空气压缩机基础知识.docx
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空气压缩机基础知识
空气压缩机基础知识
中国空压机网
2008/3/7
CHOI
无热再生吸附式干燥机运行原理无热再生吸附式干燥机由装满吸附剂（活性氧化铝或分子筛）的两个双联机筒组成；压缩空气定时在两个机筒中轮流进行吸附和再生运行，从而使压缩空气能持续接触到干燥的吸附剂。
一小部分气流通过减压阀进入再生机筒；使已吸附水份的吸附剂干燥再生，并将水份和杂质排放到大气中。
设备性能成品气品质可达大气露点-40℃（活性氧化铝）-70℃（分子筛）。
多层不锈钢扩散器，耐用稳定。
选用进口元器件，灵敏性好，精确度高。
设备前后配置保护性进口除油、除尘过滤器，延长吸附剂的使用效果和寿命；保证空气处理品质。
.1.吸附现象和吸附力
一般情况下，固体物质的大多数分子都排列在固体的内部，它们对固体物质的整体性质具有决定性的影响。
但多孔性固体、高度分散的固体由于表面展开甚大，排列在表面的分子占有相当大的比例，因而表现出一些特殊的或在普通固体中并不显著的性质，其中之一就是吸附。
所谓吸附，是指一种或几种物质附着在一种固体表面的现象。
该固体称为吸附剂，其表面附着的物质称为被吸附物。
被吸附物可以是气体或液体，也可以是溶液中的溶剂或溶质（无论该溶质独立存在时呈何物态）。
造成吸附现象的作用力称为吸附力。
吸附力是多种力的复杂组合，其中最常起作用的是范德华（VanderWaals）引力和偶极作用力，此外在一个具体的吸附现象中还可能存在着某种或某几种直接作用力。
如果吸附剂与被吸附物之间不形成任何化学键，这样的吸附称为物理吸附。
由范德华引力或偶极作用力造成的吸附都是物理吸附。
纯粹由范德华引力形成的吸附力甚弱，具有较低的活化能（约4.184kJ/mol）和较小的热效应（约20.92kJ/mol）。
当吸附剂与被吸附物都具有某种程度的极性时，由于偶极-偶极之间的作用力而形成吸附，其作用力的大小因二者的极性强弱不同而有很大差别。
但即使是弱极性偶极间的作用力也比范德华引力强得多。
所以在这种情况下偶极作用力是构成吸附力的主要部分。
所谓直接作用力是当被吸附物分子中具有某种基团可以和吸附剂表面的一些基团形成盐或氢键或配合物时，其作用力相当于化学键的结合力，因而具有较大的活化能（约21～83kJ/mol）和较大的热效应（83～418kJ/mol），称为化学吸附。
各种作用力强弱的大致次序是：
成盐力＞配位力＞氢键力＞偶极作用力＞范德华引力。
在一种具体情况下，有的作用力可能不存在。
而存在的力，其强弱主次也会因情况的不同而不同，所以很难作准确的定量计算，通常只能根据吸附剂的种类、活性级别及被吸附物的结构特征来作宏观的定性判断。
吸附剂的吸附能力强弱由其极性、活性和粒度等因素所决定。
由于大多数被吸附物分子都或多或少具有某种程度的极性，所以吸附剂的极性越强，吸附能力也就越强。
在常用的吸附剂中，氧化铝极性最强，硅胶极性中强，氧化镁极性中等，而活性碳则是非极性吸附剂。
吸附剂的活性是其含水量的一种标度。
当吸附剂含水时，其部分表面被水分子覆盖而失活，只有一部分表面起吸附作用，整体的吸附能力就会下降，因此，含水量越大，活性级别就越低。
氧化铝和硅胶各分五个活性级别，其含水量列于表2-5。
吸附剂表面的水分子不易被其他分子“顶替”下来，要提高活性级别，只能用加热的方法把水分子“蒸发”掉，这样的过程叫做活化。
但并不是所有场合下都尽可能使用高活性级别的吸附剂，特别是在吸附层析中有时低活性级别的吸附剂反而会收到更好的效果。
如需降低活性级别，只需将其暴露在空气中，使从空气中吸收一些水汽就可以了。
粒度是指吸附剂的颗粒大小。
颗粒越小，总表面积越大，吸附能力也就越强。
