压缩空气干燥与净化.docx
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压缩空气干燥与净化
压缩空气的干燥与净化
一、压缩空气及其生产净化
压缩空气因具有易储存、易控制、流动性好及安全、环保等特点，是仅次于电力的第二动力能源，被广泛应用于食品、电力、化工、制药、采矿及机械制造等很多领域。
应用的领域不同，对压缩空气的质量要求也不同，但始终离不开高效、节能、环保的主题。
空气经压缩机压缩压缩后，就可得到具有较高压力的压缩空气，但是由压缩机产生的压缩空气并不是纯净的，这是因为空气压缩机本身含有润滑油，在进行压缩工作时，必然有部分润滑油混入到压缩空气中去，另外自然界的空气本身含有一些固体颗粒及水份等，在气动回路中直接使用这种未经净化处理的气体，会给气动回路带来一些故障，损坏气动组件，降低组件使用寿命，生产效率下降，甚至造成事故。
据统计，气动系统的故障停机85%以上是由于使用不洁净、不干燥的压缩气体引起的。
究其原因，压缩空气中的水分会造成部件锈蚀，冬季会冷凝结冰，造成堵塞；油气冷凝沉淀形成油污常常造成密封件老化、失效；粉尘则加快了运动机件的磨损，沉积造成堵塞，造成无谓的压力损失等。
因此，净化这些压缩气体以获得纯净的压缩气体是气压系统中必不可少的一个重要环节。
图1-1压缩机机组及基本的后置净化系统
为了保证了各种用气设备的高效、可靠的运行，以及用气产品的质量，向客户提供高质量的压缩空气，主要有两种途径：
一是改善压缩机及其机组的性能，提高原始动力气源的质量；二是根据利用领域的不同，为空压机组提供后置净化设备，组装成新的复合机组，以满足新的需求。
目前，这两部份通常分开来做，压缩机的专业生产和压缩空气的专业净化分开来做。
图1-1就是一个简单的压缩空气系统配置：
压缩机机组提供了初始压缩空气，进行了最初的压缩空气冷却净化过滤处理；其它的是后置输送和净化设备，其中空气桶的作用是减少气流脉动和存储压缩气体，安全阀的作用是安全保护压力过高时泄放压力，干燥机去除压缩空气中的水分，泄水阀泄放冷凝水，用气端接气动系统，压力表指示当前压缩空气压力。
针对不同的用气领域，我们可以采用不同的系统配置图1-2。
图1-2净化系统配置图
二、压力露点与压缩空气质量等级
什么是，高质量的压缩空气呢？
队压缩空气的后处理净化要达到何种程度呢？
ISO8573和GB/T1377—1991《一般用压缩空气质量等级》都对压缩空气的质量等级做出规定，一般设计制造配置压缩系统都按此标准执行。
1．衡量压缩空气质量的几个指针
（1）．最高压力露点：
饱和湿空气中的水蒸气凝结的临界温度。
最高压力露点越低，对应的饱和湿空气的饱和蒸汽压越低，饱和时空气的绝对湿度就越低，压缩空气空的水分含量自然越少；湿空气的饱和蒸汽压仅与温度有关，与总压力大小无关。
（2）．最大含水量：
压缩空气中的水分含量，越低空气越干燥。
（3）．最大含油量：
压缩空中的含油量。
（4）．固体最大粒子尺寸
（5）．固体粒子最大浓度
（6）．灭菌等级
2．ISO8573-1压缩空气质量的规定
ISO8573-1
等级
固体最大粒子尺寸μm
固体粒子最大
浓度mg/m3
最高压力露点℃
最大含油量mg/m3
最大含水量mg/m3
1
0.1
0.1
-70
0.01
0.003
2
1
1
-40
0.1
0.117
3
5
5
-20
1
0.88
4
15
8
+3
5
5.95
5
40
10
+7
25
7.73
6
—
—
+10
—
9.36
7
—
—
无要求
—
无要求
3．GB/T1377—1991《一般用压缩空气质量等级》
GB/T1377—1991
等级
固体最大粒子尺寸μm
固体粒子最大
浓度mg/m3
最高压力露点℃
