膜式干燥器的原理與應(yīng)用

膜式干燥器的原理與應(yīng)用引言壓縮空氣作為一種重要的生產(chǎn)動(dòng)力應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面。在壓縮空氣的生產(chǎn)過程中，空氣中的水分將隨壓縮空氣一起進(jìn)入壓縮空氣系統(tǒng)中。壓縮空氣中的水分將導(dǎo)致壓縮空氣管路的腐蝕，同時(shí)還會促進(jìn)微生物的繁殖;如果水分沒有去除的話，形成的冷凝液將在系統(tǒng)低點(diǎn)處積聚，這將對工業(yè)生產(chǎn)造成長久潛在的威脅，如：氣控元件失靈、設(shè)備磨損增加，或者直接導(dǎo)致生產(chǎn)過程的停止。傳統(tǒng)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(shù)安裝于空壓站，在壓縮機(jī)之后，對整個(gè)系統(tǒng)的壓縮空氣進(jìn)行干燥。我們知道，每個(gè)不同用戶對壓縮空氣使用點(diǎn)的壓縮空氣干燥度的要求都會有所不同，同一個(gè)用戶的壓縮空氣系統(tǒng)中，也會出現(xiàn)不同的干燥度需求，因此，最經(jīng)濟(jì)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。無論是試驗(yàn)用氣、生產(chǎn)車間還是外場用氣，也不論是移動(dòng)用氣還是固定用氣，壓縮空氣用戶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最終使用點(diǎn)提供了最優(yōu)的解決方案，后來演化到各個(gè)適合的應(yīng)用領(lǐng)域。分子膜特性高分子滲膜材料具有水分子滲透擴(kuò)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），則氣體分子就會透過滲膜從分壓大的一方向分壓小的一方進(jìn)行分子擴(kuò)散。卸山「水落汽分「的擴(kuò)凱使?jié)B膜兩喝的水族汽分J1汕到平街氣體分子透過高分子膜的擴(kuò)散速度取決于三個(gè)方面:擴(kuò)散需要經(jīng)過的滲膜材料的結(jié)構(gòu)；氣體分子的尺寸氣體的蒸發(fā)溫度通過實(shí)驗(yàn)室的不斷試驗(yàn)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有一種合成的高分子膜，在常溫下，如圖2所示，水蒸汽分子通過該高分子滲膜的擴(kuò)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。澆膜基體材料田2水蒸汽分r通過高分r滲膜的擴(kuò)故速度比氧氣分K快20,00。倍高分子膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成在高分子膜使用之初，因?yàn)橹皇褂昧藵B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，這就意味著具有較低擴(kuò)散速度的氣體最終也能夠穿過滲膜基體材料，包括氮?dú)?，特別是氧氣（最多穿透可達(dá)5%）。也就是說，低選擇性滲透膜會形成一定量的泄露，并使得空氣成分中各種氣體組成比例結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不適合在呼吸空氣中使用。圖3低選擇性滲透膜同時(shí)，氣體分子直接穿過滲膜壁，會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作為反吹氣使用，因此反吹氣量是一個(gè)基于壓力的常數(shù)。不能夠調(diào)節(jié)反吹氣量，靈活性較低。因此，無法使其適應(yīng)大流量應(yīng)用，而且反吹氣量損失也較大。隨著技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室里都在努力解決低選擇性滲透膜存在的問題。幾年之后，不同技術(shù)的高選擇性的滲透膜被制造了出來。以貝克歐公司的高選擇滲透膜為例，在高選擇膜內(nèi)側(cè)粘附了一層特殊涂層，如圖4所示，基本達(dá)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，制造簡單，在市場上有大量的低選擇性滲透膜干燥器存在，區(qū)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。如果沒有壓縮空氣消耗，則使用的就是高選擇性的滲透膜。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，通過精密的幾何形狀控制，使之成為細(xì)長的如圖4所示的中空管。在水下恒溫及輔料的控制下，膜不斷成長并逐漸形成強(qiáng)度。這時(shí)在中空管內(nèi)壁開始噴涂特殊涂層。