微熱再生吸附系統(tǒng)性能優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究

楊鵬 郭帥帥 賀素艷 趙有信 馬永志

摘要：? 針對(duì)微熱再生吸附系統(tǒng)吸附周期切換時(shí)吹冷時(shí)間不足，塔內(nèi)吸附劑溫度得不到及時(shí)冷卻，導(dǎo)致在吸附工作壓力不變的情況下吸附性能下降及出口露點(diǎn)溫度波動(dòng)較大的問題，本文利用溫度采集儀對(duì)吸附塔塔壁溫度進(jìn)行監(jiān)測，在出口處布置露點(diǎn)儀對(duì)成品氣露點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測。測量結(jié)果表明，保持加熱時(shí)間和加熱溫度不變，延長600～900 s的吹冷時(shí)間，能夠有效降低露點(diǎn)溫度的波動(dòng);保持吹冷時(shí)間不變，降低加熱溫度并減少加熱時(shí)間，能夠減小最低和最高空氣露點(diǎn)溫度的差值。研究結(jié)果表明，出口空氣露點(diǎn)溫度波動(dòng)是由于吸附塔切換時(shí)塔內(nèi)吸附劑的溫度過高，因此降低兩吸附塔切換時(shí)的吸附劑的溫度可以提高吸附劑的工作性能。該研究在固體吸附干燥領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：? 微熱再生; 固體吸附; 露點(diǎn)溫度; 性能優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TK124; TQ051.892文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

作者簡介：? 楊鵬（1995-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹评浼暗蜏丶夹g(shù)。

通信作者：? 賀素艷（1967-），女，副教授，主要研究方向?yàn)橹评浼暗蜏毓こ讨械臒崃W(xué)問題。 Email： 743702960@qq.com

空氣中的水分含量過高導(dǎo)致金屬表面易結(jié)霜結(jié)露，從而對(duì)工業(yè)制造帶來許多負(fù)面影響[1]，因此精密儀表加工業(yè)以及全自動(dòng)化加工業(yè)要求在干燥環(huán)境下進(jìn)行[2]。在工業(yè)生產(chǎn)中，常用的空氣干燥方法有化學(xué)法、冷凍法和吸附法[34]。通常情況下，當(dāng)壓力露點(diǎn)溫度在-70 ℃以下，依靠單一的工藝很難得到干燥空氣，通常需要幾種干燥工藝的組合使用[5]，現(xiàn)常見的干燥工藝主要有冷凍除濕法和固體吸附法。冷凍除濕法由于受到設(shè)備的限制，在常壓下，其出口空氣露點(diǎn)溫度一般在2～10 ℃左右[6];固體吸附法是利用固體干燥劑對(duì)水分子的吸附作用除去空氣中的水分，該方法可連續(xù)獲得較低的空氣露點(diǎn)溫度，并且吸附設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，吸附劑可循環(huán)再生使用等[7]。近年來，冷凍除濕和吸附除濕結(jié)合起來的冷凍-吸附聯(lián)合除濕法在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用[8]。該工藝先利用冷凍除濕除去壓縮空氣中的大部分水分，然后再利用固體吸附除濕對(duì)空氣進(jìn)行進(jìn)一步干燥。組合系統(tǒng)中的微熱再生干燥技術(shù)因?yàn)榻Y(jié)合了加熱再生和無熱再生干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，其吸附原理包含了變壓吸附和變溫吸附[911]，逐漸在氣體干燥工業(yè)中占據(jù)重要地位，但吸附劑的吸附效率會(huì)隨著工作環(huán)境溫度的變化而變化，溫度升高，吸附效率降低[1215]?；诖?，本文對(duì)聯(lián)合除濕系統(tǒng)中的微熱再生干燥系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化研究，利用溫度采集儀對(duì)吸附塔塔壁溫度及出口成品氣露點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測。研究結(jié)果表明，降低兩吸附塔切換時(shí)的吸附劑溫度能夠提高出口空氣露點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性。該研究對(duì)提升系統(tǒng)性能具有積極意義，在固體吸附干燥領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1微熱吸附干燥系統(tǒng)

