、 經(jīng)營(yíng)的主要目標(biāo) , 為此 , 正確選擇、 配套、 使用干燥凈化 系統(tǒng) , 已成為工程管理人員關(guān)注的問(wèn)題。無(wú)熱再生干燥器以其體積小、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 安裝使用方便、 氣 體干燥度高的優(yōu)點(diǎn) , 滿足不同地區(qū)、 不同行業(yè)工藝和露點(diǎn)的要 求 (-40 -50 , 深受廣大

2、用戶歡迎 , 是目前用量較大的一種 壓縮空氣干燥凈化設(shè)備3-6。但無(wú)熱再生干燥器再生時(shí)需損耗15%成品氣 , 運(yùn)行費(fèi)用較大。 如何減小再生氣損耗 , 降低運(yùn)行費(fèi)用顯得十分重要 7。為此 , 本文基于進(jìn)氣溫度和壓力參數(shù) , 對(duì)無(wú) 熱再生干燥用活性氧化鋁吸附器的時(shí)間控制工作周期、結(jié)構(gòu)、 壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換再生等進(jìn)行了設(shè)計(jì) , 通過(guò)以溫度、 壓力控制的可編程 序控制器的控制 , 達(dá)到節(jié)能效果和保證干燥的目的。1無(wú)熱再生干燥工作原理利用變壓吸附原理 , 干燥劑在壓力下吸附水份 , 在減壓下解吸水份。 無(wú)熱再生干燥器采用雙罐式 , 干燥罐 A 工作吸附時(shí) , 干燥罐 B 進(jìn)行再生 , 干燥罐 A 、 B 交替工作

3、和再生 , 其無(wú)熱再生 干燥工作原理如圖 1中(1 、 (2 、 (3 、 (4 所示。 圖 1無(wú)熱再生干燥工作原理圖工 作 程 序 為 時(shí) 間 控 制 , 5min 切 換 , 10min 為 一 個(gè) 工 作 周 期。工作程序共分為工作、 再生、 充壓、 均壓、 待再生 5個(gè)過(guò)程。 干燥罐工作時(shí) , 壓力升高 , 空氣中的水蒸汽分壓亦相應(yīng)提高 , 當(dāng) 通過(guò)干燥劑 (活性氧化鋁 床層時(shí) , 被干燥劑吸附 , 使干燥劑表面 水蒸汽分壓逐漸提高 , 達(dá)到平衡 , 這就是吸附工作過(guò)程 , 使壓縮 空氣得到干燥。 干燥罐再生時(shí) , 當(dāng)罐內(nèi)空氣壓力突然降低 , 水蒸 汽的分壓也同樣降低 , 吸附在干燥劑

4、的水蒸汽亦轉(zhuǎn)移到空氣 中 , 再生過(guò)程就是通過(guò)限流孔板 , 控制小部分的干燥氣流 (占處 理量的 15% 膨脹到大氣壓 , 從上而下對(duì)干燥劑進(jìn)行反吹 , 水蒸 汽隨反吹氣流從消音器排到機(jī)外 , 使干燥劑脫附。再生 4min 后 , 排空閥關(guān)閉 , 再生塔通過(guò)限流孔板進(jìn)行充壓 , 使罐內(nèi)壓力上 升 , 與工作罐平衡 , 再生結(jié)束 , 轉(zhuǎn)換到工作吸附。時(shí)間控制工作 周期如表 1所示。表 1無(wú)熱再生干燥的時(shí)間控制工作周期2活性氧化鋁吸附器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1活性氧化鋁吸附劑所需容積計(jì)算數(shù)據(jù) :大氣壓力 P 1為 0.1033MPa , 空壓機(jī)的出口壓力P 2為 0.9033MPa 進(jìn)入干燥罐的空氣流量為

