吸附干燥器的设计

1吸附干燥器的设计吴彦敏,《气体纯化》,1983年6月第1版吸附干燥，是工业气体达到高度干燥的主要要方法之一。吸附干燥器的结构简单、操作方便，常用的吸附干燥剂有硅胶、活性气化铝和分子筛等。吸附干燥的方法可分为变压吸附干燥和变温吸附干燥两种类型。一、变温吸附干燥器（一）变温吸附干燥器的选择选择吸附干燥器，主要根据：（一）原料气的含水量和要求气体的干燥程度；（二）采用间歇或连续工作的方式；（三）再生加热方法；以及（四）吸附剂的冷却方法等而有所不同。分别介绍如下：1．根据原科气的含水量和要求气体的干燥程度选择如果原料气体含水量较高气体干燥程度要求不高时宜用硅胶吸附器；如果原料气含水量较低(露点低于10℃)，气体干燥程度要求较高时可用分子筛吸附器；如果原料气含水量较高，要求气体干燥程度亦较高时，可用硅胶吸附器作为前级干燥，用分子筛吸附器作为后级干燥也可用冷凝干燥冷冻器作为前级干燥，分子筛吸附器作为后级干燥。2．根据间歇工作或连续工作方式选择如果吸附干燥器可以间歇工作，则只需采用一个吸附干燥器，根据气体处理量和间歇工作的周期确定吸附剂用量。如果吸附干燥器需要连续工作，可用二个吸附干燥器交替工作(即一个吸附于燥器工作，另一个再生)。按气体的处理量、含水量、再生加热和冷却所需时间，确定吸附剂用量和切换周期。3．根据吸附干燥器再生加热方法选择小型吸附干燥器可用电阻加热器直接加热、减压再生。气体处理量较大时吸附干燥器大都采用载热气体加热再生。用载热气体加热再生的工艺流程如下：1)循环气体再生如图7-19所示，用气体循环泵2把循环气送入电加热器5加热后，进入吸附干燥器进行再生处理。再生气体通过水冷却器3冷却干燥，使气体能循环使用。此种再生工艺流程，常用于常压吸附干燥装置的再生。由于再生气含水量较高吸附剂再生的残余含水量亦较高。2)部分产品气再生如图7-20所示，用部分干燥的产品气通过电加热器送入吸2附干燥器进行再生处理。然后，再生气体返回原料气罐或放空。此种再生工艺流程适用于压力吸附干燥器。当再生气体出口的压力大于原料气罐中原料气体的压力时，再生气体才能返回原料气罐。吸附干燥器处理的气体量，应相当于所需纯化干燥的气体量加上再生气用量。3)部分原料气再生如图7-21所示，部分原料气经辅助干燥器5吸附干燥．经电加热器6加热后，经四通阀8送吸附干燥器7进行再生处理。再生气经四通阀4、冷却器3和气水分离器2后，与经减压阀1的原料气重新汇合一起进入吸附干燥器9。此法适用于压力纯化干燥装置，采用减压阀1进行调节使减压阀前后压力差大于再生气体通过四通阀、辅助干燥器、电加热器、吸附干燥器和水冷却器等所产生的压力降。才能使再生气与原料气重新汇合。由于再生时不采用气体循环泵，故维护、操作简单、安全可靠。34.根据吸附剂再生后冷却方法选择采用自然冷却的方法最为简单，但冷却时间较长。采用强制气流冷却，必须严格控制强制气流的干燥度。否则吸附剂在吹冷过程中会因吸湿而影响吸附干燥器的干燥效果。（二）变温吸附干燥器的工艺计算吸附干燥器的工艺计算可根据气体的处理量、初始含水量、气体要求的干燥程度和所选用的吸附剂的吸附容量进行计算，求出所需吸附剂的用量，再确定吸附干燥器结构尺寸。1．吸附剂动态吸附量吸附剂的吸附容量值，严格来说，应在动态条件下试验测得吸附转效值。如图7-22所示采用吸附柱长l000毫米入口气体温度为25℃，气体相对湿度为10%，气体线速度为0.5m/s。试验测得5A分子筛吸附转效点的吸附量为15%，气体干燥度为露点-96℃。硅胶的吸附转效点吸附量为8%，气体干燥度露点-68℃。活性氧化铝的吸附转效点吸附量为12%，气体干燥度据点-75℃。