【壓縮機網(wǎng)】1.引言

　　壓縮空氣作為一種重要的生產(chǎn)動(dòng)力應用于工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面。在壓縮空氣的生產(chǎn)過(guò)程中，空氣中的水分將隨壓縮空氣一起進(jìn)入壓縮空氣系統中。壓縮空氣中的水分將導致壓縮空氣管路的腐蝕，同時(shí)還會(huì )促進(jìn)微生物的繁殖；如果水分沒(méi)有去除的話(huà)，形成的冷凝液將在系統低點(diǎn)處積聚，這將對工業(yè)生產(chǎn)造成長(cháng)久潛在的威脅，如：氣控元件失靈、設備磨損增加，或者直接導致生產(chǎn)過(guò)程的停止。

　　傳統的冷凍式干燥器、吸附式干燥器早已是眾所熟知的產(chǎn)品，這些干燥器大多數安裝于空壓站，在壓縮機之后，對整個(gè)系統的壓縮空氣進(jìn)行干燥。我們知道，每個(gè)不同用戶(hù)對壓縮空氣使用點(diǎn)的壓縮空氣干燥度的要求都會(huì )有所不同，同一個(gè)用戶(hù)的壓縮空氣系統中，也會(huì )出現不同的干燥度需求，因此，z*經(jīng)濟的壓縮空氣干燥方法就是只對實(shí)際需要的部分進(jìn)行按需要的干燥度進(jìn)行干燥。無(wú)論是試驗用氣、生產(chǎn)車(chē)間還是外場(chǎng)用氣，也不論是移動(dòng)用氣還是固定用氣，壓縮空氣用戶(hù)均對壓縮空氣干燥的即時(shí)性和可靠性提出了更高的要求。正是基于對使用點(diǎn)的壓縮空氣進(jìn)行干燥的需求，才誕生了滲膜式壓縮空氣干燥器。膜式干燥器起初是對小氣量的z*終使用點(diǎn)提供了z*優(yōu)的解決方案，后來(lái)演化到各個(gè)適合的應用領(lǐng)域。

　　2. 分子膜特性

　　高分子滲膜材料具有水分子滲透擴散的特性。如圖1所示，如果分子膜兩端存在氣體分壓（濃度不同），則氣體分子就會(huì )透過(guò)滲膜從分壓大的一方向分壓小的一方進(jìn)行分子擴散。
 

 

　　氣體分子透過(guò)高分子膜的擴散速度取決于三個(gè)方面：

　　a. 擴散需要經(jīng)過(guò)的滲膜材料的結構；

　　b. 氣體分子的尺寸

　　c. 氣體的蒸發(fā)溫度

　　通過(guò)實(shí)驗室的不斷試驗，科學(xué)家們發(fā)現，有一種合成的高分子膜，在常溫下，如圖2所示，水蒸汽分子通過(guò)該高分子滲膜的擴散速度比氧氣分子快20,000倍，而這種合成的分子膜就是對水分子與其他氣體分子進(jìn)行分離的理想材料，這個(gè)特性使得這種合成的高分子膜成為了制造膜式干燥器的基本材料。
 

 

　　3. 高分子膜結構構成

　　在高分子膜使用之初，因為只使用了滲膜基本材料，分子膜對氣體的選擇性是比較低的。如圖3所示，這就意味著(zhù)具有較低擴散速度的氣體z*終也能夠穿過(guò)滲膜基體材料，包括氮氣，特別是氧氣（z*多穿透可達5%）。也就是說(shuō)，低選擇性滲透膜會(huì )形成一定量的泄露，并使得空氣成分中各種氣體組成比例結構發(fā)生變化，不適合在呼吸空氣中使用。

　　同時(shí)，氣體分子直接穿過(guò)滲膜壁，會(huì )造成壓縮空氣中的污垢堆積在滲膜表面，影響滲膜的使用壽命。而滲膜表面其他氣體的滲透被用來(lái)作為反吹氣使用，因此反吹氣量是一個(gè)基于壓力的常數。不能夠調節反吹氣量，靈活性較低。因此，無(wú)法使其適應大流量應用，而且反吹氣量損失也較大。