5、30m 3/min ; 進(jìn)入干燥罐的空氣壓力為 0.8MPa ; 進(jìn)入干燥罐的空氣溫度為 40 ; 活性氧化鋁吸水率為 0.24%; 工作周期為 10min 。(1 進(jìn)入干燥罐的空氣所含水分量 GwGw=V d(1式 中 , V 為 加 工 空 氣 量 , m 3/s ; 為 在 大 氣 壓 下 溫 度 為40 時(shí)空氣密度 , =1.13kg/m 3; d 為空氣中所含的飽和水蒸汽量 =0.03kg 水 /kg 干 空 氣 (工 作 溫 度 為 40 , 工 作 壓 強(qiáng) 為0.8MPa 時(shí)飽和水蒸汽量 。(2 吸附水分所需的活性氧化鋁的量 MwMw=Gw /(2式中 , 為活性氧化鋁對(duì)水分的吸

6、收率。 (3 工作一個(gè)周期所需活性氧化鋁的量 MzM z =M w t C(3式中 , t 為工作周期 ; 為備用系數(shù) (本文取 1.4 ; C 為轉(zhuǎn)效【作者簡(jiǎn)介】張玉東 (1967- , 男 , 河南南陽(yáng)人 , 碩士研究生 , 講師 , 從事檢測(cè)、 優(yōu)化建模與智能控制研究。 【基金項(xiàng)目】國(guó)家 “ 985” 工程 汽車先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)資助 無(wú)熱再生干燥用活性氧化鋁吸附器設(shè)計(jì)張玉東1, 2, 李 娟 1, 彭 雨 1, 李光明1(1. 湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 , 湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2. 湖南工程學(xué)院機(jī)械工程系 , 湖南 湘潭 411104【摘要】為了確保無(wú)熱再生干燥器再生氣

7、損耗 , 提高工作效率 , 對(duì)無(wú)熱再生干燥用活性氧化鋁吸附器的時(shí)間控制工作周期、 結(jié)構(gòu)、 壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換再生等進(jìn)行了設(shè)計(jì) , 達(dá)到了無(wú)熱再生干燥器在工況條件變化時(shí)保證氣體干燥的目的和節(jié)能的效果?！娟P(guān)鍵詞】 無(wú)熱再生干燥器 ; 活性氧化鋁 ; 吸附劑 【中圖分類號(hào)】 TQ051【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】 1003-2673(200810-22-02系數(shù) (本文取 4 。(4 活性氧化鋁所需容積V a =M z /a (4 式 中 , a 為 活 性 氧 化 鋁 的 堆 比 重 , 本 文 a =750kg/m 3 2.2回洗流量的計(jì)算R=V21(5 式中 , V 為流入干燥罐的空氣流量 , m 3

8、/s 。2.3吸附器中氣孔直徑氣孔的有效截面積 :S=R2(6 式中 , S 為 mm 2; P 1吸附周期的絕對(duì)壓強(qiáng)氣孔的直徑 D 為 :D=2! (7 經(jīng)計(jì)算 , 吸附器中氣孔直徑 D 為 6.6mm 。3活性氧化鋁吸附器壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換再生設(shè)計(jì)圖 1是裝有活性氧化鋁吸附劑的兩只干燥罐 A 和 B 的工 作原理圖。將 A 、 B 罐用輸氣管串接起來(lái) , 中間設(shè)有減壓閥和取 氣點(diǎn)。 從某個(gè)罐的起端送氣 , 從另一個(gè)罐的末端排氣。 送進(jìn)氣體 的 壓 強(qiáng) 為 0.8MPa , 水 蒸 汽 含 量 為 0.0076MPa 的 分 壓 , 經(jīng) 減 壓 閥后 , 壓強(qiáng)減為 1/8倍 , 由道爾頓分壓定律得知

