【壓縮機網(wǎng)】一、壓縮空氣為什么要干燥
空壓機排出的壓縮空氣是不干凈的，除了含有水（包括水蒸氣、凝結(jié)水）和懸浮物外，還有油（包括油霧、油蒸氣）、塵、菌。這些污染物對提高生產(chǎn)效率、降低運行成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量是不利的，因此就需要進行干燥凈化處理。
由于大氣環(huán)境的相對濕度影響，壓縮空氣中含有大量的水。水對于壓縮空氣管路、閥門及使用設(shè)備來說會產(chǎn)生腐蝕和破壞，如氣動元件銹蝕、冰堵等；也會對特殊生產(chǎn)工藝及流程大為不利，如電廠噴灰、水泥輸送等等；同時也可能對產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重影響，如電子產(chǎn)品、藥品、食品生產(chǎn)質(zhì)量影響等等。
1.1 壓縮空氣中水的危害
?、偃菀资构艿冷P蝕，從而縮短管道使用壽命（見圖1）。
?、谂c油、塵混合，容易堵塞管道。
?、蹠档蜕a(chǎn)物料純度，影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。
④容易形成“水錘”現(xiàn)象，破壞用氣設(shè)備。
?、輹绊懺O(shè)備運行速度，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。
?、拊诤涞貐^(qū)，水分結(jié)冰會造成管道凍結(jié)或凍裂。
?、咦躺?xì)菌。
1.2 壓縮空氣中水的來源
壓縮空氣中的水分主要來自大氣，是自然界空氣所固有的，無論是在地球的每一個角落還是春夏秋冬季節(jié)，大氣中均有一定的相對濕度。而空氣中的水蒸氣，經(jīng)過壓縮或降溫，就會變成液態(tài)水析出，從而影響到壓縮空氣的品質(zhì)。在壓縮空氣應(yīng)用的領(lǐng)域中，絕大部分用戶對水分的存在十分敏感，既然不能杜絕空壓機前的空氣水分，那么就需要在空壓系統(tǒng)中去除。
1.3 壓縮空氣中水如何除掉
壓縮空氣中的水通常分兩種：液態(tài)和氣態(tài)，表1可以清晰看到壓縮空氣水含量在空壓系統(tǒng)中變化情況：
?、僖簯B(tài)水可通過加熱—過濾—機械分離等方法除去。在空壓系統(tǒng)設(shè)備中通常采用空壓機后冷加氣水分離器和儲氣管來去除；
?、谒魵馊コ诳諌合到y(tǒng)中稱為“干燥”：壓縮、降溫、吸附和膜分離都可以對空氣進行干燥。在空壓系統(tǒng)設(shè)備中通常采用壓縮（空氣達到壓力露點）、降溫（通過風(fēng)（水）冷卻器、儲氣罐及冷凍式壓縮空氣干燥器（簡稱冷干機））、吸附（吸附式壓縮空氣干燥器（簡稱吸干機））來去除。膜分離技術(shù)不在常規(guī)干燥器的客戶群體里，在后文會有詳細(xì)介紹。
進入空壓機前的空氣中的水分主要是水蒸氣且不飽和。從表1可以看出，相對濕度69%，溫度20℃的大氣經(jīng)過壓縮后（7bar），壓縮空氣經(jīng)空壓機后部冷卻器冷卻后所含水蒸氣就變成飽和，并且會析出42%的液態(tài)水，這個液態(tài)水可以通過氣水分離器和儲氣罐分離去除。而剩下58%的水以水蒸氣形式存在于輸送過程中的壓縮空氣中。如果用戶直接使用未經(jīng)干燥的壓縮空氣就會對生產(chǎn)不利。在1.1有7項壓縮空氣中含水的危害性。因此通常情況下，冷干機和吸干機就成為壓縮空氣干燥的首選設(shè)備。
用戶使用端的壓縮空氣含水量的多少根據(jù)用戶對壓縮空氣的品質(zhì)需求來定。由于大氣經(jīng)過空壓機壓縮為壓縮空氣，空壓機出口溫度一般為：環(huán)境溫度+15℃（風(fēng)冷），環(huán)境溫度+8℃（水冷）。一般來說其壓力露點溫度都會在40～50℃，但在氣體輸送過程中（特別是管道較長或環(huán)境溫度較低）會降溫向室溫靠攏，此時就會不斷有水析出，影響客戶的使用。 用戶對壓縮空氣含水量要求一般有三種：
?、俳?jīng)過空壓機得到的壓縮空氣+冷卻器（可選）+儲氣罐的可以使壓縮空氣降低3～10℃。對于用氣質(zhì)量不高的客戶端基本上能夠滿足，比如鉆機、風(fēng)炮等；
?、诘^大部分工業(yè)企業(yè)對壓縮空氣品質(zhì)需求一般在10℃>壓力露點>0℃時，就需要選用冷干機作為干燥設(shè)備處理壓縮空氣中的水蒸氣了；
?、鄱枨笤趬毫β饵c≤0℃時，則干燥器選用吸干機。
壓縮空氣質(zhì)量等級和具體選用見表2。
二、壓縮空氣如何進行干燥（Class6以上）
2.1冷凍式壓縮空氣干燥器（簡稱冷干機）：采用冷凍除濕原理，將壓縮空氣壓力露點干燥到0～10℃。
2.1.1冷干機的工作原理：利用制冷原理降低壓縮空氣的溫度，使壓縮空氣中的水蒸氣在低溫下過飽和而冷凝成液體，再通過適當(dāng)手段將冷凝水從壓縮空氣中分離后排出，使壓縮空氣得到干燥。冷干機工作分為兩個系統(tǒng)流程（見圖3）。
⑴ 制冷系統(tǒng)流程：通過消耗能量（通常是電），讓低溫的制冷劑在蒸發(fā)器②與壓縮空氣進行熱交換，使壓縮空氣溫度降低到3/7/10℃；