　　隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗室里都在努力解決低選擇性滲透膜存在的問(wèn)題。幾年之后，不同技術(shù)的高選擇性的滲透膜被制造了出來(lái)。以貝克歐公司的高選擇滲透膜為例，在高選擇膜內側粘附了一層特殊涂層，如圖4所示，基本達到了僅有水分子才能穿透滲透膜的理想效果。

　　由于低選擇性滲透膜成本較低，制造簡(jiǎn)單，在市場(chǎng)上有大量的低選擇性滲透膜干燥器存在，區分低選擇性滲透膜干燥器的方法就是關(guān)閉干燥器出口，測量是否仍有壓縮空氣消耗。如果仍有壓縮空氣消耗，則使用的就是低選擇性滲透膜。如果沒(méi)有壓縮空氣消耗，則使用的就是高選擇性的滲透膜。

　　4.中空高分子膜的形成

　　將一定成分的高分子原料在原料爐中通過(guò)溫度控制，添加添加劑后以液態(tài)形式從原料爐中流出，原料遇水后快速生長(cháng)，通過(guò)精密的幾何形狀控制，使之成為細長(cháng)的如圖4所示的中空管。在水下恒溫及輔料的控制下，膜不斷成長(cháng)并逐漸形成強度。這時(shí)在中空管內壁開(kāi)始噴涂特殊涂層。經(jīng)過(guò)百米長(cháng)的水下不同階段的恒溫恒速控制，中空滲透膜達到z*高強度后引出水面進(jìn)入線(xiàn)軸進(jìn)行纏繞。成品的中空高選擇性滲透膜每個(gè)線(xiàn)軸的滲膜長(cháng)度可達幾千米長(cháng)。
 

 

　　5.滲膜干燥器的工作原理

　　如圖5所示，潮濕的壓縮空氣通過(guò)上端入口進(jìn)入中空滲膜管，然后流經(jīng)滲膜管到達底部。因為在滲膜內部和外部水蒸汽分壓不同，因此水分子就從分壓較大的滲膜內部向分壓較小的滲膜外部擴散，在底部就獲取了較干燥的壓縮空氣。把這個(gè)干燥的壓縮空氣引出一小部分進(jìn)行膨脹減壓，形成極為干燥的壓縮空氣，把減壓后的極干燥的壓縮空氣引入到滲膜之外把擴散出來(lái)的水分子吹掃掉。這樣就加大了中空分子膜內外的水分子分布梯度，加速了水分子的擴散速度，于是在滲膜底部壓縮空氣的濕度急劇下降，從而達到干燥壓縮空氣的目的。
 

 

　　6. 膜式干燥器的構成

　　膜式干燥器的結構如圖6所示，由上端蓋、殼體以及管芯組成。管芯就是由前述的多束中空滲膜管組成。
 

　　壓縮空氣的流向如圖7所示，潮濕的壓縮空氣從端蓋上的入口進(jìn)入，然后流經(jīng)管芯中心套管至干燥器底部。

 

 

　　壓縮空氣改變方向，由下向上從滲膜纖維管的內部流過(guò)，然后從管芯頂部流出。

 

　　干燥的壓縮空氣從管芯流出后，再經(jīng)過(guò)端蓋的出口輸送到后端使用點(diǎn)。

　　7. 環(huán)境參數的影響

　　s*先，膜式干燥器的干燥效果取決于水分子的擴散速度，而水分子的擴散速度與水分子分壓梯度有關(guān)。因為壓縮空氣工作壓力越大，膜內外形成的水分子梯度越大。因此，工作壓力越大，膜式干燥器干燥效果越好。

　　其次，由于分子膜是靠水分壓梯度來(lái)對水分子進(jìn)行滲透擴散分離。因此，在膜干燥器出口處，總能獲得比入口更干燥的壓縮空氣。這一點(diǎn)，與傳統的冷凍式干燥機和吸附式干燥機不同。壓縮空氣經(jīng)過(guò)膜分離干燥后，不是達到恒定的壓力露點(diǎn)值，而是達到恒定的相對濕度值RH。這一點(diǎn)對壓縮空氣的使用者更具有現實(shí)意義。

