微热再生吸附系统性能优化的实验研究

杨鹏 郭帅帅 贺素艳 赵有信 马永志

摘要：  针对微热再生吸附系统吸附周期切换时吹冷时间不足，塔内吸附剂温度得不到及时冷却，导致在吸附工作压力不变的情况下吸附性能下降及出口露点温度波动较大的问题，本文利用温度采集仪对吸附塔塔壁温度进行监测，在出口处布置露点仪对成品气露点温度进行监测。测量结果表明，保持加热时间和加热温度不变，延长600～900 s的吹冷时间，能够有效降低露点温度的波动;保持吹冷时间不变，降低加热温度并减少加热时间，能够减小最低和最高空气露点温度的差值。研究结果表明，出口空气露点温度波动是由于吸附塔切换时塔内吸附剂的温度过高，因此降低两吸附塔切换时的吸附剂的温度可以提高吸附剂的工作性能。该研究在固体吸附干燥领域得到了广泛的应用。

关键词：  微热再生; 固体吸附; 露点温度; 性能优化

中图分类号： TK124; TQ051.892文献标识码： A

作者简介：  杨鹏（1995-），男，硕士研究生，主要研究方向为制冷及低温技术。

通信作者：  贺素艳（1967-），女，副教授，主要研究方向为制冷及低温工程中的热力学问题。 Email： 743702960@qq.com

空气中的水分含量过高导致金属表面易结霜结露，从而对工业制造带来许多负面影响[1]，因此精密仪表加工业以及全自动化加工业要求在干燥环境下进行[2]。在工业生产中，常用的空气干燥方法有化学法、冷冻法和吸附法[34]。通常情况下，当压力露点温度在-70 ℃以下，依靠单一的工艺很难得到干燥空气，通常需要几种干燥工艺的组合使用[5]，现常见的干燥工艺主要有冷冻除湿法和固体吸附法。冷冻除湿法由于受到设备的限制，在常压下，其出口空气露点温度一般在2～10 ℃左右[6];固体吸附法是利用固体干燥剂对水分子的吸附作用除去空气中的水分，该方法可连续获得较低的空气露点温度，并且吸附设备结构简单，吸附剂可循环再生使用等[7]。近年来，冷冻除湿和吸附除湿结合起来的冷冻-吸附联合除湿法在工业上得到了广泛应用[8]。该工艺先利用冷冻除湿除去压缩空气中的大部分水分，然后再利用固体吸附除湿对空气进行进一步干燥。组合系统中的微热再生干燥技术因为结合了加热再生和无热再生干燥技术的优点，其吸附原理包含了变压吸附和变温吸附[911]，逐渐在气体干燥工业中占据重要地位，但吸附剂的吸附效率会随着工作环境温度的变化而变化，温度升高，吸附效率降低[1215]。基于此，本文对联合除湿系统中的微热再生干燥系统进行系统优化研究，利用温度采集仪对吸附塔塔壁温度及出口成品气露点温度进行监测。研究结果表明，降低两吸附塔切换时的吸附剂温度能够提高出口空气露点温度的稳定性。该研究对提升系统性能具有积极意义，在固体吸附干燥领域具有一定的应用前景。

1实验系统

1.1微热吸附干燥系统

微热吸附干燥系统的工作流程图如图1所示。图1中，经过冷冻除湿处理的压力为0.3 MPa，温度为12 ℃，露点温度为12 ℃，湿空气通过进口流入运行中的微热吸附干燥机，首先通过K7阀自下而上进入塔A进行吸附干燥，对空气进行深度除湿，然后通过K1阀流出，流出吸附塔时有一部分的成品干燥空气通过出口处设置一个露点仪进行露点温度监测，T2为安捷伦温度采集仪，采集吸附塔A、B上下部的温度。T3为微热吸附干燥机的程序控制端，可以改变周期循环时间、加热温度及吹冷时间等设置，同时机器内部设置两个温度监测探头，对加热器温度和加热器出口温度进行监测与记录。

该干燥系统的一个再生周期包括加热、吹冷及均压三个阶段。吸附干燥机操作时间设置如表1所示。实验所用设备为JY-1YR微热吸附式压缩空气干燥机，微热吸附式压缩空气干燥机主要参数如表2所示。