微熱吸附干燥系統(tǒng)的工作流程圖如圖1所示。圖1中，經(jīng)過冷凍除濕處理的壓力為0.3 MPa，溫度為12 ℃，露點(diǎn)溫度為12 ℃，濕空氣通過進(jìn)口流入運(yùn)行中的微熱吸附干燥機(jī)，首先通過K7閥自下而上進(jìn)入塔A進(jìn)行吸附干燥，對(duì)空氣進(jìn)行深度除濕，然后通過K1閥流出，流出吸附塔時(shí)有一部分的成品干燥空氣通過出口處設(shè)置一個(gè)露點(diǎn)儀進(jìn)行露點(diǎn)溫度監(jiān)測，T2為安捷倫溫度采集儀，采集吸附塔A、B上下部的溫度。T3為微熱吸附干燥機(jī)的程序控制端，可以改變周期循環(huán)時(shí)間、加熱溫度及吹冷時(shí)間等設(shè)置，同時(shí)機(jī)器內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)溫度監(jiān)測探頭，對(duì)加熱器溫度和加熱器出口溫度進(jìn)行監(jiān)測與記錄。

該干燥系統(tǒng)的一個(gè)再生周期包括加熱、吹冷及均壓三個(gè)階段。吸附干燥機(jī)操作時(shí)間設(shè)置如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為JY-1YR微熱吸附式壓縮空氣干燥機(jī)，微熱吸附式壓縮空氣干燥機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

溫度露點(diǎn)溫度測量設(shè)備選擇LY-80X耐腐蝕在線露點(diǎn)變送器，通過間隔時(shí)間記錄露點(diǎn)溫度。該儀器露點(diǎn)溫度測量范圍為-80～20 ℃，測量精度為0.1 ℃，工作環(huán)境溫度范圍為-40～20 ℃，儀器具有自加熱功能，降低油污、粉塵及腐蝕氣體等帶來的測量誤差，露點(diǎn)儀每隔120 s記錄一次數(shù)據(jù)。

溫度測量裝置采用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀，其測量精度為±0.075%FS，測溫用熱電偶采用銅-康銅熱電偶，測溫范圍為-200～200 ℃，測量精度為0.001 ℃?？紤]到溫度采集時(shí)熱電偶不能伸入吸附劑內(nèi)，所以在金屬吸附塔外表面布置熱電偶，用鋁箔膠帶進(jìn)行固定的布置方式對(duì)金屬塔壁進(jìn)行溫度測量。

1.2固體吸附劑

在干燥氣體行業(yè)，常用的固體吸附劑有硅膠、分子篩及活性氧化鋁。在壓力環(huán)境下，硅膠作為吸附劑時(shí)，吸附的水汽凝結(jié)成液態(tài)水珠時(shí)硅膠分子易發(fā)生破裂;吸附劑分子篩能夠滿足極低空氣露點(diǎn)溫度的要求，在壓力條件下對(duì)水的吸附能力比活性氧化鋁高，但是其顆粒在壓力條件下易破碎，且再生溫度要求比較高，再生能耗大[1617];活性氧化鋁表面硬度和抗壓強(qiáng)度比較高，在壓力環(huán)境下顆粒不易破損，常被用于壓縮空氣吸附干燥劑[18]。綜上所述，在壓力環(huán)境下，考慮吸附性能、顆粒穩(wěn)定性和再生能耗等因素，本研究選擇4～5 mm γ形態(tài)活性氧化鋁顆粒。

活性氧化鋁等溫吸附曲線[1920]如圖2所示。由圖2可以看出，溫度在20～50 ℃變化時(shí)，活性氧化鋁的吸附性能隨著溫度的升高，下降了約8%。因此，想要保持活性氧化鋁的吸附性能，必須降低吸附時(shí)的工作溫度。降低溫度有兩種途徑，一種是降低進(jìn)入吸附干燥系統(tǒng)的空氣溫度;另一種是降低固體吸附劑的溫度。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，進(jìn)口空氣的溫度恒定，所以需要控制活性氧化鋁的溫度。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

切換周期為1 800 s，其中加熱時(shí)間為900 s，吹冷時(shí)間為720 s，利用安捷倫對(duì)吸附塔B進(jìn)行溫度記錄，露點(diǎn)儀對(duì)出口空氣露點(diǎn)溫度進(jìn)行測量。吸附塔B溫度和出口空氣露點(diǎn)溫度隨工作時(shí)間變化曲線如圖3所示。