?、?壓縮空氣處理系統(tǒng)流程：壓縮空氣通過熱交換器①和蒸發(fā)器②使其壓力露點降到3/7/10℃，并通過氣水分離器③將析出的液態(tài)水排出壓縮空氣系統(tǒng)。
?、?當(dāng)壓縮空氣的壓力露點溫度降到3/7/10℃，分別去除了92.27%/89.77% /87.50%水蒸氣。（見表1舉例）。
?、?按照制冷系統(tǒng)冷凝器的換熱方式有風(fēng)冷型和水冷型兩種方式。
2.1.2冷干機的設(shè)計理論依據(jù)：熱力學(xué)定律。
2.1.2.1制冷系統(tǒng)流程采用熱力學(xué)第一定律：
熱量和功可以相互轉(zhuǎn)化，冷干機內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
2.1.2.2壓縮空氣處理系統(tǒng)流程則采用熱力學(xué)第二定律：
熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，通過冷干機蒸發(fā)器的壓縮空氣與制冷劑進行熱交換，獲得低露點的氣體品質(zhì)。
2.1.3冷干機的熱力計算：
2.1.3.1已知條件如下
?、倮涓蓹C進氣壓力（MPa）
?、谔幚須饬浚╩3/min）
?、圻M氣露點（℃）
④進氣溫度（℃）
?、堇涓蓹C露點要求（℃）
?、蘩涓蓹C出口溫度（℃）
⑦冷干機出口壓力（MPa）
?、嗬鋮s方式（風(fēng)冷/水冷）
2.1.3.2冷干機計算
主要是在以上已知條件下，對熱交換器、蒸發(fā)器、冷凝器及制冷壓縮機的負(fù)荷進行熱力計算。特別是冷干機進出口溫差和露點要求的選擇，對于冷干機的輸入功率計算影響非常大，在第四章節(jié)會有詳細(xì)說明，這里不再研究了。
2.1.4冷干機的規(guī)定工況：根據(jù)JB/T 10526-2017《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》（見表3）
通常冷干機樣本或銘牌中的處理量和露點溫度就是依據(jù)在規(guī)定工況下的額定處理量。
2.1.5冷干機的性能要求：根據(jù)JB/T 10526-2017《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》，壓縮空氣質(zhì)量等級、出口壓力露點和壓降要求見表4。
2.1.6冷干機選型指南
在保障客戶用氣質(zhì)量（壓力露點）的情況下，由于實際工況發(fā)生變化時，選擇冷干機實際工況處理量應(yīng)參考產(chǎn)品樣本的標(biāo)準(zhǔn)處理量（標(biāo)準(zhǔn)工況見表4）及修正系數(shù)（見表5）按以下公式選型:
處理量（m3/min）=標(biāo)準(zhǔn)處理量（m3/min） /（sf進氣溫度*sf環(huán)境溫度或sf進水溫度*sf進氣壓力）
2.2吸附式壓縮空氣干燥器（簡稱吸干機）
2.2.1吸干機的工作原理：當(dāng)壓縮空氣通過吸附式壓縮空氣干燥機時，工作塔內(nèi)的干燥劑將壓縮空氣中的水蒸氣吸附，從而除去壓縮空氣中的水份，從而達到壓縮空氣干燥的目的。吸干機工作分為兩個系統(tǒng)流程：
?、?吸附過程：當(dāng)壓縮空氣通過工作塔①時（見圖5），其水蒸氣由于物理吸附動力-范德華力的作用下，水蒸氣向吸附劑（氧化鋁/分子篩）滲透，使得壓縮空氣中的水蒸氣含量減少，經(jīng)過吸干機處理后的壓縮空氣露點可達-20/-40/-70℃，可去除98.95%/99.86%/～100%水蒸氣。（數(shù)據(jù)來自表1）。
⑵ 解析（也稱為”再生”，下同）過程：在工作塔吸附的同時，再生塔②（見圖5）內(nèi)吸附飽和的干燥劑通過無熱/有熱等再生方式將水分解析排出塔體，使其再具有吸附功能，為下一次吸附準(zhǔn)備。圖5是三種不同再生方式的吸干機。
2.2.2吸干機的設(shè)計理論依據(jù)
2.2.2.1熱力學(xué)定律
⑴ 吸附過程：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，吸附過程是一個放熱過程，從而自然降低能量的過程，無需消耗外部能量。
?、?解析過程：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，解析過程是一個吸熱過程，需要消耗外部能量。
?、?從宏觀的角度來說，吸附劑吸附或解析到一定數(shù)量的物質(zhì)后就達到了飽和，不能進一步吸附或解析；從微觀的方面來看，吸附和解析作用一直是在同時進行的，通常有三種狀態(tài)：
a)平衡狀態(tài)：吸附和解析的速率相同，此時處于準(zhǔn)備切換，（如圖6的中圖）；
b)吸附狀態(tài)：吸附速率>解析速率（如圖6的左圖），此時是工作過程；
c)解析狀態(tài)：解析速率>吸附速率（如圖6的右圖），此時是再生過程；
2.2.2.2吸附熱力學(xué)：等溫吸附線，等壓吸附線和等量吸附線。
2.2.2.2.1等溫吸附線——表示在一定溫度時，吸附劑的吸附量和空氣中水分壓的關(guān)系。相同溫度下，吸附劑不同，吸附水蒸氣量不同；同一吸附劑在同一溫度下，壓力越低，越難吸附。解析則反之。
?、?無熱再生吸附干燥器主要參考“等溫吸附線”理論，干燥劑的解析沒有外界輸入能量，主要是通過降低再生水分壓的方式進行解析。