活性碳虽为非极性吸附剂，但由于其颗粒细小，总的吸附能力仅次于氧化铝而高于硅胶。
早期是用目数来表示粒度大小的，目数是指筛分固体颗粒所用的筛子每平方厘米面积内所含的筛孔数目。
目数越多，筛孔越小，筛出的颗粒也越小。
近些年来直接用颗粒的平均直径来表示其大小，以μｍ为单位。
例如，100目的粒度大体与40μｍ的粒度相当。
表2-5 氧化铝和硅胶的活性级别（Brochmann法）
含水量
活性级别
吸附活性
氧化铝
硅胶
0
Ⅰ
强
弱
3%
5%
Ⅱ
6%
15%
Ⅲ
10%
25%
Ⅳ
15%
38%
Ⅴ
吸附力的强弱不仅决定于吸附剂，也决定于被吸附物。
一般地说，被吸附物极性越强，则吸附力也越强，而被吸附物的极性主要由其所带的官能团决定，各种官能团被吸附能力由弱到强的大致次序是Cl,Br,I＜C C；＜OR＜COOR＜C O＜CHO＜SH＜NH２＜OH＜COOH。
但实际上这个次序不是一成不变的，不但对于极性和非极性吸附剂有不同的次序，而且即使对于极性吸附剂，也会因种类的不同而不同。
例如，常见有机液体的极性次序为：
石油醚＜环己烷＜四氯化碳＜三氯乙烯＜二硫化碳＜苯＜1，2-二氯乙烷＜二氯甲烷＜氯仿＜乙醚＜乙酸乙酯＜丙酮＜乙醇＜甲醇＜水＜乙酸。
对于氧化铝来说，吸附力由小到大的次序为：
戊烷＜石油醚＜己烷＜环己烷＜四氯化碳＜苯＜乙醚＜氯仿＜二氯甲烷＜乙酸乙酯＜异丙醇＜乙醇＜甲醇＜乙酸。
对于硅胶来说则为环己烷＜石油醚＜戊烷＜四氯化碳＜苯＜氯仿＜乙醚＜乙酸乙酯＜乙醇＜水＜丙酮＜乙酸＜甲醇。
这种次序的局部颠倒现象可能是由更复杂的原因造成的，但无论如何，从整体讲还是有规律可循的。
如果极性较小的物质先被吸附，然后加入极性较大的物质，则后者可与吸附剂形成更大的吸附力，因而可将前者“顶替”下来；反之，前者却不能“顶替”后者。
脱色过程中的吸附作用
脱色就是用吸附的方法除去化合物样品中的杂质。
当样品为固体时，一般是先用适当溶剂将其溶解，配制成热溶液，加入吸附剂（在重结晶过程中称为脱色剂，见第162～163页），煮沸片刻，杂质即被吸附剂吸附。
趁热过滤，被吸附的杂质即与吸附剂一起留在滤纸上而与样品分离。
由于吸附作用是在溶液中进行的，则吸附剂对于溶质、溶剂及其中的杂质都有吸附作用。
哪一种吸附占优势则决定于吸附剂的种类和被吸附物的性质。
一般说来，极性吸附剂倾向于吸附极性物质，而非极性吸附剂则倾向于吸附非极性或弱极性的物质。
当溶剂为水、醇等极性液体时，以活性碳为脱色剂效果良好。
因为活性碳是非极性吸附剂，它对于极性的溶剂吸附作用甚弱，而样品和杂质的极性一般都小于水的极性，所以可受到较强的吸附。
当杂质为有色物质或树脂状物质时效果更佳。
因为树脂状物质具有很大的表面积，它本身也可吸附其他物质，其吸附原理与活性碳相似，所以可被活性碳牢牢吸附。
而有色物质的生色团往往是多共轭的长链，在溶液中舒展开来也具有很大表面积，易被吸附。
但当溶剂为石油醚、环己烷等非极性液体时，活性碳的脱色效果就不理想，因为这时活性碳的表面会吸附大量溶剂分子而近于饱和，对样品及杂质的吸附能力大大下降。
在这种情况下应改用强极性吸附剂如氧化铝、硅胶等进行脱色。
强极性吸附剂将不吸附或很少吸附非极性的溶剂分子，而对于弱极性的溶质和杂质分子仍具有较大吸附力，故常可收到较满意的效果。
总之，脱色剂的选择应使其对溶剂的吸附作用尽可能小，而对杂质的吸附作用尽可能大。
至于对样品的吸附虽然是我们所不希望的，但却往往是不可避免的。
如果脱色剂对样品和对杂质的吸附能力不相上下，则脱色过程实质上是样品与杂质“拼消耗”。
由于杂质含量甚少，即使与样品等量消耗，也仍然是可行的。
3.层析过程中的吸附作用
层析（chromatography）法，亦称色谱法或色层法，早期主要用于有色物质的分离和纯化，可以得到不同颜色的谱带或色层，故有色谱、色层等名称。