最大含油量mg/m3
最大含水量mg/m3
1
0.1
0.1
-70
0.01
0.003
2
1
1
-40
0.1
0.117
3
5
5
-20
1
0.88
4
40
10
+3
5
5.95
5
—
—
+7
25
7.73
6
—
—
+10
—
9.36
3．压缩空气的应用领域等级要求（GB/T1377—1991）
应用领域
压缩空气等级
固体粒子
水
油
空气搅拌
3
5
3
制鞋、制靴机
4
6
5
制砖、玻璃机
5
6
5
零件清洗
4
6
4
颗粒产品输送
3
6
3
粉状产品输送
2
3
2
铸造机械
4
6
5
食品饮料加工
2
6
1
机床
4
3
5
采矿
4
5
5
包装与纺织机械
4
3
3~2
摄影胶片生产
1
1
1
土木建筑
4
5
5
凿岩机
4
5~2
5
喷砂
3
3
喷漆
3
3~2
1
烘干机
4
6
5
三、压缩空气中的水分问题
理论上用到的完全干空气（DryAir）在自然界中是不存在的，我们生活的环境中或多或少都含有水分，称为湿空气（WetAir）。
含在空气中的水分，大多以水蒸气的形式存在，我们无法看见，感觉空气并不潮湿。
但我们也可观察自然界中的小草上的露水、大地上的霜降、天空中的浮云，这都是空气中的水蒸汽变化形成的：
露水和霜降是由于夜晚温度太低，空气中的水冷凝出来的，温度再低就形成了霜；云是水蒸气上升后，温度压力都降低了，空气中的水冷凝出来了，聚集在天空便成了云。
而空气中的水进入压缩机后，其变化又是怎样的呢？
下面就来了解一下，空气的相关性质。
1．压缩气体基本理论
波义尔（BOYLES）定律：
对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比。
公式：
P1V1=P2V2。
查理（CHARLES）定律：
在一定压力下，温度每升高1℃，对于一定质量的气体，其体积增加1/273。
基路沙（GAYLUSSAC）定律：
压力不变，气体体积的增加与温度成正比，V1/V2=T1/T2；在体积不变时，压力和温度成正比，P1/T1=P2/T2。
理想气体状态方程式：
P1V1/T1=P2V2/T2=常数。
伯努利（Bernoulli's）方程：
水平流动的流体流过管径不同的管道时，在点1和点2的总能量相同，P1+1/2ρV12=P2+1/2ρV22。
道尔顿分压定律（Dalton’sLawofPartialPressures）：
将许多不同且彼此不会起化学反应的气体共置于一密闭容器中，其总压力等于同温度时，各气体单独占有容器时所产生的压力之和。
2．压缩空气性质术语说明
1）．干空气（DryAir）基准状态（Normalcondition）0℃，压力760mmHg下标准杆空气成分如下表
成分
N2
O2
Ar
CO2
容积组成%
78.09
20.95
0.93
0.03
重量组成%
75.53
23.14
1.28
0.05
此状态下干空气性质如下：
比重量=1.293kg/Nm3分子量=28.966
2）．湿空气（WetAir）
自然界中的大气，除上述空气成分外，还存有或多或少的水分，所谓空气指的是干空气。
根据道尔分压顿定律有：
Po（湿空气压力）=PD（干空气分压）+PW（水蒸气分压）
湿空气是干空气与水蒸气所混合的气体。
其中当湿空气在某一温度时，水蒸气的分压力最高不得超过此温度下饱和压力，即在某一温度下的湿空气，它的水蒸气最高含量已定，饱和压力仅与温度有关，与总压力大小无关。
例如，在1大气压，30℃时，水蒸汽的最高分压力为0.04327kg/cm2，即使在总压力10kg/cm2，30℃时，水蒸气的最高分压力仍为0.04327kg/cm2。
3）．绝对湿度（AbsoluteHumidity）或（SpecificHumidity）χ