?、?無熱再生式干燥器工作原理：
◆吸附過程：溫度不變，空壓系統(tǒng)壓力下，工作塔內(nèi)的干燥劑具有很強的吸水能力，水分壓力升高，吸附速率>解析速率，此時通過干燥劑的壓縮空氣不斷被被工作塔內(nèi)的吸附劑吸附干燥；
◆再生過程：同時，部分成品氣(稱為再生氣)通過節(jié)流減壓至大氣壓，這種壓力變化使膨脹空氣相對濕度更低，然后讓它流過已吸收足夠水干燥劑的再生塔，吸收干燥劑里的水分，將其帶出干燥器來達到解析目的。再生塔內(nèi)水分壓力降低，解析速率>吸附速率；
◆流程參見圖8。
?、塾捎谖竭^程會放熱（吸附熱），熱量的堆積不利于吸附（見圖7左圖），所以無熱再生式干燥器的工作周期短，一般不會超過十分鐘。由于解析過程需要成品氣體對再生塔解析，通常耗氣量在15%左右。
?、軣o熱再生式干燥器再生耗氣量理論極限最小值計算：
◆Q再生耗氣量=P再生壓力（絕壓） / P工作壓力（絕壓）*100%
◆比如0.7MPa工作壓下再生氣量=1/(1+7）*100%=12.5%
◆由于吸附放熱損失，吸附塔放空損失，設(shè)計裕量等等因素，無熱再生干燥器的再生氣耗要遠(yuǎn)高于上述最小值，可達到20%甚至更高，特別是對于短周期，體積小的塔體。
2.2.2.2.2等壓吸附線——表示在一定壓力時，吸附劑的吸附量和吸附溫度之間的關(guān)系。在同一壓力下，溫度越高，越難吸附。解析反之。見圖9。
?、?微熱再生吸附干燥器主要參考“等壓吸附線”理論，干燥劑的解析有一定的外界輸入能量（電加熱），主要是通過提高再生氣溫度和降低水分壓的方式進行解析。
?、?微熱再生式干燥器工作原理：
◆吸附過程：進氣溫度不變，在空壓系統(tǒng)壓力下，工作塔內(nèi)的干燥劑具有很強的吸水能力，水分壓力升高，吸附速率>解析速率，此時通過干燥劑的壓縮空氣不斷被工作塔內(nèi)的吸附劑吸附干燥；
◆再生過程：同時，少量成品空氣（稱為再生氣）經(jīng)節(jié)流減壓至大氣壓，通過內(nèi)置加熱器加熱到200度左右變成高溫空氣對已吸收足夠水干燥劑的再生塔進行解析，帶走再生塔內(nèi)干燥劑里的水分，并將其帶出干燥器來達到解析目的。再生塔內(nèi)水分壓力降低且吸附劑床層溫度升高，解析速率>吸附速率；
◆流程參見圖10。
?、塾捎诮馕鲞^程有外熱的參與，因此微熱再生式干燥器的再生氣量比無熱再生式干燥器的再生氣量少。且干燥劑的解析程度更深，微熱再生式干燥器的工作周期一般為8小時。由于解析過程需要成品氣體對再生塔解析且提高了再生氣溫度，通常耗氣量在8%左右。
?、芪嵩偕礁稍锲髟偕臍饬坷碚摌O限最小值計算：
◆Q再生耗氣量=（T進氣溫度*P再生壓力（絕壓））/（T再生溫度*P工作壓力（絕壓））*100%
◆比如0.7MPa工作壓下進氣溫度38℃，再生溫度200℃，再生氣量=（273+38）*1/（（273+200）*(1+7）)=8.4%
2.2.2.2.3等量吸附線——對于一定吸附量時，所對應(yīng)的平衡溫度與壓力之間的關(guān)系。壓力越高，溫度越低，越容易吸附，解析反之。見圖11
?、?外加熱再生吸附干燥器主要參考“等量吸附線”理論。干燥劑的解析利用鼓風(fēng)機抽取環(huán)境空氣代替昂貴的成品氣，并通過外界輸入能量（電加熱），提高再生氣溫度和降低再生水分壓的方式進行解析。少量成品氣經(jīng)節(jié)流后的干燥成品氣利用再生塔吸附劑床層余熱二次再生并吹冷，使吸附劑恢復(fù)活性。
?、?外加熱再生式干燥器工作原理
◆吸附過程：進氣溫度不變，在空壓系統(tǒng)壓力下，工作塔內(nèi)的干燥劑具有很強的吸水能力，水分壓力升高，吸附速率>解析速率，此時通過干燥劑的壓縮空氣不斷被工作塔內(nèi)的吸附劑吸附干燥；
◆再生過程：同時，讓外部空氣(稱為再生氣)通過鼓風(fēng)機流過外置的加熱器產(chǎn)生200℃高溫空氣帶走再生塔內(nèi)干燥劑里的水分，將其帶出干燥機。少量成品空氣經(jīng)節(jié)流減壓至大氣壓，利用再生塔吸附劑床層余熱二次再生并吹冷，再次帶走再生塔內(nèi)干燥劑里的水分，使再生塔內(nèi)吸附劑恢復(fù)活性，等待下一周期的工作。再生塔內(nèi)水分壓力降低且吸附劑床層溫度升高，解析速率>吸附速率；
◆流程參見圖12。
?、塾捎诮馕鲞^程有利用外部空氣加熱作為再生氣，因此外加熱再生式干燥器的再生氣量比無熱再生式干燥器和微熱再生式干燥器的再生氣量都少（僅作為吹冷用）。且干燥劑的解析程度最深，外加熱再生式干燥器的工作周期一般為8小時。由于解析過程的再生氣為外部氣體，僅需要成品氣體對再生塔吹冷，所以通常耗氣量在3%左右。
④外加熱再生式干燥器再生耗氣量理論極限最小值計算：
◆Q再生耗氣量=（T吹冷/T工作）*（ P再生壓力（絕壓） / P工作壓力（絕壓））*100%
◆比如0.7MPa工作周期8h，吹冷周期2h，再生氣量=（2/8）*（1/(1+7）)*100% =3.1%
◆由于成品氣的成本是非常昂貴的，技術(shù)的發(fā)展方向總是希望消滅成品氣消耗，因此誕生了零氣耗外加熱再生干燥器。這種零氣耗鼓風(fēng)的吸附和加熱流程沒有變化，不同的是采用環(huán)境空氣對再生塔吸附劑吹冷，從而節(jié)省了成品壓縮空氣。