由于显色技术的发展，此法已广泛应用于无色物质，但原来的名称仍然沿用下来。
目前，层析法主要应用于结构类似，物理、化学性质相近，用一般方法难于奏效的化合物的分离、纯化和鉴定。
层析法可根据其作用原理分为吸附层析、分配层析、离子交换层析和排阻层析等类；也可根据其操作条件不同分为柱层析、薄层层析、纸层析、气相层析和高速液相层析等类。
此处仅介绍吸附层析的作用原理。
（1）吸附柱层析的作用原理
吸附柱层析是将吸附剂均匀致密地装填在玻璃管、不锈钢管或塑料薄膜管中，使其形成柱状。
称为固定相。
当待分离的混合物样品被制成溶液从柱顶加入时，混合物中各组分或强或弱都会受到吸附剂的吸附而附着在柱顶吸附剂的表面。
然后选取合适的溶剂（称为淋洗剂或流动相）自柱顶向下均匀地淋洗，各组分分子即在淋洗剂中发生溶解竞争，同时也在吸附剂表面发生吸附竞争。
在溶解竞争中，溶解度大的分子易进入流动相；在吸附竞争中则是极性较小的，受吸力较弱的分子易于被其他分子从吸附剂表面“顶替”下来而进入流动相。
进入流动相的分子随流动相一起下行，并在前进途中经历新的吸附和解吸溶解竞争。
反之，溶解度小的，极性较强的分子则易被吸附，较难进入流动相，但在持续的淋洗下总还是会进入流动相的，只不过在下行过程中反复受吸附而行进艰难罢了。
混合物样品里的同种分子具有相同的极性和溶解度，受吸附和解吸溶解的难易相同，向下行进的速度也大体相同；而不同种分子在分子结构、极性及溶解度等方面存在着或大或小的差异，受吸附和解吸溶解的难易各不相同，下行的速度亦不相同。
在经历了反复多次的吸附和解吸溶解竞争之后，各组分间就会逐渐拉开距离。
较易进入流动相的组分行进较快，将较早到达柱底。
用不同的接收瓶在柱下分别接收各组分的溶液，蒸除溶剂后即得各组分的纯品。
也可在各组分的色带拉开距离之后停止淋洗，将柱吸干，挤出吸附剂，按色带分割，分别用溶剂萃取，再各自蒸去溶剂，以获得纯品。
1.2压力、流量与温度
压力、流量与温度是压缩空气的三个基本指标。
由于地球引力的作用，地球表面的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”。
由于地球表面的海拔高度不同，所处不同高度的空气密度不同，所以，处在不同高度上的物体受到的大气压力的大小也不同。
所谓标准大气压力是指在摄氏零度（0℃）条件下，在纬度45度的海平面上，所受到的大气压力（干燥空气），经测量标准大气压力等于760mmHg（汞）/cm2，即每平方厘米承受760mmHg的压力，我们可以换算为kgf（千克力）：
76cm×13.6gf/cm3=1033.6gf/cm2＝1.0336kgf/cm2。
一个标准大气压力相当于每平方厘米承受1.0336kg，约1公斤压力。
压力的法定单位是帕斯卡（Pa）：
1Pa=1N/m2（牛顿/平方米）。
工程上常用的是兆帕（MPa）：
1MPa=106Pa。
也有人习惯用kgf/cm2（千克力/平方厘米）作压力单位，而且f经常省略：
1kgf/cm2＝0.098Mpa。
1个标准大气压力=1.00336×0.098MPa=0.10108MPa≈0.1Mpa。
国外也有用巴（bar）和psi作为压缩空气压力单位的，这些单位与MPa的关系如下：
1bar=0.1MPa
1psi=0.006895Mpa
气体在容器内的压力，在实际应用中有两种不同的表示方法，一种是直接表示气体施于器壁上的压力大小的实际数值，叫做绝对压力，用符号“P（a）”表示；另一种是用压力表测量压力值时的显示值，叫做表压力，用符号“P（g）”表示。
当绝对压力高于当地大气压时，压力表所指示的数值为正值，这时：
P（a）=B+P（g）（B——当地大气压力）
压缩空气的流量用Nm3/min或用Nm3/h来表示，通常表示空气在“空气压缩机吸气状态”下的容积流量。
国家标准GB3853对一般容积式空气压缩机的吸气状态规定为：