温度露点温度测量设备选择LY-80X耐腐蚀在线露点变送器，通过间隔时间记录露点温度。该仪器露点温度测量范围为-80～20 ℃，测量精度为0.1 ℃，工作环境温度范围为-40～20 ℃，仪器具有自加热功能，降低油污、粉尘及腐蚀气体等带来的测量误差，露点仪每隔120 s记录一次数据。

温度测量装置采用安捷伦数据采集仪，其测量精度为±0.075%FS，测温用热电偶采用铜-康铜热电偶，测温范围为-200～200 ℃，测量精度为0.001 ℃。考虑到温度采集时热电偶不能伸入吸附剂内，所以在金属吸附塔外表面布置热电偶，用铝箔胶带进行固定的布置方式对金属塔壁进行温度测量。

1.2固体吸附剂

在干燥气体行业，常用的固体吸附剂有硅胶、分子筛及活性氧化铝。在压力环境下，硅胶作为吸附剂时，吸附的水汽凝结成液态水珠时硅胶分子易发生破裂;吸附剂分子筛能够满足极低空气露点温度的要求，在压力条件下对水的吸附能力比活性氧化铝高，但是其颗粒在压力条件下易破碎，且再生温度要求比较高，再生能耗大[1617];活性氧化铝表面硬度和抗压强度比较高，在压力环境下颗粒不易破损，常被用于压缩空气吸附干燥剂[18]。综上所述，在压力环境下，考虑吸附性能、颗粒稳定性和再生能耗等因素，本研究选择4～5 mm γ形态活性氧化铝颗粒。

活性氧化铝等温吸附曲线[1920]如图2所示。由图2可以看出，温度在20～50 ℃变化时，活性氧化铝的吸附性能随着温度的升高，下降了約8%。因此，想要保持活性氧化铝的吸附性能，必须降低吸附时的工作温度。降低温度有两种途径，一种是降低进入吸附干燥系统的空气温度;另一种是降低固体吸附剂的温度。该实验系统中，进口空气的温度恒定，所以需要控制活性氧化铝的温度。

2实验结果及分析

切换周期为1 800 s，其中加热时间为900 s，吹冷时间为720 s，利用安捷伦对吸附塔B进行温度记录，露点仪对出口空气露点温度进行测量。吸附塔B温度和出口空气露点温度随工作时间变化曲线如图3所示。

影响固体吸附剂吸附性能的因素包括压力和温度。当吸附压力不变时，通过控制吸附温度来影响吸附效果。图3a中，曲线a为吸附塔B上部温度曲线，曲线b为吸附塔B下部温度曲线。吸附塔切换周期为1 800 s，图中1～4四条线为每一个切换周期对应的时间。由图3a可以看出，干燥系统的加热时间为900 s，之后停止加热，但加热器的余热使进入吸附塔B的温度仍然较高，塔体温度在1 200 s左右达到峰值，之后温度开始下降;当运行时间达到1 800 s，A、B吸附塔进行切换，吸附塔B由再生塔转为吸附塔，即图中的1线所代表的时间点，此时B塔上部温度为58 ℃，底部温度为37 ℃。由图3b可以看出，当A、B吸附塔进行切换，出口空气的露点温度会迅速升高，最高温度在-55.4 ℃，这是因为当吸附塔B从再生变为吸附工作状态时，由于再生加热及吹冷时间不足，吸附剂的温度得不到降低，极大影响了吸附效果。为解决上述问题，对系统进行如下3种工况的时间优化。

工况1的优化方案：将整个吸附干燥机的切换周期改为2 400 s，保持原有加热时间及加热温度不变，将吹冷时间延长至1 320 s，使再生塔切换为吸附塔时，降低温度对吸附剂性能的影响，分别进行四个周期的数据记录。优化之后，塔壁温度数据和出口空气露点温度如图4所示。

由图4a可以看出，保持加热时间和加热温度不变，延长吹冷周期，系统切换周期变为2 400 s，在0～900 s内，塔B的壁面温度变化趋势相同，运行至2 400 s时，吸附塔进行切换，此时塔B的上部温度为48.6 ℃，比未优化前下降了10 ℃左右，下部温度没有明显变化，这是因为加热的再生气自上而下流经吸附塔，上部温度始终高于下部。由图4b可以看出，在第一个吸附周期内，出口空气露点温度没有发生明显变化，始终稳定在-70 ℃附近，当两塔进行切换之后，露点温度急剧上升，这是因为吸附剂的温度仍然过高，但是与未优化之前相比，在进口空气状态不变的条件下，出口最高露点温度降低3 ℃左右，说明通过延长吹冷时间，可以降低温度对提高吸附剂性能的影响。