2.2.2.2.4吸干機設(shè)計理論及工作原理總結(jié)：
?、?吸附與解析的循環(huán)是吸附式壓縮空氣干燥器的工作方式：
1)工作塔：吸附速率>解析速率；
2)再生塔：解析速率>吸附速率 ；
3)切換條件：解析速率=吸附速率
?、?從吸附熱力學(xué)的三條吸附線（圖7/9/11）我們可以得出：
1)吸附過程是放熱過程：降低溫度和提高水蒸氣的分壓力可以增加吸附量；解析過程就是吸熱過程：提高溫度和降低壓力可以增強解析效果；
2)因此，吸附時溫度越低越好，水分壓越高越好；反之，解析時的溫度越高越好，水分壓越低越好；（見圖13）
3)由于再生方式的不同，其能耗也相應(yīng)不同。
◆從耗氣量比較：無熱再生>微熱再生>外加熱再生；
◆從耗電量來看：無熱再生<微熱再生<外加熱再生。
◆對于吸干機來說，綜合耗能都不低，但是如果通過對以上理論進一步融合，吸干機還可以進一步利用空壓機或其他設(shè)備的余熱把耗電量和再生氣量降低。文章后面會有詳細(xì)解讀。
?、?常規(guī)吸干機的分類：根據(jù)吸附/解析方式分為三類：
a)無熱再生吸干機
b)微熱再生吸干機
c)外加熱再生吸干機
2.2.3吸干機規(guī)定工況：根據(jù)JB/T 10532-2017《一般用吸附式壓縮空氣干燥器》規(guī)定A2是常規(guī)吸干機的規(guī)定工況。見表6
通常吸干機樣本或銘牌中的處理量和露點溫度就是依據(jù)在規(guī)定工況下的額定處理量。
2.2.4吸干機干機的性能要求：根據(jù)JB/T 10532-2017《一般用吸附式壓縮空氣干燥器》，壓縮空氣質(zhì)量等級，出口壓力露點，耗氣量和壓降要求見表7
2.2.5吸干機選型指南
在保障客戶用氣質(zhì)量（壓力露點見表7-1）的情況下，由于實際工況發(fā)生變化時，選擇吸干機實際工況處理量應(yīng)參考產(chǎn)品樣本的標(biāo)準(zhǔn)處理量（標(biāo)準(zhǔn)工況見表6）及修正系數(shù)（見表8）按以下公式選型:
處理量（m3/min）=標(biāo)準(zhǔn)處理量（m3/min） /（sf進氣溫度*sf進氣壓力）
2.3壓縮空氣干燥器的擴展和創(chuàng)新
壓縮空氣干燥器市場上90%都是常規(guī)冷干機和吸干機（以上介紹），因為在客戶用氣質(zhì)量保障的前提下，更多的客戶考慮空壓系統(tǒng)設(shè)備的采購成本：
冷干機<無熱再生吸干機<微熱再生吸干機<外加熱吸干機
隨著科技進步，有些特殊客戶對壓縮空氣干燥器的采購成本要求不是那么強烈，對使用效果和使用成本卻情有獨鐘，于是便催生了：組合式干燥器、膜式干燥器、模組吸干機、變頻式冷干機、蓄冷式冷干機、轉(zhuǎn)鼓吸干機、壓縮熱吸干機等明星產(chǎn)品。由于其性能超群，銷售價格也高，在特點市場和客戶群體很受歡迎，但市場容量及普及性較低，這里就不作介紹，不過其基本理論都是來源于以上介紹，筆者將在之后將以“干燥技術(shù)在壓縮空氣藍(lán)海市場的應(yīng)用”為主題，另文進行詳細(xì)解讀，敬請期待！
參考資料
JB_T 10526-2017 《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》；
JB_T 10526-2017 《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》；
ISO 8573-1 2010 《壓縮空氣 第1部分：污染物和純度等級》；
T/CGMA033001-2018《壓縮空氣站能效分級指南》
T/CGMA ××××—××××《一般用壓縮空氣干燥器選型指南》征求意見稿；
《壓縮空氣干燥與凈化設(shè)備》；
《壓縮空氣應(yīng)用指南》；
《容積式壓縮機技術(shù)手冊 化工、動力、制冷》
作者簡介
第一作者：梁柳生，1968年，男，廣西柳州，大學(xué)本科。高級工程師，1990開始從事空壓機行業(yè)工作；有在國企，合資及外企工作經(jīng)歷，其中22年在AC集團工作。先后從事過空壓機及后處理設(shè)備的產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品工藝、生產(chǎn)管理、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤服務(wù)等及全國銷售總監(jiān)并有在歐洲學(xué)習(xí)和工作的經(jīng)歷。2017年創(chuàng)辦上善氣體工作室，專業(yè)從事壓縮空氣系統(tǒng)研究，精益生產(chǎn)管理及銷售的培訓(xùn)工作。國家標(biāo)準(zhǔn)JBT10526-2005《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》第一起草人。全國壓縮機標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會副主任委員
第二作者：梁翰林，上善氣體工作室講師助理
<注：未完待續(xù)，更多精彩見下期……>
來源：本站原創(chuàng)