影響固體吸附劑吸附性能的因素包括壓力和溫度。當(dāng)吸附壓力不變時(shí)，通過控制吸附溫度來影響吸附效果。圖3a中，曲線a為吸附塔B上部溫度曲線，曲線b為吸附塔B下部溫度曲線。吸附塔切換周期為1 800 s，圖中1～4四條線為每一個(gè)切換周期對(duì)應(yīng)的時(shí)間。由圖3a可以看出，干燥系統(tǒng)的加熱時(shí)間為900 s，之后停止加熱，但加熱器的余熱使進(jìn)入吸附塔B的溫度仍然較高，塔體溫度在1 200 s左右達(dá)到峰值，之后溫度開始下降;當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到1 800 s，A、B吸附塔進(jìn)行切換，吸附塔B由再生塔轉(zhuǎn)為吸附塔，即圖中的1線所代表的時(shí)間點(diǎn)，此時(shí)B塔上部溫度為58 ℃，底部溫度為37 ℃。由圖3b可以看出，當(dāng)A、B吸附塔進(jìn)行切換，出口空氣的露點(diǎn)溫度會(huì)迅速升高，最高溫度在-55.4 ℃，這是因?yàn)楫?dāng)吸附塔B從再生變?yōu)槲焦ぷ鳡顟B(tài)時(shí)，由于再生加熱及吹冷時(shí)間不足，吸附劑的溫度得不到降低，極大影響了吸附效果。為解決上述問題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下3種工況的時(shí)間優(yōu)化。

工況1的優(yōu)化方案：將整個(gè)吸附干燥機(jī)的切換周期改為2 400 s，保持原有加熱時(shí)間及加熱溫度不變，將吹冷時(shí)間延長至1 320 s，使再生塔切換為吸附塔時(shí)，降低溫度對(duì)吸附劑性能的影響，分別進(jìn)行四個(gè)周期的數(shù)據(jù)記錄。優(yōu)化之后，塔壁溫度數(shù)據(jù)和出口空氣露點(diǎn)溫度如圖4所示。

由圖4a可以看出，保持加熱時(shí)間和加熱溫度不變，延長吹冷周期，系統(tǒng)切換周期變?yōu)? 400 s，在0～900 s內(nèi)，塔B的壁面溫度變化趨勢相同，運(yùn)行至2 400 s時(shí)，吸附塔進(jìn)行切換，此時(shí)塔B的上部溫度為48.6 ℃，比未優(yōu)化前下降了10 ℃左右，下部溫度沒有明顯變化，這是因?yàn)榧訜岬脑偕鷼庾陨隙铝鹘?jīng)吸附塔，上部溫度始終高于下部。由圖4b可以看出，在第一個(gè)吸附周期內(nèi)，出口空氣露點(diǎn)溫度沒有發(fā)生明顯變化，始終穩(wěn)定在-70 ℃附近，當(dāng)兩塔進(jìn)行切換之后，露點(diǎn)溫度急劇上升，這是因?yàn)槲絼┑臏囟热匀贿^高，但是與未優(yōu)化之前相比，在進(jìn)口空氣狀態(tài)不變的條件下，出口最高露點(diǎn)溫度降低3 ℃左右，說明通過延長吹冷時(shí)間，可以降低溫度對(duì)提高吸附劑性能的影響。

工況2的優(yōu)化方案：保持加熱溫度和加熱時(shí)間不變，將吹冷時(shí)間改為1 620 s。另外，考慮降低高溫對(duì)吸附性能的影響。

工況3的優(yōu)化方案：為保持吹冷時(shí)間不變，將升溫時(shí)間和最高溫度分別降低為720 s和100 ℃，各工況進(jìn)行四個(gè)周期的循環(huán)。