9、, 水蒸汽的分壓 與混合氣體的壓強(qiáng) (總壓 成比例的變化 , 所以 , 水蒸汽的分壓 相應(yīng)地也減為 1/8倍。交替改變送氣的方向 , 氣體中的水蒸汽 就會(huì)越來(lái)越少。從圖 1(1 來(lái)看 , 從 a 端送以 0.8MPa 的絕對(duì)壓 強(qiáng)和 0.0076MPa 水蒸汽的分壓氣流 , 經(jīng)過(guò)減壓閥氣流的壓強(qiáng) 被減為 0.1MPa , 水蒸汽的分壓相應(yīng)地被減為 0.00095MPa 。經(jīng) 過(guò)一定時(shí)間以后 , 干燥罐 A 和 B 內(nèi)的吸附劑分別與其不同的 水蒸汽分壓達(dá)到吸附平衡 , 即 A 罐內(nèi)活性氧化鋁吸附水蒸汽為 0.0076MPa 的 分 壓 , B 罐 內(nèi) 活 性 氧 化 鋁 解 吸 的 水 蒸 汽

10、為 0.00095MPa 的分壓。 然后進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)換如圖 1(2 所示。 由 b 端送以同樣的壓強(qiáng)和水蒸汽分壓的氣流進(jìn)入干燥罐 B , 由于 B 中的吸附劑含有 0.00095MPa 的分壓 , 所以 B 中的前沿部分 對(duì)帶有 0.0076MPa 的分壓氣流呈現(xiàn)吸附狀態(tài)。隨著氣流的流 動(dòng) , B 中的前沿想流動(dòng)的方向延伸 , 在前沿沒有延伸到 B 的末 端 以 前 從 B 流 出 的 氣 流 壓 強(qiáng) 為 0.8MPa , 水 蒸 汽 的 分 壓 為 0.00095MPa 。該氣流經(jīng)過(guò)減壓閥流入干燥罐 A 時(shí) , 壓強(qiáng)減為 0.1MPa , 水蒸汽的分壓為 0.00012MPa 。這時(shí)由于 A

11、 中吸附劑 的分壓大于氣流的水蒸汽分壓 , 故呈現(xiàn)解吸狀態(tài)。一直達(dá)到與 水蒸汽分壓平衡為止。假如再改變送氣的方向如圖 1(3 所示 , 由 a 端送氣 , 此時(shí) A 中的吸附劑具有 0.000015MPa 的水蒸汽 分壓 , 對(duì)流入的 0.0076MPa 的水蒸汽分壓呈現(xiàn)吸附狀態(tài)。 從 A 流出的氣流在減壓后具有 0.0000018MPa 水蒸汽分壓 , 故又呈 現(xiàn)解吸狀態(tài) , 如此循環(huán)下去 , 交替改變送氣方向 , 隨著轉(zhuǎn)換次數(shù) 的增加氣流中的水蒸汽分壓是按照 8的倍數(shù)遞減的 , 所以循環(huán) 次數(shù)越多 , 水蒸汽的含量就越少 , 氣體就越干燥。4活性氧化鋁吸附器工作過(guò)程設(shè)計(jì)活性氧化鋁吸附器最簡(jiǎn)

12、單形式是由兩只填充著活性氧化 鋁吸附劑的干燥罐及輔助設(shè)備 (兩個(gè)轉(zhuǎn)換電磁閥、 轉(zhuǎn)換閥、 氣孔 等 所組成。其動(dòng)作過(guò)程如圖 2所示。圖 2活性氧化鋁吸附器的動(dòng)作過(guò)程在圖 2中 , 由氣水分離器出來(lái)的壓縮濕空氣 , 從入口進(jìn)去 , 經(jīng)轉(zhuǎn)換電磁閥 1到干燥罐 A , 氣體中的水分子被罐 A 內(nèi)再生好 了的活性氧化鋁吸附而成為干燥的氣體。 干燥的氣體從罐 A 出 來(lái)經(jīng)轉(zhuǎn)換閥由出口送出。與此同時(shí) , 有少部分干燥氣體通過(guò)氣 孔而被減壓 , 進(jìn)一步增加氣體的干燥度 , 然后進(jìn)入干燥罐 B , 對(duì) 罐 B 內(nèi)已完成吸水工作而處于吸濕飽和狀態(tài)的活性氧化鋁進(jìn) 行吹洗再生。從罐 B 內(nèi)出來(lái)的潮氣經(jīng)轉(zhuǎn)換電磁閥 2排