a.绝对湿度为每1m3湿空气中所含水蒸气的质量,从绝对湿度定义看，绝对湿度即为湿空气中水蒸气的密度ρv。
b.单位质量的干空气中携带水蒸气的质量,单位kg/kg。
（国内称为含湿量）
对于湿空气而言P=PD+Pwχ=Mw/MDMw:
水蒸气品质MD：
干空气质量
χ=0表示完全干空气；χ=∞表示无空气之蒸汽，完全水蒸气。
4）．相对湿度（RelativeHumidity）φ
φ=相对湿度（R.H）=
×100%
对于湿空气而言：
φ=Pw/Ps×100%Ps表示在Pw之温度时的饱和蒸气压
相对湿度≒饱和度=
×100%
例如：
30℃时1m3的空气中含有30g的水蒸气为饱和时，今有一地方，在1m3的空气中含有12g水蒸气，则其湿度等于12g/30g×100%=40%,即相对湿度为40%RH。
φ=0表示完全干空气，φ=1表示饱和时空气，表达所处状态的含水能力。
5）．饱和湿空气（SaturatedAir）
空气吸收水分的能力与当时该空气的压力与温度有着密切的联系。
在某一温度和压力下，空气由吸收水分的最高限度。
如果实际含有的水分没达到最高限度，只要有水源，空气可以继续吸收水分，若超过限度称为过饱和状态，这种状态不稳定，过多的水分将凝为液态。
若处于此最高限度时，无论空气周围有无水源，其也无法吸收，此时空气称为饱和湿空气，即相对湿度100%RH的湿空气。
6）．大气露点温度（Dew-Point）
对于湿空气，其压力不变，保持未饱和湿空气中水蒸气的含量不变，而降低未饱和湿空气温度，则未饱和湿空气的相对湿度φ增加，当未饱和湿空气含量的温度降到使其相对湿度φ=100%时，原来的未饱和湿空气即达到饱和状态，此时若再降低温度，空气中的水蒸气将凝结，此时的温度称为露点温度。
3．压缩空气中的水分问题
空气受到压缩时，温度上升，温度越高，空气的汗水能力越强。
例如，压力为8.0kg/cm2的压缩空气，此时空气已经压缩为原来体积的1/9，但由于压缩后温度很高，使水蒸气仍能隐形存在，此状态下仍为不饱和湿空气；但是，当压缩空气经由管路输送时，温度渐渐下降，随时会有冷凝水凝出影响系统的正常运行，这些冷凝水就是空气压缩机和用气设备的问题水。
1）．湿空气经压缩后湿度的变化
依据道尔顿分压定律：
Po（湿空气压力）=PD（干空气分压）+PW（水蒸气分压）
理想气体状态方程：
PDV=MDRDTPWV=MwRwTR气体常数
可得：
Mw/MD=PwRD/PDRw
Mw/MD=χ绝对湿度，Pw=φPs,Ro=29.27mol/°KRw=47.06mol/°K
可得：
χ=0.622×
2）．压力露点（Pressuredew-point）
经压缩后之湿空气，由于压力升高，体积减小，原来含在其中的水蒸气包容空间减小，随时有显形的可能，刚要显形凝聚的温度，称之为压力露点。
3）．压缩空气压力露点之温度计算
水的饱和蒸汽压和露点温度是意一一对应的，知其一就可查到另外一个，查表一，露点温度非排气温度。
公式：
χ=0.622×
吸气压力：
P1吸气温度：
T1相对湿度：
φ1
排气压力：
P2排气温度：
T2相对湿度：
φ2=1
T1时的饱和蒸汽压Ps1T2时的饱和蒸汽压Ps2
χ=0.622×
=0.622×
Ps2=φ1×P2/P1×Ps1
例：
有一台空压机，吸气压力为1kg/cm2，温度30℃，相对湿度80%RH，排气压力8.0kg/cm2，试求所得压缩空气的压力露点。
解：
查表一得30℃时，Ps1=0.04327kg/cm2
Ps2=φ1×P2/P1×Ps1=0.8×8.0/1.0×0.04327=0.277kg/cm2
再查表一Ps2==0.277kg/cm2所对应的露点温度约为66.7℃。
也就是说，常压下的饱和或不饱和空气，压缩后当温度低于某一特定温度--压力露点后，压缩空气中就会冷凝出水。