工况2的优化方案：保持加热温度和加热时间不变，将吹冷时间改为1 620 s。另外，考虑降低高温对吸附性能的影响。

工况3的优化方案：为保持吹冷时间不变，将升温时间和最高温度分别降低为720 s和100 ℃，各工况进行四个周期的循环。

3种工况时间设置如表3所示。在工况2和工况3的条件下，出口空气露点温度如图5所示。

由图5a可以看出，系统切换周期为2 700 s，当保持加热时间和加热温度不变的情况下，将再生气吹冷时间延长至1 620 s，此时出口空气露点温度最高为-60 ℃，比工况1降低了1.7 ℃。结果表明，继续延长吹冷时间，可进一步降低高温对吸附剂吸附性能的影响。但当延长吹冷时间后，单个吸附塔的吸附周期变为2 700 s，吸附时间的加长，使最低空气露点温度发生变化，最低值升高0.5 ℃左右，同时在吸附周期末尾，露点温度有升高的趋势。但与工况1相比，工况3系统切换周期变为1 620 s，维持露点温度极低值的时间有所延长。由图5b可以看出，当加熱温度降低，且加热时间减少后，出口空气露点温度最高值比工况1降低1.5 ℃。由图5可以看出，两塔之间频繁切换，使露点温度更加不稳定。

通过对3种改进工况与原工况对比，延长吹冷时间、降低加热温度和减小加热时间都可降低出口露点温度，但当吸附周期延长为2 700 s时，出口露点存在上升趋势，因此吹冷时间应当控制在1 320～1 620 s。降低加热温度虽然可以减小吸附剂高温带来的影响，但是周期过短也造成了频繁的露点波动。因此，保持加热时间和加热温度不变，延长吹冷时间，能够提高出口空气露点温度的稳定性。

3结束语

本文主要对微热再生吸附系统的性能进行优化研究。对运行系统中的B塔进行温度测量，间接得出塔内吸附剂温度变化，同时对出口空气进行露点温度监测。实验结果表明，造成出口空气露点温度波动较大的主要原因是当吸附塔进行再生、吸附切换时，由于再生气的加热和吹冷时间过短，造成吸附剂不能及时冷却，温度的升高使活性氧化铝吸附剂的吸附性能下降;通过适当延长吹冷时间，让未经过加热减压之后的再生气对吸附剂进行吹扫降温。结果表明，在原有吹冷周期的基础上延长600 s，吸附塔温度在切换时，最高可降低10 ℃，出口最高空气露点可下降3 ℃，有效减缓露点温度的波动。当吹冷时间延长900 s后，虽然露点温度在末期有轻微上升的趋势，但是其维持在低值时间延长。该研究对提升活性氧化铝的吸附性能具有重要意义。

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Abstract：   In order to solve the problems of insufficient cooling time during the adsorption cycle switching of micro thermal regeneration adsorption system， and the adsorbent temperature in the tower being not cooled in time， which leads to the decline of adsorption performance and the large fluctuation of outlet dew point temperature under the condition of constant adsorption working pressure， the temperature acquisition instrument is used to monitor the wall temperature of the adsorption tower， and the dew point instrument is arranged at the outlet to monitor the dew point temperature of the product gas Line monitoring. The measurement results show that keeping the heating time and temperature unchanged， while extending the cooling time of 600～900 s can effectively reduce the fluctuation of dew point temperature; keeping the cooling time unchanged， while reducing the heating temperature and heating time can reduce the difference between the minimum and maximum air dew point temperature. The results show that the dew point temperature fluctuation of the outlet air is due to the high temperature of the adsorbent in the tower during the switching of the adsorption tower， so reducing the temperature of the adsorbent during the switching of the two adsorption towers can improve the working performance of the adsorbent. This study has been widely used in the field of solid adsorption drying.

Key words： micro thermal regeneration; solid adsorption; dew point temperature; performance optimization