　　基于以上分析，膜式干燥器后殘余水分的多少顯然與入口壓縮空氣含水量有關(guān)，入口含水量越高，則殘余水分越大，反之亦然。也就是說(shuō)，膜式干燥器出口的干燥效果，與入口的壓縮空氣壓力露點(diǎn)有關(guān)。因此，膜式干燥器是提供了一個(gè)恒定的“露點(diǎn)降”。不論上游的壓縮空氣壓力露點(diǎn)是多少，經(jīng)過(guò)膜式干燥器干燥后，總能使壓縮空氣進(jìn)一步干燥。這一突出優(yōu)點(diǎn)是冷干機與吸干機所達不到的。當冷干機入口處的壓縮空氣壓力露點(diǎn)低于冷干機的處理能力（比如3℃）時(shí)，或當吸干機入口處的壓縮空氣壓力露點(diǎn)低于吸干機的處理能力（比如-40℃）時(shí)，冷干機或吸干機不再有任何干燥效果。而此種情況下，滲膜式干燥器卻可以繼續把壓縮空氣的干燥度進(jìn)一步提高。

　　8. 膜式干燥器使用中的注意問(wèn)題

　　由于高分子膜是靠分子間隙來(lái)分離水分子的，具有極高的精密度。因此要想保證干燥膜組可靠工作，壓縮空氣必須滿(mǎn)足如下條件：

　　a. 壓縮空氣不能含有液態(tài)冷凝液；

　　b. 壓縮空氣含油量必須小于 0.01mg/m³；

　　c. 不能有大于1μm 的顆粒雜質(zhì)。

　　要想滲膜式干燥器正常工作，高等級的可靠過(guò)濾器是必需的。

　　如圖8所示，膜式干燥器重要的安裝原則為：

　　a. 滿(mǎn)足過(guò)濾精度要求；

　　b. 過(guò)濾器和膜式干燥器之間不能有延長(cháng)的連接管路(防止壓縮空氣冷卻后產(chǎn)生冷凝液)；

　　c. 過(guò)濾器和膜式干燥器之間只能使用防腐蝕連接管件；

　　d. 安裝干燥管之前需徹底清潔管路內部；

　　e. 不能使用液態(tài)密封劑(Loctite, Delo ...)；

　　f. 安裝時(shí)保證不存在安裝應力。

 

　　膜式干燥器主要用于在壓縮空氣用氣點(diǎn)之前直接干燥處理，推薦的使用安裝圖如圖9所示。

　　9. 實(shí)用案例分析

　　膜式干燥器誕生以來(lái)，以快速的發(fā)展迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)。到目前為止，如圖10所示，在多個(gè)應用領(lǐng)域，膜式干燥器有著(zhù)突出的優(yōu)點(diǎn)以及強悍的競爭力：
 

 

 

　　9.1 案例一：鐵道機車(chē)上的應用

　　在鐵道機車(chē)上，壓縮空氣主要用于剎車(chē)系統?；诠收习踩瓌t，剎車(chē)蹄鐵在壓力的作用下張開(kāi)，當失去壓力時(shí)，剎車(chē)蹄鐵抱死。剎車(chē)系統是機車(chē)上z*重要的安全系統。

　　壓縮空氣干燥的必要性：高濕度的壓縮空氣會(huì )導致剎車(chē)蹄鐵氣缸銹蝕而使剎車(chē)失效或不能精確動(dòng)作。

　　膜式干燥器的優(yōu)點(diǎn)：增加整個(gè)系統的可靠性、減少維護、適合于頻繁啟停、適合機車(chē)輕量化、幾乎沒(méi)有占地面積、適合移動(dòng)情況使用、沒(méi)有活動(dòng)部件、沒(méi)有易損件、不限定安裝位置，無(wú)需用電等。

　　安裝示意圖如圖11所示。

 

　　9.2 案例二：油田冬季室外應用

　　在冬季，北方油田室外溫度有時(shí)達到零下40多度。而采油設施都在室外環(huán)境中，管道控制閥等都需要由壓縮空氣來(lái)驅動(dòng)，防止冬季壓縮空氣管道不形成冰凍以及保證各閥件能靈活動(dòng)作成了一大挑戰。

　　壓縮空氣干燥的必要性：即使經(jīng)過(guò)吸干機處理的壓縮空氣達到了-40℃的壓縮空氣在室外使用仍會(huì )因為環(huán)境溫度低于壓縮空氣壓力露點(diǎn)而產(chǎn)生冷凝液，繼而產(chǎn)生冰凍堵塞管道或閥件從而形成故障。要求使用點(diǎn)壓力露點(diǎn)永遠低于環(huán)境溫度是壓縮空氣室外必須達到的條件。