吸附剂的动态吸附量和气体干燥度，与下列因素有关：1)与吸附剂床层高度有关(更确切地说，应和气体与吸附剂接触时间或空间、速度有关)。表7-5列出吸附干燥器高度不同时的数据，由表可知，随着吸附柱高度增加，气体与吸附剂接触时间增加，吸附容量的变化不大，气体干燥度有比较明显的提高。4表7-5所得数据的试验条件是吸附剂柱高16cm，内径2cm，温度15℃，采用的吸附剂为5A分于筛28g(37.5ml)，气体速度3.8cm/s。3)与吸附温度有关。表7-7列出吸附温度不同时的数据，其试验条件是吸附剂柱高16cm，内径2cm，吸附剂采用5A分子筛28g(37.5ml)，入口气体的露点10℃，气体速度3.8cm/s。由表7-7可讯吸附温度降低有利于吸附容量的增加。4)与气体速度有关。表7-8为气体速度不同时通过试验所得的数据。试验的条件是吸附剂拄高14cm，内径3cm，温度50℃，吸附剂采用分子筛60克(74毫升)，入口气体露点13℃。由表7-8可知，气体速度越小，气体干燥度高。5)与吸附剂再生程度有关。吸附剂的再生程度，主要决定于再生气体的干燥度和再生温度。如图7-23~图7-25所示。由图7-23~图7-25可见，再生温度高有利于再生完全但温度过高，容易给操作带来困难使吸附剂使用寿命缩短，甚至烧坏。如果再生气体的露点低，也有利于再生的完全性，并可降低再生温度。吸附剂再生越完全，残余水分含量越低。气体干燥度越高．如分子筛完全再全，残余水含量达到0%，0℃时，水汽的平衡分压力1.74×10-55毫米汞拄，气体的露点可达-96℃。吸附干燥器在常压操作情况下，工艺计算的数据选择，可参考表7-9。678910（三）变温吸附干燥器的结构设讨吸附干燥器的结构与催化反应器的结构相仿。根据具体要求应考虑下列各点：1)由于吸附剂颗粒较小塔内吸附剂床层的上、下宜装筛板和衬填不锈钢丝网；2)为了防止气体夹带吸附剂粉尘，在塔的顶部气体出口处装填玻璃球等填料，或设置过滤器；3)在塔内需设置测温管，测定吸附干燥器在工作和再生时的温度，以制订合理的操作规程；4)由于吸附剂吸附水分时会放出大量吸附热，故需设置水冷却管将热量带走，可能保持等温吸附；5)塔外壁需有保温层，以减少再生加热时散热损失；116)吸附干燥器再生加热元件可以直接安装在吸附干燥器内，也可以另外附设再生加热器。12131415二、无热再生干燥器压缩气体干燥的方法，以往最常用加热再生吸附干燥法。在六十年代初期，发展了无热再生变压吸附工艺，并在气体干燥、氢气纯化和制取富氧等方面应用。尤其是在压缩气体干燥方面，采用无热再生变压吸附装置，可以显著减少吸附剂量，设备体积较小，取消了电加热器、鼓风机和保温层等，减少了金属材料消耗量和设备投资费用，节约耗电量和运行费用。加热再生和无热再生气体干燥装置的技术经济比较列于表10-1。（一）无热再生变压吸附的基本原理任何一种吸附剂对于同一被吸附质来说，在吸附平衡情况下，温度越低压力越高，单位吸附剂的吸附量越大。反之，温度越高压力越低，则吸附量越小。因此，气体的吸附分离方法，通常采用温度吸附或变压吸附两种循环过程，如图10-1所示。若压力不变，在常温或低温的情况下吸附，用高温解吸的方法，称为变温吸附。在温度不变的情况下，加压吸附，用常压或减压解吸的方法，称为变压吸附。在温度不变的情况下，压力和吸附量的关系，如图10-2所市其吸附等温线有直16线型和曲线型(或称朗格缪尔型)两种。在压力PH时吸附，压力PL时解吸，此时有效吸附量为吸附等温线上对应的吸附量之差。由于利用加压吸附和减压解吸相组合的循环过程，不需由外界供给热量进行吸附剂的再生。因此，变压吸附法办称为无热再生吸附法。