膜式干燥器的原理與應用

1.引言

　　壓縮空氣作為一種重要的生產動力應用于工業(yè)領域的各個方面。在壓縮空氣的生產過程中，空氣中的水分將隨壓縮空氣一起進入壓縮空氣系統(tǒng)中。壓縮空氣中的水分將導致壓縮空氣管路的腐蝕，同時還會促進微生物的繁殖；如果水分沒有去除的話，形成的冷凝液將在系統(tǒng)低點處積聚，這將對工業(yè)生產造成長久潛在的威脅，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品，這些干燥器大多數安裝于空壓站，在壓縮機之后，對整個系統(tǒng)的壓縮空氣進行干燥。我們知道，每個不同用戶對壓縮空氣使用點的壓縮空氣干燥度的要求都會有所不同，同一個用戶的壓縮空氣系統(tǒng)中，也會出現不同的干燥度需求，因此，最經濟的壓縮空氣干燥方法就是只對實際需要的部分進行按需要的干燥度進行干燥。無論是試驗用氣、生產車間還是外場用氣，也不論是移動用氣還是固定用氣，壓縮空氣用戶均對壓縮空氣干燥的即時性和可靠性提出了更高的要求。正是基于對使用點的壓縮空氣進行干燥的需求，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提供了最優(yōu)的解決方案，后來演化到各個適合的應用領域。

　　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），則氣體分子就會透過滲膜從分壓大的一方向分壓小的一方進行分子擴散。

　　氣體分子透過高分子膜的擴散速度取決于三個方面：

       a. 擴散需要經過的滲膜材料的結構；
       b. 氣體分子的尺寸
       c. 氣體的蒸發(fā)溫度

　　通過實驗室的不斷試驗，科學家們發(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行分離的理想材料，這個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，這就意味著具有較低擴散速度的氣體最終也能夠穿過滲膜基體材料，包括氮氣，特別是氧氣（最多穿透可達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構發(fā)生變化，不適合在呼吸空氣中使用。

　　同時，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基于壓力的常數。不能夠調節(jié)反吹氣量，靈活性較低。因此，無法使其適應大流量應用，而且反吹氣量損失也較大。

　　隨著技術的進步，實驗室里都在努力解決低選擇性滲透膜存在的問題。幾年之后，不同技術的高選擇性的滲透膜被制造了出來。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。

　　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度。這時在中空管內壁開始噴涂特殊涂層。經過百米長的水下不同階段的恒溫恒速控制，中空滲透膜達到最高強度后引出水面進入線軸進行纏繞。成品的中空高選擇性滲透膜每個線軸的滲膜長度可達幾千米長。

　　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上端入口進入中空滲膜管，然后流經滲膜管到達底部。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。把這個干燥的壓縮空氣引出一小部分進行膨脹減壓，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入，然后流經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，然后從管芯頂部流出。

       干燥的壓縮空氣從管芯流出后，再經過端蓋的出口輸送到后端使用點。

　　7. 環(huán)境參數的影響

　　首先，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。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對水分子進行滲透擴散分離。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，與傳統(tǒng)的冷凍式干燥機和吸附式干燥機不同。壓縮空氣經過膜分離干燥后，不是達到恒定的壓力露點值，而是達到恒定的相對濕度值RH。這一點對壓縮空氣的使用者更具有現實意義。
　　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，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有關。因此，膜式干燥器是提供了一個恒定的“露點降”。不論上游的壓縮空氣壓力露點是多少，經過膜式干燥器干燥后，總能使壓縮空氣進一步干燥。這一突出優(yōu)點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低于冷干機的處理能力（比如3℃）時，或當吸干機入口處的壓縮空氣壓力露點低于吸干機的處理能力（比如-40℃）時，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(xù)把壓縮空氣的干燥度進一步提高。

　　8. 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：
　　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。
　　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：

　　a. 滿足過濾精度要求；
　　b. 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生冷凝液)；
　　c. 過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之前直接干燥處理，推薦的使用安裝圖如圖9所示。

　　9. 實用案例分析

　　膜式干燥器誕生以來，以快速的發(fā)展迅速占領了市場。到目前為止，如圖10所示，在多個應用領域，膜式干燥器有著突出的優(yōu)點以及強悍的競爭力：

　　9.1 案例一：鐵道機車上的應用

　　在鐵道機車上，壓縮空氣主要用于剎車系統(tǒng)?；诠收习踩瓌t，剎車蹄鐵在壓力的作用下張開，當失去壓力時，剎車蹄鐵抱死。剎車系統(tǒng)是機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致剎車蹄鐵氣缸銹蝕而使剎車失效或不能精確動作。
　　膜式干燥器的優(yōu)點：增加整個系統(tǒng)的可靠性、減少維護、適合于頻繁啟停、適合機車輕量化、幾乎沒有占地面積、適合移動情況使用、沒有活動部件、沒有易損件、不限定安裝位置，無需用電等。

　　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驅動，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作成了一大挑戰(zhàn)。壓縮空氣干燥的必要性：即使經過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因為環(huán)境溫度低于壓縮空氣壓力露點而產生冷凝液，繼而產生冰凍堵塞管道或閥件從而形成故障。要求使用點壓力露點永遠低于環(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：能提供固定的露點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，在經過膜式干燥器進一步降低露點，保證用氣點的壓力露點永遠低于環(huán)境溫度，徹底避免了結露冰凍的問題。

　 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進行操作。從激光發(fā)生器開始激，光束是通過鏡面光學系統(tǒng)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完成的，如果壓縮空氣干燥度不夠則會在鏡面結露造成激光束散失。   

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

　　安裝示意圖如圖12所示。

　　9.4 案例四：醫(yī)療器械上的應用

　　醫(yī)院使用集成化的呼吸系統(tǒng)，每個系統(tǒng)大約30升/分鐘（平均每個健康的人呼吸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達到目的。而活性炭在壓縮空氣濕度較大時會很快飽和，從而無法繼續(xù)吸附其他物質。因此壓縮空氣必須先進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：壽命長并穩(wěn)定可靠、減少維護、滿足呼吸系統(tǒng)用氣規(guī)則、方便移動使用、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氣浮軸承使測量頭精密接觸被測物體連續(xù)移動，同時，三坐標的3個軸X/Y/Z/有3個光柵尺連續(xù)記載紅寶石測量頭當前位置的坐標值（就是所說的測量值工件的實際尺寸），輸出給電腦軟件進行處理，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行驅動及保護，干燥度不夠的壓縮空氣會大大影響氣浮軸承的移動精度以及光柵尺的測量精度。膜式干燥器的優(yōu)點：膜式干燥器的高可靠性使得高價值的測量機設備得到良好的保護，增加整個系統(tǒng)的壽命、提高系統(tǒng)的測量精度、減少維護。

　　應用照片如圖14所示。

　　10. 結論

　　膜式干燥器有著其獨有的特征優(yōu)勢，其高質量的特征匯總如下：
　　·干燥空氣立即可用，無需預運行時間；
　　·水蒸汽濃度差異的原理保證干燥進程；
　　·高選擇性中空膜保證最大的滲透面積；
　　·消耗氣量低，結構小巧（TWIST 60技術）；
　　·完全免維護；
　　·流經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、無需耗電。