空壓機排出的壓縮空氣是不干凈的，除了含有水（包括水蒸氣、凝結(jié)水）和懸浮物外，還有油（包括油霧、油蒸氣）、塵、菌。這些污染物對提高生產(chǎn)效率、降低運行成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量是不利的，因此就需要進行干燥凈化處理。
由于大氣環(huán)境的相對濕度影響，壓縮空氣中含有大量的水。水對于壓縮空氣管路、閥門及使用設(shè)備來說會產(chǎn)生腐蝕和破壞，如氣動元件銹蝕、冰堵等；也會對特殊生產(chǎn)工藝及流程大為不利，如電廠噴灰、水泥輸送等等；同時也可能對產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重影響，如電子產(chǎn)品、藥品、食品生產(chǎn)質(zhì)量影響等等。
1.1 壓縮空氣中水的危害
?、偃菀资构艿冷P蝕，從而縮短管道使用壽命（見圖1）。
?、谂c油、塵混合，容易堵塞管道。
?、蹠档蜕a(chǎn)物料純度，影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。
④容易形成“水錘”現(xiàn)象，破壞用氣設(shè)備。
?、輹绊懺O(shè)備運行速度，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。
?、拊诤涞貐^(qū)，水分結(jié)冰會造成管道凍結(jié)或凍裂。
?、咦躺?xì)菌。
1.2 壓縮空氣中水的來源
壓縮空氣中的水分主要來自大氣，是自然界空氣所固有的，無論是在地球的每一個角落還是春夏秋冬季節(jié)，大氣中均有一定的相對濕度。而空氣中的水蒸氣，經(jīng)過壓縮或降溫，就會變成液態(tài)水析出，從而影響到壓縮空氣的品質(zhì)。在壓縮空氣應(yīng)用的領(lǐng)域中，絕大部分用戶對水分的存在十分敏感，既然不能杜絕空壓機前的空氣水分，那么就需要在空壓系統(tǒng)中去除。
1.3 壓縮空氣中水如何除掉
壓縮空氣中的水通常分兩種：液態(tài)和氣態(tài)，表1可以清晰看到壓縮空氣水含量在空壓系統(tǒng)中變化情況：
?、僖簯B(tài)水可通過加熱—過濾—機械分離等方法除去。在空壓系統(tǒng)設(shè)備中通常采用空壓機后冷加氣水分離器和儲氣管來去除；
?、谒魵馊コ诳諌合到y(tǒng)中稱為“干燥”：壓縮、降溫、吸附和膜分離都可以對空氣進行干燥。在空壓系統(tǒng)設(shè)備中通常采用壓縮（空氣達到壓力露點）、降溫（通過風(fēng)（水）冷卻器、儲氣罐及冷凍式壓縮空氣干燥器（簡稱冷干機））、吸附（吸附式壓縮空氣干燥器（簡稱吸干機））來去除。膜分離技術(shù)不在常規(guī)干燥器的客戶群體里，在后文會有詳細(xì)介紹。
進入空壓機前的空氣中的水分主要是水蒸氣且不飽和。從表1可以看出，相對濕度69%，溫度20℃的大氣經(jīng)過壓縮后（7bar），壓縮空氣經(jīng)空壓機后部冷卻器冷卻后所含水蒸氣就變成飽和，并且會析出42%的液態(tài)水，這個液態(tài)水可以通過氣水分離器和儲氣罐分離去除。而剩下58%的水以水蒸氣形式存在于輸送過程中的壓縮空氣中。如果用戶直接使用未經(jīng)干燥的壓縮空氣就會對生產(chǎn)不利。在1.1有7項壓縮空氣中含水的危害性。因此通常情況下，冷干機和吸干機就成為壓縮空氣干燥的首選設(shè)備。
用戶使用端的壓縮空氣含水量的多少根據(jù)用戶對壓縮空氣的品質(zhì)需求來定。由于大氣經(jīng)過空壓機壓縮為壓縮空氣，空壓機出口溫度一般為：環(huán)境溫度+15℃（風(fēng)冷），環(huán)境溫度+8℃（水冷）。一般來說其壓力露點溫度都會在40～50℃，但在氣體輸送過程中（特別是管道較長或環(huán)境溫度較低）會降溫向室溫靠攏，此時就會不斷有水析出，影響客戶的使用。 用戶對壓縮空氣含水量要求一般有三種：
?、俳?jīng)過空壓機得到的壓縮空氣+冷卻器（可選）+儲氣罐的可以使壓縮空氣降低3～10℃。對于用氣質(zhì)量不高的客戶端基本上能夠滿足，比如鉆機、風(fēng)炮等；
?、诘^大部分工業(yè)企業(yè)對壓縮空氣品質(zhì)需求一般在10℃>壓力露點>0℃時，就需要選用冷干機作為干燥設(shè)備處理壓縮空氣中的水蒸氣了；
?、鄱枨笤趬毫β饵c≤0℃時，則干燥器選用吸干機。
壓縮空氣質(zhì)量等級和具體選用見表2。
二、壓縮空氣如何進行干燥（Class6以上）
2.1冷凍式壓縮空氣干燥器（簡稱冷干機）：采用冷凍除濕原理，將壓縮空氣壓力露點干燥到0～10℃。
2.1.1冷干機的工作原理：利用制冷原理降低壓縮空氣的溫度，使壓縮空氣中的水蒸氣在低溫下過飽和而冷凝成液體，再通過適當(dāng)手段將冷凝水從壓縮空氣中分離后排出，使壓縮空氣得到干燥。冷干機工作分為兩個系統(tǒng)流程（見圖3）。
⑴ 制冷系統(tǒng)流程：通過消耗能量（通常是電），讓低溫的制冷劑在蒸發(fā)器②與壓縮空氣進行熱交換，使壓縮空氣溫度降低到3/7/10℃；
?、?壓縮空氣處理系統(tǒng)流程：壓縮空氣通過熱交換器①和蒸發(fā)器②使其壓力露點降到3/7/10℃，并通過氣水分離器③將析出的液態(tài)水排出壓縮空氣系統(tǒng)。