图10-3表示在常温下动态吸附和解吸周期的对称性。根据试验所得在常温下把含有水分的气体通过吸附剂，使吸附剂逐渐吸附水分达到饱和状态再将干燥气体通过吸附剂，使吸附剂水分逐渐解吸达到再生。如果气流速度相等，在循环过程的初期，吸附和解吸的周期并不相等。但是，经过反复进行吸附和解吸过程，两者的周期逐渐趋于相等。17为了实现压缩气体吸附干燥的无热再生，还需遵循以下的基本原则：1)在变压吸附过程中，再生气与原料气的实际体积比等于1时，再生气的出口最高露点等于原料气的入口露点。因此，为了获得纯产品，必需在每个循环中，使吸附床内各点的实际逆向冲洗气体积都超过实际原料气体积，即再生气与原料气的实际体积比应大于1。此时，再生气的出口露点就能低于原料气的入口露点。如果再生气与原料气的实际体积比小于1，吸附剂再生就不完全，气体干燥的效果就差。根据此原则，变压吸附所需再生气的最小消耗量可由下式计算：式中VR——再生气消耗量(m3/min)；V——原料气处理量(m3/min)；PR——再生压力(MPa)；P——吸附压力(MPa)。由上式可见．吸附压力越高，解吸压力越低，再生气损耗越少。如果降低原料空气的入口温度和含水量，也可以减少再生气损耗率，见图10-4所示。如要求的所得的干燥气的露点越低，则所得的再生气损耗量超高，如图10-5所示。另外，气体的流速增高，再生气损耗率也相应提高，如图10-6所示。在不同操作的条件下，再生气损耗率的变化情况，列于表10-2。PPVVRR182)在变压吸附过程中，循环周期要短，吸附量要少，尽量使吸附热能用于脱附过程。因为在吸附过程中放出热量，在脱附过程中吸收热量。吸附剂每吸附1公斤水分所放出(或吸收)的热量为：硅胶760千卡、铝胶721千卡、分子筛915千卡。为了使吸附剂在吸附时所放出的热量贮藏在吸附剂上，应尽量避免热量被气体带走和通过器19壁向周围散失。所以，必须缩短吸附干燥器的工作时间，当吸附剂稍有温升时，立即切换投入再生。严格控制和适当缩短干燥器的操作周期，有效地利用吸附热，使吸附床起着高热容量的热飞轮作用，是无热再生的必要条件。否则随着操作周期延长，气体带走的热量增多，必然会使再生气体损耗量增加。图10-7表示吸附床床层温度与周期时间的关系。当周期时间在10分钟以内，吸附床温度差约2℃，周期时间为60分钟，则温差约10℃。图10-8表示再生气损耗率和周期时间的关系。（二）无热再生干燥工艺在无热再生气体干燥装置中常用的吸附剂有硅胶、铝胶和分子筛等。在变压吸附装置中，吸附剂由于受到长期频繁切换所造成的压力冲击很易引起破碎，故必须有相当的机械强度。因此，在都能达到相同干燥深度的情况下，常选用强度较好的铝胶作为吸附剂。2021222324（三）无热再生干燥器工艺计算I．设计依据25II．设计数据的选择III．计算公式26（四）干燥塔干燥塔一般可按受压筒体(圆筒)设计。筒体应尽量减少内件和无用空间(如入口均压室，分配器和出口集合室等)。干燥塔的进、出口，宜设计在干燥塔的顶部并应安装有过滤器。干燥塔的上、下位置应有吸附剂充填口和卸料口。吸附剂的装填应尽可能紧密压实，为了减少气流反复冲击所造成的机械磨损，可设计专门的压紧装置。典型的干燥塔结构，如图10-17所示。27三、消声器因为干燥塔由工作阶段切换为再生阶段时突然降压，释放出大量带压气体。根据干燥装置规模的大小产生不同程度的噪声，噪声严重时可达125分贝。此外，干燥塔再生时，正常的废气排空的噪声亦约达100分贝。因此，在干燥装置的排气口，必须安装专门的消声器。常见的消声器有阻性消声器，抵抗性消声器和阻抗复合消声器等。阻性消声器是用吸声材料，以消除高频噪声为主。各种吸声材料的吸声系数列于表10-4。