13、到大氣 中。 圖 2(2 表示與相反地動(dòng)作過(guò)程。 罐內(nèi)活性氧化鋁的吸水及 再生 , 每隔一定時(shí)間轉(zhuǎn)換一次 , 如此交替動(dòng)作下去 , 不斷地將干 燥氣體送至儲(chǔ)存罐。 兩只干燥罐的交替動(dòng)作通過(guò)可編程序控制 器的控制轉(zhuǎn)換電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。5結(jié)論活性氧化鋁吸附器是無(wú)熱再生干燥空氣供給設(shè)備的主要 而關(guān)鍵的部件。吸附器循環(huán)工作的好壞 , 直接影響到整個(gè)設(shè)備 的性能和氣體的干燥效果。 進(jìn)行吸附器設(shè)計(jì)的目的是為了在滿 足壓縮空氣干燥度要求的條件下 , 使活性氧化鋁的用量最少 , 其所占地容積最小 , 氣體的干燥度最高 , 做到經(jīng)濟(jì)合理 , 為整個(gè) 設(shè)備輕量化和小型化創(chuàng)造條件。參考文獻(xiàn)(下轉(zhuǎn)第 25頁(yè) (

14、上接第 23頁(yè) 1曹恒武 , 田振山 . 干燥技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用 M. 北京 :中國(guó)石化出版社 , 2003.2潘永康 . 現(xiàn)代干燥技術(shù) M. 北京 :化工出版社 ,1998.3馬士虎 , 余棟高 . 無(wú)熱再生高壓空氣干燥過(guò)濾裝置研究 J. 船舶工程 , 2000, (3 :38-40.4周俊峰 , 穆傳和 . 無(wú)熱再生壓縮空氣干燥裝置改造 J . 流體機(jī)械 ,1994,22 (9 :45-47. 5劉相東 , 余才淵 , 周德仁 . 常用工業(yè)干燥設(shè)備及應(yīng)用 M. 北京 :化工工業(yè) 出版社 ,2004.6化工機(jī)械手冊(cè)編輯委員會(huì) . 化工機(jī)械手冊(cè) -蒸發(fā)器、 結(jié)晶器、 干燥器 M. 北京 :化學(xué)工

15、業(yè)出版社 ,1991.7于才淵 , 王寶和 , 王喜中 . 干燥裝置設(shè)計(jì)手冊(cè) M. 北京 :化工工業(yè)出版 社 ,2005.上述檢驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求、 試驗(yàn)方法 , 配制符合 燃?xì)庠钍褂玫貐^(qū)華白數(shù)、 燃燒勢(shì)要求的氣源 , 就可以進(jìn)行灶具 檢驗(yàn)了。但由于灶具設(shè)計(jì)及裝配原因 , 檢驗(yàn)結(jié)果可能導(dǎo)致有不 合格的項(xiàng)目 , 甚至?xí)霈F(xiàn)整臺(tái)燃?xì)庠畈缓细?。例?:煙氣中 CO 超標(biāo)因?yàn)閷?A 類項(xiàng)目 ( 對(duì)使用、 維修或保管產(chǎn)品的人有危 害或不安全、 以及對(duì)重要產(chǎn)品的基本功能有致命影響的缺陷為 A 類不合格。 , 僅一項(xiàng)就會(huì)使整臺(tái)燃?xì)庠畈缓细?, 會(huì)影響使用 性能 , 容易造成 CO 中毒等人身安全問(wèn)題。