?、?當(dāng)壓縮空氣的壓力露點溫度降到3/7/10℃，分別去除了92.27%/89.77% /87.50%水蒸氣。（見表1舉例）。
?、?按照制冷系統(tǒng)冷凝器的換熱方式有風(fēng)冷型和水冷型兩種方式。
2.1.2冷干機的設(shè)計理論依據(jù)：熱力學(xué)定律。
2.1.2.1制冷系統(tǒng)流程采用熱力學(xué)第一定律：
熱量和功可以相互轉(zhuǎn)化，冷干機內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
2.1.2.2壓縮空氣處理系統(tǒng)流程則采用熱力學(xué)第二定律：
熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，通過冷干機蒸發(fā)器的壓縮空氣與制冷劑進行熱交換，獲得低露點的氣體品質(zhì)。
2.1.3冷干機的熱力計算：
2.1.3.1已知條件如下
?、倮涓蓹C進氣壓力（MPa）
?、谔幚須饬浚╩3/min）
?、圻M氣露點（℃）
④進氣溫度（℃）
?、堇涓蓹C露點要求（℃）
?、蘩涓蓹C出口溫度（℃）
⑦冷干機出口壓力（MPa）
?、嗬鋮s方式（風(fēng)冷/水冷）
2.1.3.2冷干機計算
主要是在以上已知條件下，對熱交換器、蒸發(fā)器、冷凝器及制冷壓縮機的負(fù)荷進行熱力計算。特別是冷干機進出口溫差和露點要求的選擇，對于冷干機的輸入功率計算影響非常大，在第四章節(jié)會有詳細(xì)說明，這里不再研究了。
2.1.4冷干機的規(guī)定工況：根據(jù)JB/T 10526-2017《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》（見表3）
通常冷干機樣本或銘牌中的處理量和露點溫度就是依據(jù)在規(guī)定工況下的額定處理量。
2.1.5冷干機的性能要求：根據(jù)JB/T 10526-2017《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》，壓縮空氣質(zhì)量等級、出口壓力露點和壓降要求見表4。
2.1.6冷干機選型指南
在保障客戶用氣質(zhì)量（壓力露點）的情況下，由于實際工況發(fā)生變化時，選擇冷干機實際工況處理量應(yīng)參考產(chǎn)品樣本的標(biāo)準(zhǔn)處理量（標(biāo)準(zhǔn)工況見表4）及修正系數(shù)（見表5）按以下公式選型:
處理量（m3/min）=標(biāo)準(zhǔn)處理量（m3/min） /（sf進氣溫度*sf環(huán)境溫度或sf進水溫度*sf進氣壓力）
2.2吸附式壓縮空氣干燥器（簡稱吸干機）
2.2.1吸干機的工作原理：當(dāng)壓縮空氣通過吸附式壓縮空氣干燥機時，工作塔內(nèi)的干燥劑將壓縮空氣中的水蒸氣吸附，從而除去壓縮空氣中的水份，從而達到壓縮空氣干燥的目的。吸干機工作分為兩個系統(tǒng)流程：
?、?吸附過程：當(dāng)壓縮空氣通過工作塔①時（見圖5），其水蒸氣由于物理吸附動力-范德華力的作用下，水蒸氣向吸附劑（氧化鋁/分子篩）滲透，使得壓縮空氣中的水蒸氣含量減少，經(jīng)過吸干機處理后的壓縮空氣露點可達-20/-40/-70℃，可去除98.95%/99.86%/～100%水蒸氣。（數(shù)據(jù)來自表1）。
⑵ 解析（也稱為”再生”，下同）過程：在工作塔吸附的同時，再生塔②（見圖5）內(nèi)吸附飽和的干燥劑通過無熱/有熱等再生方式將水分解析排出塔體，使其再具有吸附功能，為下一次吸附準(zhǔn)備。圖5是三種不同再生方式的吸干機。
2.2.2吸干機的設(shè)計理論依據(jù)
2.2.2.1熱力學(xué)定律
⑴ 吸附過程：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，吸附過程是一個放熱過程，從而自然降低能量的過程，無需消耗外部能量。
?、?解析過程：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，解析過程是一個吸熱過程，需要消耗外部能量。
?、?從宏觀的角度來說，吸附劑吸附或解析到一定數(shù)量的物質(zhì)后就達到了飽和，不能進一步吸附或解析；從微觀的方面來看，吸附和解析作用一直是在同時進行的，通常有三種狀態(tài)：
a)平衡狀態(tài)：吸附和解析的速率相同，此時處于準(zhǔn)備切換，（如圖6的中圖）；
b)吸附狀態(tài)：吸附速率>解析速率（如圖6的左圖），此時是工作過程；
c)解析狀態(tài)：解析速率>吸附速率（如圖6的右圖），此時是再生過程；
2.2.2.2吸附熱力學(xué)：等溫吸附線，等壓吸附線和等量吸附線。
2.2.2.2.1等溫吸附線——表示在一定溫度時，吸附劑的吸附量和空氣中水分壓的關(guān)系。相同溫度下，吸附劑不同，吸附水蒸氣量不同；同一吸附劑在同一溫度下，壓力越低，越難吸附。解析則反之。
?、?無熱再生吸附干燥器主要參考“等溫吸附線”理論，干燥劑的解析沒有外界輸入能量，主要是通過降低再生水分壓的方式進行解析。