空气温度t=20℃，绝对压力P=0.1MPa，相对湿度φ=0％（标准状态）。
空压机厂家对其产品宣传资料中空压机的排气量是基于什么吸气状态下一般都没有表明。
为了与空压机配套，压缩空气干燥机和过滤器等后处理设备的处理能力都是以空气标准状态下的流量来标注的，单位中的N就是表示标准状态，不过N常常被省略。
在国外，一些国家习惯用cfm（每分钟立方英尺）表示压缩空气的流量，cfm与m3/min的换算关系是：
1m3/min=35.315cfm
按照某空压机制造商提供的经验数据，一台排气压力为0.7MPa的空压机，每马力（空压机之电动机的功率，1马力=0.75千瓦）可生产0.1416m3的压缩空气，也就是生产1m3、0.7MPa的压缩空气需要5.3kw的电能。
在压缩空气系统中存在压力降，每0.007MPa的压力降，需要损耗0.7%的功率。
温度反映了物质分子热运动状况，温度单位有“绝对温度”、“摄氏温度”和“华氏温度”三种。
绝对温度：
以气体分子停止运动时的最低极限温度为起点的温度，以T表示，单位为“开（开尔文）”，单位符号为K。
摄氏温度：
以冰的融点为起点的温度，单位为“摄氏度”，单位符号为℃。
华氏温度：
一些欧美的习惯用法，单位符号为F。
这三种温度单位之间的换算关系：
T（K）＝t（℃）＋273.16
t（F）=1.8t（℃）＋32
1.3固体杂质
现在我们周围的空气中含有大量的悬浮物，我国的《环境质量空气标准》把悬浮物作为衡量空气质量的一项重要指标。
该标准把当量直径≤100μm的所有悬浮物称为“总悬浮物”，把当量直径≤10μm的悬浮物称为“可吸入颗粒物”。
空气中的悬浮物种类多样，但可按照粒子的大小来细分。
在流动的空气中悬浮物不容易沉降，在静止的空气中能缓慢沉降。
悬浮物的来源很多，如：
烟煤燃烧时排出的烟尘、汽车排出的尾气、建筑工地、工厂等等都可产生悬浮物。
人的肉眼能看见的最小的物体为30-40μm，人的头发直径为100μm左右，而空气中的绝大部分悬浮物人是看不到的。
对空气中的悬浮物我们在《过滤器》中还有描述。
1.4水1.4.1与水有关的概念自然界几乎没有绝对干燥的空气。
在雾天，空气中的气体水凝结成了水雾，并形成了气溶胶。
由于空气中水的存在，因此压缩空气中必然也有水。
衡量空气含水量的单位有：
水蒸气分压力、绝对湿度、相对湿度、含湿量、露点温度等，下面我们作一一说明：
湿空气是水蒸气与干空气的混合物，在一定体积的湿空气里水蒸气所占的份量（以重量计）通常比干空气要少得多，但按“气体定律”它占有与干空气相同的体积，也具有相同的温度。
湿空气所具有的压力是各组成气体（即干空气与湿空气）分压力的和。
湿空气中水蒸气所具有的压力，称为水蒸气分压，记作Pw（注），其值可反映湿空气中水蒸气含量，饱和空气中水蒸气分压力叫饱和水蒸气分压，记作Pws。
其他表示水在压缩空气中含量的参数都是由水蒸气分压计算而得的。
注：
符号Pw中的w指水（water），Pws中的S指饱和状态（saturation），下同。
表示空气干湿程度的物理量叫“湿度”。
常用的湿度表示方法有“绝对湿度”、“相对湿度”和“含湿量”三种。
绝对湿度是指空气中的水蒸气质量与体积的比率，通常用X表示，单位为kg/m3或g/m3。
我们可用气体状态方程计算：
kg/m3F1.4.1式中：
mw——水蒸气质量kgV——湿空气体积m3Pw——水蒸气压力PaRw——水蒸气气体常数（426.05J/kgK）T——绝对温度K绝对湿度只表明单位体积湿空气中含有多少水蒸气，不能表示湿空气的饱和程度。
从式1.4.1中可以看出，绝对湿度就是湿空气中水蒸气的密度。
饱和空气的绝对湿度（水蒸气密度）是有极限的。
在气动压力（2MPa）范围内，可认为饱和空气中水蒸气的密度只取决于温度的高低而和空气压力大小无关，温度越高，饱和水蒸气的密度越大（这是因为压缩空气中水蒸气分压的大小取决于温度，而绝对湿度是通过水蒸气分压计算而得）。