下表所示为8.0kg/cm2的压力露点与常压露点的对应关系。
常压露点℃
-60
-40
-20
-15
0
压力露点℃
-43
20.2
-4.06
10.92
17.92
4）．压缩空气冷凝水计算
例：
有一台空气压缩机，风量10m3/Min，每日运转10小时，吸气压力1.02kg/cm2，温度32℃，相对湿度60%RH,排气压力8.0kg/cm2，试问此压缩空气能却至40℃后，凝结出多少水？
解：
（1）计算基准状态（Normalcondition）下的干空气风量
32℃时，饱和蒸汽压Ps1=0.04849kg/cm2
Vo=8.75Nm3/Min
G（干空气重）=8.75×1.293×60×10=6788.25（kg）
（2）计算吸气状态下之绝对湿度
χ=0.622×
=0.622×
=0.01826（kg/kg）
（3）计算压力状态下之绝对湿度
Ps2=φ1×P2/P1×Ps1=0.6×8.0/1.02×0.04849=0.2282kg/cm2 ，查表一可得此时所对应的露点温度约为62.5℃，故40℃时呈饱和,即RH=100%，40℃时饱和蒸汽压为0.07523kg/cm2。
χ’=0.622×
=0.622×
=0.006（kg/kg）
（4）凝结水量
M=G（χ-χ’）=6788.25×（0.01826-0.006）=83.22（kg）
即压缩机工作一天，有83.22kg冷凝水产生，如此之多的水若不处理，进入压缩机系统和用气设备中，其后果可想而知。
四、压缩空气中水分的干燥
在我们的生活环境的空气中多少都含有水分，这部分水进入压缩机压缩后，由于温度压力的变化，便会有冷凝水析出，严重影响压缩机机组的运行和其它用气设备的性能寿命，因此去除空气中的水分是十分必要的。
干燥是相对的，也就是在某种需求被视为干燥的空气，在其它用途时仍被视为不够干燥。
因此，压缩空气需要何种程度的干燥，来满足和中需求，是设计或选择干燥机时，首要考虑的因素。
因为选择不需要太低露点的干燥机，将增加采购与运转成本。
根据以上几种不同的理论方法，我们就可以开发出不同的压缩空气干燥机来，除去压缩空气中的水分。
1．吸附干燥法
吸附干燥法利用吸附剂对水分的吸附性能，如硅胶，活性氧化铝和分子筛等，它们对水分都具有很强的吸附能力。
吸附剂的吸湿过程是物理变化，是可再生的，在高压下吸附，低压下解吸，即变压吸附（PSA）；也可在常压吸附，加热时再生，即变温吸附（TSA）；或者高压常温吸附，常压高温解吸（PTC）。
这类吸附干燥的干燥度可以达到常压露点-70℃。
利用此种原理的称为吸附式干燥机图4-1，详细介绍见附录一。
图4-1吸附式干燥机
2．潮解干燥法
潮解式干燥器也是利用吸附剂对水分的吸附特性，只不过潮解式的吸附剂在吸附水分后，变成液态排出，朝节后的吸附剂不能再生，而且会造成环境污染。
这种方法又称为化学法。
这类干燥器可达到-38℃左右的露点。
3．冷冻干燥法
冷冻干燥法是利用制冷压缩机产生的冷量对压缩空气进行冷却，使压缩空气达到其压力所对应的露点温度，从而使压缩空气中的水分析出，达到干燥目的。
这类干燥法的干燥度可以达到常压露点-23℃。
利用此种原理的称为冷冻式干燥机图4-2，详细介绍见附录一。
图4-2冷冻式干燥机
4．膜分离干燥法
利用膜分离技术对压缩空气进行干燥是一种极有前途的干燥方式。
压缩空气经过中空纤维薄膜时，为中物质的渗透压不同，使水从压缩空气中分离出来，从而达到干燥效果。
利用此种原理的称为膜分离干燥机图4-3。
图4-3膜分离干燥机
五、压缩空气的过滤