?、?無熱再生式干燥器工作原理：
◆吸附過程：溫度不變，空壓系統(tǒng)壓力下，工作塔內(nèi)的干燥劑具有很強的吸水能力，水分壓力升高，吸附速率>解析速率，此時通過干燥劑的壓縮空氣不斷被被工作塔內(nèi)的吸附劑吸附干燥；
◆再生過程：同時，部分成品氣(稱為再生氣)通過節(jié)流減壓至大氣壓，這種壓力變化使膨脹空氣相對濕度更低，然后讓它流過已吸收足夠水干燥劑的再生塔，吸收干燥劑里的水分，將其帶出干燥器來達到解析目的。再生塔內(nèi)水分壓力降低，解析速率>吸附速率；
◆流程參見圖8。
?、塾捎谖竭^程會放熱（吸附熱），熱量的堆積不利于吸附（見圖7左圖），所以無熱再生式干燥器的工作周期短，一般不會超過十分鐘。由于解析過程需要成品氣體對再生塔解析，通常耗氣量在15%左右。
?、軣o熱再生式干燥器再生耗氣量理論極限最小值計算：
◆Q再生耗氣量=P再生壓力（絕壓） / P工作壓力（絕壓）*100%
◆比如0.7MPa工作壓下再生氣量=1/(1+7）*100%=12.5%
◆由于吸附放熱損失，吸附塔放空損失，設(shè)計裕量等等因素，無熱再生干燥器的再生氣耗要遠(yuǎn)高于上述最小值，可達到20%甚至更高，特別是對于短周期，體積小的塔體。
2.2.2.2.2等壓吸附線——表示在一定壓力時，吸附劑的吸附量和吸附溫度之間的關(guān)系。在同一壓力下，溫度越高，越難吸附。解析反之。見圖9。
?、?微熱再生吸附干燥器主要參考“等壓吸附線”理論，干燥劑的解析有一定的外界輸入能量（電加熱），主要是通過提高再生氣溫度和降低水分壓的方式進行解析。
?、?微熱再生式干燥器工作原理：
◆吸附過程：進氣溫度不變，在空壓系統(tǒng)壓力下，工作塔內(nèi)的干燥劑具有很強的吸水能力，水分壓力升高，吸附速率>解析速率，此時通過干燥劑的壓縮空氣不斷被工作塔內(nèi)的吸附劑吸附干燥；
◆再生過程：同時，少量成品空氣（稱為再生氣）經(jīng)節(jié)流減壓至大氣壓，通過內(nèi)置加熱器加熱到200度左右變成高溫空氣對已吸收足夠水干燥劑的再生塔進行解析，帶走再生塔內(nèi)干燥劑里的水分，并將其帶出干燥器來達到解析目的。再生塔內(nèi)水分壓力降低且吸附劑床層溫度升高，解析速率>吸附速率；
◆流程參見圖10。
?、塾捎诮馕鲞^程有外熱的參與，因此微熱再生式干燥器的再生氣量比無熱再生式干燥器的再生氣量少。且干燥劑的解析程度更深，微熱再生式干燥器的工作周期一般為8小時。由于解析過程需要成品氣體對再生塔解析且提高了再生氣溫度，通常耗氣量在8%左右。
?、芪嵩偕礁稍锲髟偕臍饬坷碚摌O限最小值計算：
◆Q再生耗氣量=（T進氣溫度*P再生壓力（絕壓））/（T再生溫度*P工作壓力（絕壓））*100%
◆比如0.7MPa工作壓下進氣溫度38℃，再生溫度200℃，再生氣量=（273+38）*1/（（273+200）*(1+7）)=8.4%
2.2.2.2.3等量吸附線——對于一定吸附量時，所對應(yīng)的平衡溫度與壓力之間的關(guān)系。壓力越高，溫度越低，越容易吸附，解析反之。見圖11
?、?外加熱再生吸附干燥器主要參考“等量吸附線”理論。干燥劑的解析利用鼓風(fēng)機抽取環(huán)境空氣代替昂貴的成品氣，并通過外界輸入能量（電加熱），提高再生氣溫度和降低再生水分壓的方式進行解析。少量成品氣經(jīng)節(jié)流后的干燥成品氣利用再生塔吸附劑床層余熱二次再生并吹冷，使吸附劑恢復(fù)活性。
?、?外加熱再生式干燥器工作原理
◆吸附過程：進氣溫度不變，在空壓系統(tǒng)壓力下，工作塔內(nèi)的干燥劑具有很強的吸水能力，水分壓力升高，吸附速率>解析速率，此時通過干燥劑的壓縮空氣不斷被工作塔內(nèi)的吸附劑吸附干燥；
◆再生過程：同時，讓外部空氣(稱為再生氣)通過鼓風(fēng)機流過外置的加熱器產(chǎn)生200℃高溫空氣帶走再生塔內(nèi)干燥劑里的水分，將其帶出干燥機。少量成品空氣經(jīng)節(jié)流減壓至大氣壓，利用再生塔吸附劑床層余熱二次再生并吹冷，再次帶走再生塔內(nèi)干燥劑里的水分，使再生塔內(nèi)吸附劑恢復(fù)活性，等待下一周期的工作。再生塔內(nèi)水分壓力降低且吸附劑床層溫度升高，解析速率>吸附速率；
◆流程參見圖12。
?、塾捎诮馕鲞^程有利用外部空氣加熱作為再生氣，因此外加熱再生式干燥器的再生氣量比無熱再生式干燥器和微熱再生式干燥器的再生氣量都少（僅作為吹冷用）。且干燥劑的解析程度最深，外加熱再生式干燥器的工作周期一般為8小時。由于解析過程的再生氣為外部氣體，僅需要成品氣體對再生塔吹冷，所以通常耗氣量在3%左右。
④外加熱再生式干燥器再生耗氣量理論極限最小值計算：
◆Q再生耗氣量=（T吹冷/T工作）*（ P再生壓力（絕壓） / P工作壓力（絕壓））*100%
◆比如0.7MPa工作周期8h，吹冷周期2h，再生氣量=（2/8）*（1/(1+7）)*100% =3.1%
◆由于成品氣的成本是非常昂貴的，技術(shù)的發(fā)展方向總是希望消滅成品氣消耗，因此誕生了零氣耗外加熱再生干燥器。這種零氣耗鼓風(fēng)的吸附和加熱流程沒有變化，不同的是采用環(huán)境空氣對再生塔吸附劑吹冷，從而節(jié)省了成品壓縮空氣。