16、(2 煙氣中一氧化碳濃度與熱效率和熱流量關(guān)系及問(wèn)題 分析燃?xì)庠钤跈z驗(yàn)中一氧化碳、熱效率和熱流量存在問(wèn)題較 多 , 而且彼此影響 , 相互制約。 有關(guān)內(nèi)容列出圖表便于對(duì)應(yīng)分析 參考 :從測(cè)試結(jié)果 (表 1 可以看出一些設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對(duì)熱效 率、 一氧化碳濃度帶來(lái)的影響。表 1燃?xì)鈳追N參數(shù)的變化對(duì)燃燒狀態(tài)的影響的測(cè)試4質(zhì)量改進(jìn)下面舉出設(shè)計(jì)燃?xì)庠疃ㄐ透倪M(jìn)實(shí)驗(yàn)典型實(shí)例進(jìn)行分析 :實(shí)例 :某燃具廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的天然氣嵌入灶 , 外環(huán)采用旋流 型 條 形 火 孔 銅 火 蓋 , 火 孔 深 度 6mm 、 火 孔 寬 度 1mm 、 長(zhǎng) 度 22mm 、火孔個(gè)數(shù) 18, 角 26、 角 12、 角 12、 火

17、 蓋 外 經(jīng) 108mm , 內(nèi)環(huán)采用直火型火蓋、 火蓋外經(jīng) 28mm , 火孔 2.5mm 、 火孔個(gè)數(shù) 14, 下排 8個(gè)、 上排 6個(gè) , 額定熱流量 3.8kW , 鍋架至 火蓋距離 D=20mm , 噴嘴頭部伸人引射器吸氣口 2mm 、無(wú)側(cè) 孔 ; 按當(dāng)?shù)貧庠磁錃?W=52.5kW 、 Cp=41, 測(cè)試結(jié)果 :熱流量 3.7kW 、 熱 效 率 52.2%、 C0=850×10-6,O 2=8.0%, CO (=1 =0.135%; 改進(jìn)目標(biāo) :熱效率 51%、 CO (=1 0.04%、 熱流量偏 差 ±6%。改進(jìn)實(shí)驗(yàn) :分析 :將灶具的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與 燃?xì)庠O(shè)計(jì)手

18、冊(cè) 設(shè)計(jì)參數(shù)比較 ; a 、 若偏差大 , 對(duì)灶具中不符合要求的部件參考 表 1進(jìn)行改進(jìn)后試驗(yàn) ; b 、 若偏差符合要求 , 試驗(yàn)順序按鍋架 噴嘴 火蓋 燃燒器殼的排序改進(jìn)試驗(yàn)。 本臺(tái)灶具實(shí)測(cè)參數(shù)偏 差符合 燃?xì)庠O(shè)計(jì)手冊(cè) 設(shè)計(jì)參數(shù)要求 , 實(shí)測(cè) CO 高 , O 2偏低 , 熱 效 率 高 出 目 標(biāo) 1.2%, 按 公 式 2計(jì) 算 鍋 架 DYT 臨 嵌 =24.8mm>D=20mm 因 鍋 架 低 , 二 次 空 氣 量 較 小 , 參 考 鍋 架 DYT 臨嵌計(jì)算結(jié)果和表 1分析的 CO 升高原因 , 鍋架高度改為 25mm 。試驗(yàn) :風(fēng)門調(diào)至較佳位置 , 測(cè)試結(jié)果為熱效率 5

19、2.6%、 C0=385×10-6,O 2=9.0%,CO (=1 =0.067%; 熱流量不變。改進(jìn)試驗(yàn) :分析 :根據(jù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn) 1測(cè)試結(jié)果看出 , 二次空 氣有所增加 , CO 比改進(jìn)前減少了 50%多 , 但還不符合標(biāo)準(zhǔn)要 求 , 對(duì)照表 1分析 , 估計(jì)一次空氣量不夠 , 氣體混合不均勻 , 噴 嘴 改 為 帶 側(cè) 孔 6個(gè) , 孔 徑 2.6mm , 噴 孔 不 變 ; 噴 嘴 進(jìn) 入 吸 氣 口 5mm 。 此設(shè)計(jì)增加了噴孔至喉部距離 , 使一次空氣量增大 , 氣體 混合均勻。試驗(yàn) :風(fēng)門調(diào)至較佳位置 , 熱流量不變 , CO=150×10-6, O 2=9.1%, CO (=1 =0.026%; 熱效率 53.0%, 由于改進(jìn)了燃 燒器進(jìn)風(fēng)量設(shè)計(jì) , 達(dá)到了改