經(jīng)過百米長的水下不同階段的恒溫恒速控制，中空滲透膜達(dá)到最高強(qiáng)度后引出水面進(jìn)入線軸進(jìn)行纏繞。成品的中空高選擇性滲透膜每個(gè)線軸的滲膜長度可達(dá)幾千米長。滲膜干燥器的工作原理如圖5所示，潮濕的壓縮空氣通過上端入口進(jìn)入中空滲膜管，然后流經(jīng)滲膜管到達(dá)底部。因?yàn)樵跐B膜內(nèi)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(nèi)部向分壓較小的滲膜外部擴(kuò)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(kuò)散出來的水分子吹掃掉。這樣就加大了中空分子膜內(nèi)外的水分子分布梯度，加速了水分子的擴(kuò)散速度，于是在滲膜底部壓縮空氣的濕度急劇下降，從而達(dá)到干燥壓縮空氣的目的。圖S滲膜「?燥器的匚作原理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?！缸鰤汉篌w袒嘮腿的奇卅'隹境室氣虹株其干燥的&吹氣」皆屯大供市蒸汽的反吃氣〃無株篇產(chǎn)生港透山來的水分子［國有OT呻姓淮云的纖注圖S滲膜「?燥器的匚作原理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?！缸鰤汉篌w袒嘮腿的奇卅'隹境室氣虹株其干燥的&吹氣」皆屯大供市蒸汽的反吃氣〃無株篇產(chǎn)生港透山來的水分子［國有OT呻姓淮云的纖注WHUUTECH6.膜式干燥器的構(gòu)成膜式干燥器的結(jié)構(gòu)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。圖6膜式干燥管結(jié)構(gòu)藐氣桐餉不粉&過漆膜擴(kuò)散帶有密封圈和堵帽的底苦常若管芯安蕓蜜乳的哂nn管芯:滲盥計(jì)堪管均勻地分布c中心豪曾上反眈氣噴嘴下燥管羌拜干煽前不胳空氣箍出T?芯和端折干摩的壓!!*伊盤鄂Sf=JS的氐袖空氣通討反吹闕朝股裱任，成擋嗦T爆色］反*%。潮廳戢壓犒空氣推過人口進(jìn)人.護(hù)流實(shí)中。去Ttrl/*毋節(jié)=底部■=增&5坪由反對曦壞中Fsa相蘇內(nèi)\與相朱都H的■管歐以向徂外號間異坦屋七漁流"?-■■5祭計(jì)?.哦，T間trIE?—r-席從曲氐號0策于R洋共擴(kuò)壓帽中緯布管芯底部選人辨地纖罪在莊，常后盆總芯成都流出。陽7庶縮空#KE膜「燥器中的流向壓縮空氣改變方向，由下向上從滲膜纖維管的內(nèi)部流過，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)過端蓋的出口輸送到后端使用點(diǎn)。環(huán)境參數(shù)的影響首先，膜式干燥器的干燥效果取決于水分子的擴(kuò)散速度，而水分子的擴(kuò)散速度與水分子分壓梯度有關(guān)。因?yàn)閴嚎s空氣工作壓力越大，膜內(nèi)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對水分子進(jìn)行滲透擴(kuò)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(tǒng)的冷凍式干燥機(jī)和吸附式干燥機(jī)不同。壓縮空氣經(jīng)過膜分離干燥后，不是達(dá)到恒定的壓力露點(diǎn)值，而是達(dá)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(xiàn)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，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(jī)與吸干機(jī)所達(dá)不到的。當(dāng)冷干機(jī)入口處的壓縮空氣壓力露點(diǎn)低于冷干機(jī)的處理能力（比如3°C）時(shí)，或當(dāng)吸干機(jī)入口處的壓縮空氣壓力露點(diǎn)低于吸干機(jī)的處理能力（比如-40°C）時(shí)，冷干機(jī)或吸干機(jī)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(xù)把壓縮空氣的干燥度進(jìn)一步提高。膜式干燥器使用中的注意問題由于高分子膜是靠分子間隙來分離水分子的，具有極高的精密度。因此要想保證干燥膜組可靠工作，壓縮空氣必須滿足如下條件：壓縮空氣不能含有液態(tài)冷凝液;壓縮空氣含油量必須小于0.01mg/m3;c.不能有大于1um的顆粒雜質(zhì)。c.不能有大于1um的顆粒雜質(zhì)。要想滲膜式干燥器正常工作，高等級的可靠過濾器是必需的。如圖8所示，膜式干燥器重要的安裝原則為：滿足過濾精度要求；過濾器和膜式干燥器之間不能有延長的連接管路(防止壓縮空氣冷卻后產(chǎn)生冷凝液)；過濾器和膜式干燥器之間只能使用防腐蝕連接管件；安裝干燥管之前需徹底清潔管路內(nèi)部；不能使用液態(tài)密封劑(Loctite,Delo...);安裝時(shí)保證不存在安裝應(yīng)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。

