高压干燥器再生方式选择与应用

 引  言：压缩空气/气体依其压力等级分为低压(＜1.6Mpa)，中压(≥1.6Mpa~10MPa)高压(≥10.0MPa~42.0MPa)；吸附式干燥器根据其再生方式分为无热、微热、外加热和压缩热；干燥器按额定处理气量分为小型(＜10m³/min)，中型(≥10m³/min~60m³/min)和大型(≥60m³/min)。压缩空气类低压干燥器：小型机多为无热再生式，中大型多采用外加热，与大型透平压缩机配套则优先采用压缩热，微热型在国外已基本淘汰。中压吸附式干燥器多为中小型，一般亦采用无热再生式。本文主要针对高压气体(≥10MPa~42MPa)的特性和高压干燥器的结构特点对其再生方式的选择与应用进行分析讨论。
1、吸附剂基本特性：
1.1表面吸附与深度吸附，相对应的吸附干燥器型式为无热和有热，前者吸附周期为5~10分钟，后者则可达4~8小时，甚至更长时间。
1.2吸附放热、解析吸热，无热再生又称自热再生，正是利用了吸附热，再生时间一般限制在十分钟内。
1.3常温吸附，高温脱附，有热再生式即利用这一原理。
1.4高分压吸附，低分压脱附，无热再生式则利用这一原理，中高压更适合此机理。
1.5大多数吸附式干燥器同时利用了这两种机理，只不过是以一种为主，一种为辅而已。
2、高压干燥器工作特点：
2.1焦耳-汤姆逊效应：
当压缩气体通过小孔绝热节流时，大多数气体会随着压力下降，温度亦成比例降低。
如表1所示：气体温度为40℃，小孔后背压为大气，介质分别为压缩空气、天然气（CH₄100%）和二氧化碳：

介质	空  气			CH4		CO2
压力MPa	0.8	25	40	0.8	15	0.8	15
温度℃	38.2	-1.2	-8.6	36.7	-19.1	33	-87.8
温降℃	1.8	41.2	48.6	3.3	59.1	7	127.8

 
为了便于记忆，可简单归纳为：压缩空气平均压力每降低1bar，温度下降0.1~0.2℃；天然气0.3~0.4℃；CO₂则为0.8℃左右。当小孔两端压差不大时，温度变化对吸附剂床层温度影响不大，空气甚至可以忽略不计。但当压力级别为高压、气体为非空气时则应小心对待焦-汤效应，否则不仅会引起床层温度大幅度降低，还有可能对工艺和设备产生重大影响或危害。
2.2吸附剂装填量对高压筒体重量的影响：（如表2所示）
高压干燥器筒体属于厚壁容器，其重量与容纳的吸附剂重量之比远大于低压干燥器。

型 号	3/8	6/8	12/8	3/350	6/350	8/350
筒体重量Kg	44.7	65	120	55.7	97	145
吸附剂装填量Kg	50	81.8	164	3.33	8.4	11.2
筒体/吸附剂	0.9	0.76	0.73	16.7	11.55	12.9

 
从设备重量角度考虑，高压空气干燥器应尽可能选用无热再生，若采用有热再生，也应尽量选用较短周期如4~6h，除非特殊需要可选择8h、甚至16h以上吸附周期，但设备将会过于庞大笨重。
2.3高压微加热再生的不同意义：
低压干燥器采用微热侧重减少成品气损耗量，而高压干燥器采用微热再生主要为了解决焦-汤效应的负面影响，其次可延长吸附周期30~50%，甚至更长，如此可进一步降低吸附剂粉化风险和减少频繁卸压排放气体量。此外，采取真正意义上的90℃微加热再生气，可避免阀门在高压、高温重叠工况下工作寿命缩短现象。
2.4吸附剂粉化：
    高压干燥器在两塔切换、开停机瞬间以及偏离设计压力（最高工作压力）下的长期低压运行时，极有可能产生几十倍甚至几百倍设计流速的低压大流量气流，此高速气流的冲击力会使吸附剂产生挤压、碰撞、切割，导致迅速破碎粉化。提高吸附剂强度，设置压紧机构，加强后置粉尘过滤器等措施有可能缓减高速气流影响，但不能从根本上杜绝粉化现象。通常从吸附剂装填量（或吸附罐体容积）角度考虑高压空气干燥器处理气量在3m³/min下采用无热再生，介于3m³/min至10m³/min时，可考虑采用无热再生的改良型—微加热；10m³/min以上的大型机一般采用有热再生，但无论大小型号和再生方式，都必须从程序设置、设备结构、系统配置、操作方法等多方面采取有效措施、防止高速气流对吸附剂的粉化作用。设计、操作良好的高压干燥器，吸附剂寿命可接近低压干燥器（2~3年），间断运行时甚至可达到5年以上。
3、高压干燥器再生方式经济技术比较：
针对高压气体的特性和高压干燥器的结构特点，选择合适的再生方式以适应现场工况和满足工艺要求。
无热再生：适用于机动性强的车载、船载等撬装移动式和要求快速产气（仅需20分钟即可出合格产品气）场合；小排量、断续供气工况优选。
微热再生：针对无热再生，增加一小型加热器对再生气体预热，可进一步降低再生气消耗和有效改善焦-汤效应的负面影响，工作压力大于25MPa时应优先采用微加热。
闭式有热再生（见图1）：不同于低压干燥器的鼓风外加热式，是从自身系统中抽取部分产品气减压后用于再生和吹冷的加热再生方式，适用于固定场合和连续开机工况。（再生阶段可能长达4~10h，期间不能间断）。再生后的湿气返回压缩机进口（工艺气）或排空（空气）。

图1    闭式有热再生工艺流程图
开式有热再生（见图2）：主要应用于工艺气体如H₂、CO₂等，再生气采用其它气体

图2    开式有热再生工艺流程图           
如N₂、本系统副产气、废气等。加热器宜可选用蒸汽、废热燃气等型式，适应大型设备和各种压力级别工艺系统，再生后的湿气排空或回收利用。
闭式循环有热再生（见图3）：再生气为同一工质气体加压循环，适用于非压缩空气的中低压工艺气体如CNG、H₂、CO₂等，若用于高压，再生时需将压力卸放至中低压。
 

图3     闭式循环有热再生工艺流程图
 
综上所述，列表归纳如下：

特 点 再生方式	体积	吸附 周期	流量 m3/min	压力 MPa	系数复杂性	适应工质	价格
无热再生	小	5~10′	0.5~3	0.8~35	简单	空气	低
微热再生	较小	10~20′	3~10	0.4~42	较简单	空气	较低
闭式有热再生	大	4~16h	＞10	0.4~35	较复杂	工艺气/空气	较高
开式有热再生	大	4~16h	＞10	0.4~35	较复杂	工艺气	较高
闭式循环有热再生	大	4~16h	＞10	0.2~6.4	复杂	工艺气	高

 
注：吸附周期对等再生周期，即设备初次开机或长期停用再开机时供出合格气体的必要准备时间。该参数对设备的体积重量和快速供气能力有重大影响。