　　膜式干燥器的優(yōu)點(diǎn)：能提供固定的露點(diǎn)降這一特性使得膜式干燥器能徹底解決了這一問(wèn)題。將壓縮空氣先在室外儲氣罐中冷卻到與室外相同的溫度，在經(jīng)過(guò)膜式干燥器進(jìn)一步降低露點(diǎn)，保證用氣點(diǎn)的壓力露點(diǎn)永遠低于環(huán)境溫度，徹底避免了結露冰凍的問(wèn)題。

 

　　9.3 案例三：激光切割機上的應用

　　在工業(yè)上激光切割機以及激光焊接機使用大功率二氧化碳激光束來(lái)進(jìn)行操作。從激光發(fā)生器開(kāi)始激，光束是通過(guò)鏡面光學(xué)系統通道導引到激光頭上。

　　壓縮空氣干燥的必要性：激光散失就會(huì )大大降低激光機工作效率。保持光路通道潔凈就是由壓縮空氣來(lái)完成的，如果壓縮空氣干燥度不夠則會(huì )在鏡面結露造成激光束散失。

　　膜式干燥器的優(yōu)點(diǎn)：增加整個(gè)系統的效率、提高系統的可靠性、減少維護。

　　安裝示意圖如圖12所示。

　　9.4 案例四：醫療器械上的應用

　　醫院使用集成化的呼吸系統，每個(gè)系統大約30升/分鐘（平均每個(gè)健康的人呼吸7升/分鐘）。

　　壓縮空氣干燥的必要性：壓縮空氣必須達到呼吸標準，除了必須去除冷凝液外，還必須去除氣味和油霧，這只有使用活性炭來(lái)達到目的。而活性炭在壓縮空氣濕度較大時(shí)會(huì )很快飽和，從而無(wú)法繼續吸附其他物質(zhì)。因此壓縮空氣必須先進(jìn)行干燥才能保證活性碳過(guò)濾器正常工作。

　　膜式干燥器的優(yōu)點(diǎn)：壽命長(cháng)并穩定可靠、減少維護、滿(mǎn)足呼吸系統用氣規則、方便移動(dòng)使用、適合間歇用氣使用。

　　工藝流程圖如圖13所示。

　　9.5 案例五：三坐標測量機上的應用

　　三坐標精密測量機采用紅寶石測量頭并通過(guò)氣浮軸承使測量頭精密接觸被測物體連續移動(dòng)，同時(shí)，三坐標的3個(gè)軸X/Y/Z/有3個(gè)光柵尺連續記載紅寶石測量頭當前位置的坐標值（就是所說(shuō)的測量值工件的實(shí)際尺寸），輸出給電腦軟件進(jìn)行處理，繪制出被測工件的三維圖形。

　　壓縮空氣干燥的必要性：氣浮軸承以及光柵尺都需要高潔凈度的壓縮空氣進(jìn)行驅動(dòng)及保護，干燥度不夠的壓縮空氣會(huì )大大影響氣浮軸承的移動(dòng)精度以及光柵尺的測量精度。

　　膜式干燥器的優(yōu)點(diǎn)：膜式干燥器的高可靠性使得高價(jià)值的測量機設備得到良好的保護，增加整個(gè)系統的壽命、提高系統的測量精度、減少維護。

　　應用照片如圖14所示。

　　10. 結論

　　膜式干燥器有著(zhù)其獨有的特征優(yōu)勢，其高質(zhì)量的特征匯總如下：

　　·干燥空氣立即可用，無(wú)需預運行時(shí)間；

　　·水蒸汽濃度差異的原理保證干燥進(jìn)程；

　　·高選擇性中空膜保證z*大的滲透面積；

　　·消耗氣量低，結構小巧（TWIST 60技術(shù)）；

　　·完全免維護；

　　·流經(jīng)的壓縮空氣溫度不發(fā)生改變；

　　·保證恒定的相對濕度；

　　·干燥后空氣成分不變，獲得了呼吸空氣認證；

　　·體積輕小、無(wú)需耗電。