圖9峻式F燥器推棹的安裝憐|實(shí)用案例分析膜式干燥器誕生以來，以快速的發(fā)展迅速占領(lǐng)了市場。到目前為止，如圖10所示，在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，膜式干燥器有著突出的優(yōu)點(diǎn)以及強(qiáng)悍的競爭力：9.1案例一：鐵道機(jī)車上的應(yīng)用在鐵道機(jī)車上，壓縮空氣主要用于剎車系統(tǒng)。基于故障安全原則，剎車蹄鐵在壓力的作用下張開，當(dāng)失去壓力時(shí)，剎車蹄鐵抱死。剎車系統(tǒng)是機(jī)車上最重要的安全系統(tǒng)。壓縮空氣干燥的必要性:高濕度的壓縮空氣會導(dǎo)致剎車蹄鐵氣缸銹蝕而使剎車失效或不能精確動(dòng)作。膜式干燥器的優(yōu)點(diǎn)：增加整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、減少維護(hù)、適合于頻繁啟停、適合機(jī)車輕量化、幾乎沒有占地面積、適合移動(dòng)情況使用、沒有活動(dòng)部件、沒有易損件、不限定安裝位置，無需用電等。BeakandpnouE成MtEeftrainIMll膜式F爆器鐵道機(jī)車安裝示意掏BeakandpnouE成MtEeftrain9.2案例二：油田冬季室外應(yīng)用在冬季，北方油田室外溫度有時(shí)達(dá)到零下40多度。而采油設(shè)施都在室外環(huán)境中，管道控制閥等都需要由壓縮空氣來驅(qū)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(zhàn)。壓縮空氣干燥的必要性：即使經(jīng)過吸干機(jī)處理的壓縮空氣達(dá)到了-40°C的壓縮空氣在室外使用仍會因?yàn)榄h(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(yuǎn)低于環(huán)境溫度是壓縮空氣室外必須達(dá)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(yuǎn)低于環(huán)境溫度，徹底避免了結(jié)露冰凍的問題。9.3案例三：激光切割機(jī)上的應(yīng)用在工業(yè)上激光切割機(jī)以及激光焊接機(jī)使用大功率二氧化碳激光束來進(jìn)行操作。從激光發(fā)生器開始激，光束是通過鏡面光學(xué)系統(tǒng)通道導(dǎo)引到激光頭上。壓縮空氣干燥的必要性：激光散失就會大大降低激光機(jī)工作效率。保持光路通道潔凈就是由壓縮空氣來完成的，如果壓縮空氣干燥度不夠則會在鏡面結(jié)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(tǒng)的效率、提高系統(tǒng)的可靠性、減少維護(hù)。安裝示意圖如圖12所示。圖12膜式牌器在激光切割機(jī)I：的應(yīng)川LiUTECH9.4案例四：醫(yī)療器械上的應(yīng)用醫(yī)院使用集成化的呼吸系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)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(dá)到呼吸標(biāo)準(zhǔn)，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達(dá)到目的。而活性炭在壓縮空氣濕度較大時(shí)會很快飽和，從而無法繼續(xù)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濾器正常工作。膜式干燥器的優(yōu)點(diǎn)：壽命長并穩(wěn)定可靠、減少維護(hù)、滿足呼吸系統(tǒng)用氣規(guī)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。圖13膜式干燥器作醫(yī)療業(yè)的應(yīng)用9.5案例五：三坐標(biāo)測量機(jī)上的應(yīng)用三坐標(biāo)精密測量機(jī)采用紅寶石測量頭并通過氣浮軸承使測量頭精密接觸被測物體連續(xù)移動(dòng)，同時(shí)，三坐標(biāo)的3個(gè)軸X/Y/Z/有3個(gè)光柵尺連續(xù)記載紅寶石測量頭當(dāng)前位置的坐標(biāo)值（就是所說的測量值工件的實(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(qū)動(dòng)及保護(hù)，干燥度不夠的壓縮空氣會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