相对湿度是空气的绝对湿度与相同压力、温度下的饱和绝对湿度之比值。
通常用φ表示，单位为%。
F1.4.2相对湿度φ值在0－100％之间。
在一定压力和温度下：
φ值越小，空气越干燥，吸水能力越强。
φ值越大，空气越潮湿；吸水能力越弱。
我们容易得到相对湿度为100%的空气，不可能得到相对湿度为0%的空气。
“含湿量”可分为“质量含湿量”和“容积含湿量”两种。
1kg干空气含有水蒸气的重量叫做“质量含湿量”，常用dm来表示，单位为g/kg（干空气）或kg/kg（干空气），我们可通过水蒸气分压计算而得：
kg/kg（干空气） F1.4.31m3干空气中所含有的水蒸气重量叫做“容积含湿量”，可用dv表示，单位为g/m3或kg/m3（干空气）。
kg/m3（干空气）F1.4.4从式F1.4.3可以看出，质量含湿量dm几乎同水蒸气分压力Pw成正比，而同空气总压力P成反比。
dm确切反映了空气中含有的水蒸气量的多少。
由于在某一地区，大气压力基本上是定值，所以空气含湿量仅同水蒸气分压力Pw有关。
质量含湿量常用在压缩空气干燥机的设计计算中，而容积含湿量常用在销售工作中。
两者的关系如式1.4.4所示。
按ISO8573.1-2001的规定，压缩空气的标准状态为：
表1-1标准工况空气温度20℃空气压力1bar绝对压力水蒸气分压0*1bar=0.1MPa
因此按F4.3计算所得的质量含湿量，再按F4.4乘上标准状态下的空气密度：
1.205kg/m3即得压缩空气的容积含湿量，单位为：
kg/m3（标准工况）。
第3章中列出了0.101325MPa（a）压力下不同温度空气中饱和含水量。
一定压力下，未饱和空气在保持水蒸气分压不变（即保持绝对含水量不变）情况下降低温度，使之达到饱和状态时的温度叫“露点温度”。
温度降至露点温度时，湿空气中便有凝结水滴析出（称为“结露”），此时空气的相对湿度为100%。
空气压力为1个大气压时称为“大气露点”（也称“常压露点”，按照ISO8573.12.10.1规定大气露点不应用在压缩空气的干燥方面），压缩空气的露点温度称为此压力下的“压力露点”。
湿空气的露点温度与湿空气中水分含量的多少有关。
因此压力露点温度是所有压缩空气干燥机的一个关键性能指标。
我们周围空气中的水分含量与环境温度和相对湿度有关，环境温度决定了饱和水蒸气分压的大小，相对湿度表明了空气的饱和程度。
每个地区一年四季空气中的含水量不同地区也不一样。
具体参见表1-2。
表1-2我国主要城市空气湿度参数地名大气压力（kPa）室外温度（℃）夏季含量（g/kg干）冬季含水量（g/kg干）冬季夏季冬季夏季拉萨65.0065.23-8.0022.805.900.5250乌鲁木齐91.9990.67-27.0034.106.900.2576西宁77.5177.35-15.0025.907.800.4939兰州85.1484.31-13.0030.5010.600.7175呼和浩特90.0988.94-22.0029.9011.600.2962昆明81.1580.801.0025.8012.102.7982银川89.5788.35-18.0030.6013.200.4507太原93.2991.92-15.0031.2014.700.5248贵阳89.7588.79-3.0030.0014.702.3189哈尔滨100.1598.51-29.0030.3015.300.1746西安97.8795.92-8.0035.2015.301.2569长春99.4097.79-26.0030.5016.500.2421石家庄101.6999.56-11.0035.1018.100.7701沈阳102.08100.07-22.0031.4018