众所周知，在人们生活的空间，尤其在生产环境中的气体都包含着数以百万计的污物微粒，它们通过压缩机数倍的压缩后进入压缩空气系统，大量的油蒸汽和悬浮微粒将不可避免的在气动管道、仪表组件、控件装置及机械表面形成有害物质的渣质沉积，若不除去，随气流输送必将会造成堵塞和污染设备、管道、阀门、侵蚀气动仪表、气缸、造成操作失灵、使用寿命降低、导致生产效率低下、产品质量不稳定、生产成本上升等严重后果。
压缩空气净化设备中还有一种以除油、除尘、除臭、除气态油蒸汽为主的过滤装置，称为过滤器，见图5-1。
图5-1过滤器
1．过滤方法
压缩空气过滤器采用离心分离、惯性踫撞过滤、吸附吸收，以及静电除尘法达到对压缩空气中的固体颗粒、液滴、油雾的清除。
离心法和惯性踫撞法的过滤精度较低，要获得更高质量的压缩空气，可采用多孔陶瓷组件、烧结金属、泡沫塑料及编织物或孔径在制造时已经设定的聚四氯乙烯、醋酸纤维等高聚物制成的膜，对空气进行过滤。
前者过滤精度为0.1~20um,后者的过滤精度为0.01μm以下。
静电处理法，可处理0.1~0.3μm的杂质。
在食品、医疗和化工行业，采用相应的吸附剂对压缩气体中的其它气体和异味进行吸附，如用煤基吸附剂吸附二氧化硫，用强碱性离子交换纤维吸附二氧化碳等。
一般情况下，为了获得高的过滤效率，单个过滤器都是采用几种原理方法组合使用，在干燥器内部就有几种不同形式的过滤，如图5-2就是一个典型的六及过滤滤芯。
第一级为分离区，通过踫撞、改变方向、膨胀等方式，去除微粒和液滴；第二级为预过滤，过滤掉各种臓颗粒，是凝聚过滤更有效；第三级为活性炭过滤；第四级为凝聚过滤，在吸收了油雾后由白变红；第五级为后过滤，滤除凝聚过滤器中的颗粒；第六级为终过滤，保证出口气体质量。
2．过滤器衡量参数和分类
对于过滤器的衡量，常采用以下几种参数：
1）．过滤效率：
过滤器过滤某种粒径杂质的能力，用百分比表示。
2）．过滤精度：
通过过滤器的最大粒子直径。
3）．透气率：
过滤气单位时间内单位面积的气体流通能力。
4）．阻力：
压缩气体通过过滤器的压降。
根据过滤器过滤精度和用途图5-2，过滤器分类如下：
1）．预过滤器：
过滤精度小于等于5μm；
2）．精过滤器：
过滤精度小于等于1μm，残油含量1.0mg/m3
3）．高精过滤器：
过滤精度小于等于0.1μm，残油含量0.1mg/m3
4）．超级过滤器：
过滤精度小于等于0.01μm，残油含量0.005mg/m3，舆活性炭过滤器串联使用。
5）．油过滤器
6）．除菌过滤器等
图5-2精密滤芯
粗、精过滤器的过滤组件一般有用多孔陶瓷、微孔玻璃、粉末冶金多孔滤芯、高分子合成纤维、玻璃纤维等材料制成的缠绕式蜂窝状滤芯，称为深层型过滤。
对于过滤精度要求高的场合，采用电解镍粉粉末冶金金属膜过滤芯，或由聚四氯乙烯，聚偏氯乙烯等高分子材料制成的过滤膜，滤芯呈膜状。
3．常用压缩空气过滤器
1）．气水分离器（预过滤，C级）
气水分离器（油水分离器）主要用于压缩空气管路的粗过滤，分离器同时采用了直接拦截、惯性碰撞、布朗扩散及凝聚等工作机理，能够有效的清除压缩空气中的液态水、油雾、尘埃以及有机混合物，极大的减轻后部净化设备的负荷，是压缩空气高效过滤器及冷冻式、吸附式压缩空气干燥机必不可少的预处理装置。
它无需更换组件，几乎可以忽略不计的压力损失，通过电磁阀控制自动排污。
2）．除菌过滤器
除菌过滤器有效阻挡压缩空气中的细菌和噬菌体并通过高温（200℃）蒸汽除菌，产生无菌压缩空气。
主要应用于制药业、发酵、食品饮料、啤酒酿造、生物制品等行业。
3）．高效除油器（精过滤器）
压缩空气高效除油器是近年来迅速发展的净化压缩空气新技术，是各类型空气压缩机的压缩空气系统的后处理装置。
其功能是去除压缩空气中的固态尘埃、油气粒子和液态物质。
高效除油器是以超细纤维为主体滤材，采用旋风分离、预过滤和凝聚式精滤三级过滤净化，具有相当高的除油、除尘能力及一定的脱湿干燥能力。
