硅膠的搭配應(yīng)用技術(shù)

賈厚林，周強(qiáng)，張校瑜，劉榮福，莊春龍

（中國航發(fā)渦輪院，四川江油621703）

硅膠的搭配應(yīng)用技術(shù)

賈厚林，周強(qiáng)，張校瑜，劉榮福，莊春龍

（中國航發(fā)渦輪院，四川江油621703）

參考已有的某硅膠搭配使用方案，分析硅膠干燥劑搭配應(yīng)用技術(shù)，探討類似空氣干燥器硅膠吸附劑的合理優(yōu)化應(yīng)用。

硅膠；壓縮空氣；搭配方案

0 引言

常用的吸附劑種類有很多，如硅膠干燥劑、黏土干燥劑、分子篩等。壓縮空氣一般采用硅膠和分子篩作為干燥劑。早在六七十年代，工業(yè)上均采用單一種類的普通硅膠作為干燥劑，隨著科技的發(fā)展和對設(shè)備要求的提高，無論是硅膠使用周期還是使用壽命已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。研究硅膠搭配應(yīng)用技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用效果，為在實(shí)際的干燥過程中硅膠的搭配應(yīng)用技術(shù)提供依據(jù)。

1 硅膠介紹

隨著科研任務(wù)對干燥氣要求的不斷提高，以往單一硅膠的使用方案已經(jīng)無法滿足如今科研發(fā)展的需求。通過與專業(yè)廠家的溝通，大部分用戶一般采用2種甚至是2種以上的硅膠混搭填裝方案，充分發(fā)揮硅膠性能，降低使用成本和提高使用效益。

目前干燥系統(tǒng)采用的硅膠吸附劑為FNG-Ⅰ型球形粗孔硅膠與FNG-Ⅰ型球形細(xì)孔硅膠混搭填裝，填裝比例G粗∶G細(xì)=1∶1。FNG-Ⅰ型硅膠為耐水硅膠，遇水不炸裂率≥95%(普通硅膠為75%)，粉塵大大降低，使用壽命長，但其吸濕性能要略差普通硅膠。通過使用情況來看，采用FNG-Ⅰ型硅膠混搭使用后，相比之前的普通硅膠，其使用周期和使用壽命均得到了很大的改善。

2 硅膠特性

硅膠是一種高活性可再生的固體吸附劑，是由硅酸溶液凝結(jié)而成的人造含水硅石，具有高微孔結(jié)構(gòu)。因硅膠高微孔結(jié)構(gòu)，有著巨大的比表面積，依靠吸附作用來除去潮濕氣體中的水分子，即通過固體表面的質(zhì)點(diǎn)與氣體中的水分子發(fā)生相互吸引力而將其吸附在硅膠表面上，達(dá)到某種程度的干燥效果。根據(jù)硅膠孔徑的大小分為普通粗孔硅膠、普通細(xì)孔硅膠。為改善硅膠得耐水性能，對普通硅膠進(jìn)一步加工，可制成非均質(zhì)耐水硅膠。

普通粗孔硅膠，優(yōu)點(diǎn)是吸水性好，吸水容量大、吸水速度快。在相對濕度較大、絕對含濕量較大的條件下，其吸附性能好，超過普通細(xì)孔硅膠。缺點(diǎn)是遇液態(tài)水，容易產(chǎn)生裂紋。

普通細(xì)孔硅膠，優(yōu)點(diǎn)仍然是吸水性好，吸水容量大、吸水速度快。在相對濕度較小、絕對含濕量較小的條件下，其吸附性能比粗孔硅膠好。

耐水硅膠為白色或灰色多微孔球形顆粒，是以通用硅膠為原料經(jīng)過進(jìn)一步加工制成的非均質(zhì)成形硅膠。除具有普通工業(yè)硅膠高微孔結(jié)構(gòu)，還具有不溶于水和無機(jī)酸、機(jī)械強(qiáng)度高等特性。

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 硅膠填充規(guī)格與方案

所用硅膠來自青島海洋化工有限公司，分為粗孔與細(xì)孔2種硅膠，均為FNG-Ⅰ型硅膠，外觀顏色為灰白色。粗孔硅膠在較高的相對濕度條件下，對水蒸氣有很強(qiáng)的吸附能力，而細(xì)孔硅膠則是在較低的相對濕度條件下，對水蒸氣有著很強(qiáng)的吸附能力。因此，2種硅膠搭配使用，能夠很好地發(fā)揮硅膠的吸附性能，并且節(jié)省使用成本。某組干燥器硅膠填充參數(shù)見表1，干燥器壓縮空氣空塔流速0.53 m/s，壓縮空氣量6.63 kg/s×2；工作壓力700 kPa；工作溫度298 K。壓縮空氣吸附干燥流程示意圖見圖1。