3種工況時(shí)間設(shè)置如表3所示。在工況2和工況3的條件下，出口空氣露點(diǎn)溫度如圖5所示。

由圖5a可以看出，系統(tǒng)切換周期為2 700 s，當(dāng)保持加熱時(shí)間和加熱溫度不變的情況下，將再生氣吹冷時(shí)間延長至1 620 s，此時(shí)出口空氣露點(diǎn)溫度最高為-60 ℃，比工況1降低了1.7 ℃。結(jié)果表明，繼續(xù)延長吹冷時(shí)間，可進(jìn)一步降低高溫對(duì)吸附劑吸附性能的影響。但當(dāng)延長吹冷時(shí)間后，單個(gè)吸附塔的吸附周期變?yōu)? 700 s，吸附時(shí)間的加長，使最低空氣露點(diǎn)溫度發(fā)生變化，最低值升高0.5 ℃左右，同時(shí)在吸附周期末尾，露點(diǎn)溫度有升高的趨勢。但與工況1相比，工況3系統(tǒng)切換周期變?yōu)? 620 s，維持露點(diǎn)溫度極低值的時(shí)間有所延長。由圖5b可以看出，當(dāng)加熱溫度降低，且加熱時(shí)間減少后，出口空氣露點(diǎn)溫度最高值比工況1降低1.5 ℃。由圖5可以看出，兩塔之間頻繁切換，使露點(diǎn)溫度更加不穩(wěn)定。

通過對(duì)3種改進(jìn)工況與原工況對(duì)比，延長吹冷時(shí)間、降低加熱溫度和減小加熱時(shí)間都可降低出口露點(diǎn)溫度，但當(dāng)吸附周期延長為2 700 s時(shí)，出口露點(diǎn)存在上升趨勢，因此吹冷時(shí)間應(yīng)當(dāng)控制在1 320～1 620 s。降低加熱溫度雖然可以減小吸附劑高溫帶來的影響，但是周期過短也造成了頻繁的露點(diǎn)波動(dòng)。因此，保持加熱時(shí)間和加熱溫度不變，延長吹冷時(shí)間，能夠提高出口空氣露點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性。

3結(jié)束語

本文主要對(duì)微熱再生吸附系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化研究。對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)中的B塔進(jìn)行溫度測量，間接得出塔內(nèi)吸附劑溫度變化，同時(shí)對(duì)出口空氣進(jìn)行露點(diǎn)溫度監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，造成出口空氣露點(diǎn)溫度波動(dòng)較大的主要原因是當(dāng)吸附塔進(jìn)行再生、吸附切換時(shí)，由于再生氣的加熱和吹冷時(shí)間過短，造成吸附劑不能及時(shí)冷卻，溫度的升高使活性氧化鋁吸附劑的吸附性能下降;通過適當(dāng)延長吹冷時(shí)間，讓未經(jīng)過加熱減壓之后的再生氣對(duì)吸附劑進(jìn)行吹掃降溫。結(jié)果表明，在原有吹冷周期的基礎(chǔ)上延長600 s，吸附塔溫度在切換時(shí)，最高可降低10 ℃，出口最高空氣露點(diǎn)可下降3 ℃，有效減緩露點(diǎn)溫度的波動(dòng)。當(dāng)吹冷時(shí)間延長900 s后，雖然露點(diǎn)溫度在末期有輕微上升的趨勢，但是其維持在低值時(shí)間延長。該研究對(duì)提升活性氧化鋁的吸附性能具有重要意義。

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Abstract：?? In order to solve the problems of insufficient cooling time during the adsorption cycle switching of micro thermal regeneration adsorption system， and the adsorbent temperature in the tower being not cooled in time， which leads to the decline of adsorption performance and the large fluctuation of outlet dew point temperature under the condition of constant adsorption working pressure， the temperature acquisition instrument is used to monitor the wall temperature of the adsorption tower， and the dew point instrument is arranged at the outlet to monitor the dew point temperature of the product gas Line monitoring. The measurement results show that keeping the heating time and temperature unchanged， while extending the cooling time of 600～900 s can effectively reduce the fluctuation of dew point temperature; keeping the cooling time unchanged， while reducing the heating temperature and heating time can reduce the difference between the minimum and maximum air dew point temperature. The results show that the dew point temperature fluctuation of the outlet air is due to the high temperature of the adsorbent in the tower during the switching of the adsorption tower， so reducing the temperature of the adsorbent during the switching of the two adsorption towers can improve the working performance of the adsorbent. This study has been widely used in the field of solid adsorption drying.

Key words： micro thermal regeneration; solid adsorption; dew point temperature; performance optimization