4）．活性炭过滤器（除臭过滤器）
用活性炭纤维为过滤材料，具有很强的吸附性能，可过滤掉压缩空气中残余的油分、异味，适用于食品、饮料、制药等压缩空气净化系统，系统配置时需在其前安装C级、T级、A级或其它过滤器，其滤芯见图5-2。
4．过滤器的选择
种类
过滤精度чm
含油量mg/m3
初始压差Mpa
滤芯更换压差
罐体材质
作用
预过滤器
5
≤5
0.01
0.07
铝合金
有效阻挡污物，保护A级过滤器，使之正常持久地工作
精过滤器
1
≤0.5
0.01
0.07
铝合金
作为B级过滤器及冷冻式干燥机的前置过滤器
微过滤器
0.01
≤0.01
0.01
0.07
铝合金
作为活性碳过滤器（C级）和吸附式干燥机的前置过滤器
活性碳除臭过滤器
≤0.00
0.02
铝合金
去除油蒸汽和碳氢化合物的气味
除菌过滤器
不锈钢
有效阻挡压缩空气中的细菌和噬菌体并定时通过200℃蒸汽除菌
上表是各种不同等级的过滤器相互对比与装配关系，我们在选择使用干燥器时，要注意其使用范围，型号。
以自己具体的工作环境来配置过滤器，注意过滤器所能处理的风量。
5．安装说明
✧连接过滤器的管道必须彻底清洗和吹扫；
✧过滤器应垂直安装，下方留有足够的滤芯更换空间；
✧必须按滤头上标明的方向安装过滤器；
✧使用较大的过滤器时，应在管线上设置支架；
✧过滤器上游的阀门不得快速开启；
✧运行中经常检查自动排污阀的工作情况；
✧更换滤芯时注意：
O形圈安装正确；只允许手持滤芯端盖，不得触摸滤材。
六．压缩空气的其它净化设备
1．储气罐
储气罐（图6-1）储存压缩气体，以备需求峰值超过压缩机流量时之用。
它可以促进压缩空气的冷却和收集可能产生的残留冷凝水及油滴，通过电磁泄水阀排出；使空气管网中的压力波动趋于平稳，有效遏制压缩机短期频繁的装载和卸载；保护后空气净化系统的平稳进行，对于压力波动较大的场合可安装一压力维持阀。
储气罐一般配有压力表、安全阀和排气阀。
图6-1储气罐
2．除水接头
图6-3T型除水接头
系统管路中的除水接头要有良好的密封能力，保证不泄漏；使气体从气源到用气点的压力损失最小；能够防止水分随空气一起流动，有利于减少长期困扰管路系统的气体带水的问题。
图6-3T型除水接头就是其中一种高效除水接头，空气中的水分被“留住”并从适当的位置排出。
但为了保证T型除水接头的正常功能，关键在于管路安装时该接头必须较水平地安装在系统中，并且出口位置垂直向下。
3．管路系统
空气管路系统中的配管要求保障高质量的空气、更高效率的空气传输、减少压力损失、更高的流量、易挤压成型、方便快捷的安装。
一般采用镀锌钢管或高质量的铝管，安装时注意保持清洁，焊接的要去除焊渣。
图6-3铝管
2．冷凝水净化器
喷油压缩机中的冷凝水是油水乳状液，被归类为残油，一定不能排放到污水系统或环境中。
在全世界，法规对于这种含油废水的处置要求变得越来越严格，冷凝水的排放国际环境质量认证体系ISO14000中有明确的规定，冷凝水需经处理达到标准后方可排放，保证排出物纯度低于10毫克油/升。
图6-4冷凝水净化器
冷凝水净化器原理见图6-4，冷凝水通过消声器进入到机组中，并在膨胀室1中减压。
乳化的油水混合物随后进入塔A，并通过亲油的白色过滤器2渗出。
该过滤器吸收油而不是水。
亲油的过滤器3悬浮在水面上吸收残留的油。
油的额外重量将使得过滤器逐渐下沉，因为它渐趋饱和，这样可以确保清洁的过滤器材料始终与水面接触。
塔A顶部的指示棒显示过滤器的状态；随着过滤器的消耗，该指示棒会逐渐下沉。
在该指示棒刚刚全部沉入水中时，必须更换过滤器。
更为清洁的冷凝水4将从塔A流到塔B。
塔B中的一袋活性碳颗粒5（放在一个袋子中
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