表1 填充規(guī)格kg

圖1 壓縮空氣吸附干燥流程示意圖

3.2 計(jì)算思路

（1）將2種硅膠看作為連續(xù)均勻介質(zhì)，其物理參數(shù)不隨吸附量及溫度的變化而變化。

（2）將壓縮空氣分為干燥空氣與水蒸氣2部分，忽略各組分分壓力對計(jì)算的影響。

（3）全程壓力損失忽略。

（4）不考慮溫度梯度與濃度梯度。

3.3 硅膠使用時(shí)間

查表得298 K下，水蒸氣飽和蒸汽壓為Ps=3.169 kPa，則700 kPa和298 K下，壓縮空氣中飽和水蒸氣量為H，H=0.622 Ps（P-Ps）=2.83 g/kg(干空氣)。壓縮空氣攜帶的水蒸氣量G水，G水=G氣×H=135 kg/h。

細(xì)孔硅膠對水蒸氣的動(dòng)吸附量按12%設(shè)計(jì)，粗孔硅膠對水蒸氣的動(dòng)吸附量按28%設(shè)計(jì)，假設(shè)硅膠再生后吸附能力下降，備用系數(shù)設(shè)定為10%，則硅膠使用時(shí)間T=[（G粗孔×28%+G細(xì)孔× 12%）/G水]×90%≈15 h。

3.4 干燥器設(shè)計(jì)驗(yàn)算

粗孔硅膠與細(xì)孔硅膠在不同的環(huán)境下對水蒸氣的吸附能力有一定的差別，在相對濕度較大、絕對含濕量較大的條件下，粗孔硅膠對水蒸氣的吸附能力要遠(yuǎn)好于細(xì)孔硅膠，而細(xì)孔硅膠主要是在相對濕度較小、絕對含濕量較小的條件下，其吸附性能比粗孔硅膠好。因此，合理的選擇粗孔硅膠與細(xì)孔硅膠的比例就能充分發(fā)揮硅膠的作用。

通過查閱相關(guān)資料，粗孔硅膠在相對濕度＜20%時(shí)，其吸附量就會(huì)低于細(xì)孔硅膠，這里假設(shè)相對濕度20%作為分界點(diǎn)。那么細(xì)孔硅膠在相對濕度20%時(shí)，其吸附量約為7%。例如，硅膠設(shè)計(jì)使用時(shí)間設(shè)計(jì)為8.5 h，粗孔硅膠動(dòng)吸附量取28%，細(xì)孔硅膠動(dòng)吸附量按7%（相對濕度20%）,假設(shè)硅膠再生后吸附能力下降,備用系數(shù)設(shè)為10%。80%的水分由粗孔硅膠吸收，吸收量G80%水=G水×15×0.8=1620 kg；細(xì)孔硅膠需吸濕的水蒸氣量G20%水= G水×15×0.2=405 kg；粗孔硅膠理論需求量G粗硅膠=G80%水/（0.28× 0.9）=6427 kg；細(xì)孔硅膠理論需求量G細(xì)硅膠=G20%水/（0.07×0.9）= 6427 kg。通過計(jì)算，2臺(tái)硅膠罐需填充的粗孔硅膠與細(xì)孔硅膠總量為12 854 kg，總重量比例G粗∶G細(xì)=1∶1。

4 結(jié)論

在硅膠用作壓縮空氣干燥時(shí)，需依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂虻慕^對含濕量與相對濕度進(jìn)行選擇。一般含濕量較大，相對濕度較高的情況下選擇粗孔硅膠，反之則選擇細(xì)孔硅膠。壓縮空氣在通過硅膠層時(shí)，其濕度與相對濕度均發(fā)生了變化，而相應(yīng)的硅膠吸附量也會(huì)隨之降低，因此計(jì)算的值要偏大于實(shí)際值。實(shí)際的使用情況與理論計(jì)算也基本吻合，可以作為硅膠搭配在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)計(jì)算的參考依據(jù)。

[1]壓縮空氣干燥與凈化設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]工程熱力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社,1981.

[3]中國航空材料手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

〔編輯 利文〕

TQ333.93

B

10.16621/j.cnki.issn.1001-0599.2017.02.31