.100.3386济南102.0299.85-10.0034.8018.700.8748北京102.0499.86-12.0033.2019.000.6093重庆99.1297.322.0036.5019.203.5957郑州101.2899.17-7.0035.6020.201.2654长沙101.9999.94-3.0035.8020.202.4081成都96.3294.771.0031.6020.203.2920南宁101.1499.605.0034.2020.404.1063天津102.66100.48-11.0033.4020.500.7849福州101.2699.64-4.0035.2021.102.0209南昌101.8899.91-3.0035.6021.102.2000广州101.95100.455.0033.5021.103.8325合肥102.23100.09-7.0035.0021.201.5818南京102.52100.40-6.0035.0021.301.6520武汉102.33100.17-5.0035.2021.301.9053海口101.60100.2410.0034.5021.306.5731杭州102.09100.05-4.0035.7021.602.1029上海102.51100.53-4.0034.0021.702.0483
1.4.2大气露点与压力露点的换算
在实际工作中，常常会碰到压力露点与常压露点的换算，压力露点与常压露点之间的对应关系与“压缩比”（注）有关，一般用图或表来表示。
在“压力露点”相同情况下，“压缩比”越大，所对应的常压露点越低。
例如：
0.7Mpa（g）的压缩空气压力露点为2℃时，相当于常压露点为-21.5℃。
当压力提高到1.0Mpa（g）时，同样压力露点为2℃时，对应的常压露点降到-25℃。
1.4.3露点温度的测量
压缩空气露点温度用露点仪测量，测量压缩空气露点的仪器常用的有以下两种：
1）镜面露点仪，其原理是采用制冷方式冷却被测气体至一定温度，其中的水蒸气就可结露在镜面上，采用光学等原理测量出结露时的温度。
该方法从原理上讲只要有足够的制冷措施，就能测量任意露点温度。
但是这种方法的问题在于：
a）对被测气体要求很高，任何杂质和污染都会导致测量误差，b）由于采用制冷方式，工作原理相对复杂，而且每测量一次需要一定的时间。
因此通常此类露点仪不用在在线检测和现场测试，而常在实验室内等使用。
2）电容/电阻露点仪。
这类露点仪具有体积小、携带方便、测量范围大的优点，其传感器通常是氧化铝传感器，最低可测到-100℃的露点温度（如本公司的MD-10PP型露点仪的测量范围是0~-80℃），这类露点仪的缺点是一般只能测常压露点温度，露点传感器会产生负偏移，因此需要每年送计量部门鉴定。
露点仪制造商比较有名气的有：
英国的MISHELL公司、SHAW公司、芬兰Vaisala公司等。
1.5压缩空气的质量标准现代产业使用压缩空气时都有一整套设备、设施，我们把由生产、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统称为气源系统。
典型的气源系统由下列几部分组成：
空气压缩机、后部冷却器、缓冲罐、过滤器（包括油水分离器、预过滤器、除油过滤器、除臭过滤器、灭菌过滤器等等）、干燥机（冷冻式或吸附式）、稳压储气罐、自动排水排污器及输气管道、管路阀件、仪表等。
上述设备根据工艺流程的不同需要，组成完整的气源系统。
空压机排出的压缩空气是不干净的，除了含有水（包括水蒸气、凝结水）和悬浮物外，还有油（包括油雾、油蒸气）。
这些污染物对提高生产效率、降低运行成本、提高产品质量是不利的
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