2.2.2.2.4吸干機設(shè)計理論及工作原理總結(jié)：
?、?吸附與解析的循環(huán)是吸附式壓縮空氣干燥器的工作方式：
1)工作塔：吸附速率>解析速率；
2)再生塔：解析速率>吸附速率 ；
3)切換條件：解析速率=吸附速率
?、?從吸附熱力學(xué)的三條吸附線（圖7/9/11）我們可以得出：
1)吸附過程是放熱過程：降低溫度和提高水蒸氣的分壓力可以增加吸附量；解析過程就是吸熱過程：提高溫度和降低壓力可以增強解析效果；
2)因此，吸附時溫度越低越好，水分壓越高越好；反之，解析時的溫度越高越好，水分壓越低越好；（見圖13）
3)由于再生方式的不同，其能耗也相應(yīng)不同。
◆從耗氣量比較：無熱再生>微熱再生>外加熱再生；
◆從耗電量來看：無熱再生<微熱再生<外加熱再生。
◆對于吸干機來說，綜合耗能都不低，但是如果通過對以上理論進一步融合，吸干機還可以進一步利用空壓機或其他設(shè)備的余熱把耗電量和再生氣量降低。文章后面會有詳細(xì)解讀。
?、?常規(guī)吸干機的分類：根據(jù)吸附/解析方式分為三類：
a)無熱再生吸干機
b)微熱再生吸干機
c)外加熱再生吸干機
2.2.3吸干機規(guī)定工況：根據(jù)JB/T 10532-2017《一般用吸附式壓縮空氣干燥器》規(guī)定A2是常規(guī)吸干機的規(guī)定工況。見表6
通常吸干機樣本或銘牌中的處理量和露點溫度就是依據(jù)在規(guī)定工況下的額定處理量。
2.2.4吸干機干機的性能要求：根據(jù)JB/T 10532-2017《一般用吸附式壓縮空氣干燥器》，壓縮空氣質(zhì)量等級，出口壓力露點，耗氣量和壓降要求見表7
2.2.5吸干機選型指南
在保障客戶用氣質(zhì)量（壓力露點見表7-1）的情況下，由于實際工況發(fā)生變化時，選擇吸干機實際工況處理量應(yīng)參考產(chǎn)品樣本的標(biāo)準(zhǔn)處理量（標(biāo)準(zhǔn)工況見表6）及修正系數(shù)（見表8）按以下公式選型:
處理量（m3/min）=標(biāo)準(zhǔn)處理量（m3/min） /（sf進氣溫度*sf進氣壓力）
2.3壓縮空氣干燥器的擴展和創(chuàng)新
壓縮空氣干燥器市場上90%都是常規(guī)冷干機和吸干機（以上介紹），因為在客戶用氣質(zhì)量保障的前提下，更多的客戶考慮空壓系統(tǒng)設(shè)備的采購成本：
冷干機<無熱再生吸干機<微熱再生吸干機<外加熱吸干機
隨著科技進步，有些特殊客戶對壓縮空氣干燥器的采購成本要求不是那么強烈，對使用效果和使用成本卻情有獨鐘，于是便催生了：組合式干燥器、膜式干燥器、模組吸干機、變頻式冷干機、蓄冷式冷干機、轉(zhuǎn)鼓吸干機、壓縮熱吸干機等明星產(chǎn)品。由于其性能超群，銷售價格也高，在特點市場和客戶群體很受歡迎，但市場容量及普及性較低，這里就不作介紹，不過其基本理論都是來源于以上介紹，筆者將在之后將以“干燥技術(shù)在壓縮空氣藍(lán)海市場的應(yīng)用”為主題，另文進行詳細(xì)解讀，敬請期待！
參考資料
JB_T 10526-2017 《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》；
JB_T 10526-2017 《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》；
ISO 8573-1 2010 《壓縮空氣 第1部分：污染物和純度等級》；
T/CGMA033001-2018《壓縮空氣站能效分級指南》
T/CGMA ××××—××××《一般用壓縮空氣干燥器選型指南》征求意見稿；
《壓縮空氣干燥與凈化設(shè)備》；
《壓縮空氣應(yīng)用指南》；
《容積式壓縮機技術(shù)手冊 化工、動力、制冷》
作者簡介
第一作者：梁柳生，1968年，男，廣西柳州，大學(xué)本科。高級工程師，1990開始從事空壓機行業(yè)工作；有在國企，合資及外企工作經(jīng)歷，其中22年在AC集團工作。先后從事過空壓機及后處理設(shè)備的產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品工藝、生產(chǎn)管理、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤服務(wù)等及全國銷售總監(jiān)并有在歐洲學(xué)習(xí)和工作的經(jīng)歷。2017年創(chuàng)辦上善氣體工作室，專業(yè)從事壓縮空氣系統(tǒng)研究，精益生產(chǎn)管理及銷售的培訓(xùn)工作。國家標(biāo)準(zhǔn)JBT10526-2005《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》第一起草人。全國壓縮機標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會副主任委員
第二作者：梁翰林，上善氣體工作室講師助理
<注：未完待續(xù)，更多精彩見下期……>
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