膜式干燥器的原理與應(yīng)用

1.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(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(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(huì)促進(jìn)微生物的繁殖；如果水分沒(méi)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(duì)工業(yè)生產(chǎn)造成長(zhǎng)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(guò)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(duì)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(duì)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)用戶的壓縮空氣系統(tǒng)中，也會(huì)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(duì)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(yàn)用氣、生產(chǎn)車間還是外場(chǎng)用氣，也不論是移動(dòng)用氣還是固定用氣，壓縮空氣用戶均對(duì)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(duì)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(duì)小氣量的最終使用點(diǎn)提供了最優(yōu)的解決方案，后來(lái)演化到各個(gè)適合的應(yīng)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(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(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(kuò)散。

　　氣體分子透過(guò)高分子膜的擴(kuò)散速度取決于三個(gè)方面：

       a. 擴(kuò)散需要經(jīng)過(guò)的滲膜材料的結(jié)構(gòu)；
       b. 氣體分子的尺寸
       c. 氣體的蒸發(fā)溫度

　　通過(guò)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(guò)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(duì)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(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(duì)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(guò)滲膜基體材料，包括氮?dú)猓貏e是氧氣（最多穿透可達(dá)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(jié)構(gòu)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(shù)。不能夠調(diào)節(jié)反吹氣量，靈活性較低。因此，無(wú)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(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)。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(jiǎn)單，在市場(chǎng)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(cè)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(zhǎng)，通過(guò)精密的幾何形狀控制，使之成為細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)百米長(zhǎng)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(zhǎng)度可達(dá)幾千米長(zhǎng)。

　　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(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(lái)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。

　　6. 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。

　　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(nèi)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(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(lái)對(duì)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(guò)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(duì)濕度值RH。這一點(diǎn)對(duì)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(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(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℃）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℃）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。

　　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(jí)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(zhǎng)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(nèi)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(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。

　　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(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(jìng)爭(zhēng)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(huì)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(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(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(lái)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(guò)吸干機(jī)處理的壓縮空氣達(dá)到了-40℃的壓縮空氣在室外使用仍會(huì)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(wèn)題。將壓縮空氣先在室外儲(chǔ)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(yuǎn)低于環(huán)境溫度，徹底避免了結(jié)露冰凍的問(wèn)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(lái)進(jìn)行操作。從激光發(fā)生器開始激，光束是通過(guò)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(huì)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(lái)完成的，如果壓縮空氣干燥度不夠則會(huì)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。

　　9.4 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(lái)達(dá)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(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(guò)濾器正常工作。
膜式干燥器的優(yōu)點(diǎn)：壽命長(zhǎng)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。

　　9.5 案例五：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的應(yīng)用

　　三坐標(biāo)精密測(cè)量機(jī)采用紅寶石測(cè)量頭并通過(guò)氣浮軸承使測(cè)量頭精密接觸被測(cè)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(cè)量頭當(dāng)前位置的坐標(biāo)值（就是所說(shuō)的測(cè)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(cè)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(huì)大大影響氣浮軸承的移動(dòng)精度以及光柵尺的測(cè)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(cè)量機(jī)設(shè)備得到良好的保護(hù)，增加整個(gè)系統(tǒng)的壽命、提高系統(tǒng)的測(cè)量精度、減少維護(hù)。

　　應(yīng)用照片如圖14所示。

　　10. 結(jié)論

　　膜式干燥器有著其獨(dú)有的特征優(yōu)勢(shì)，其高質(zhì)量的特征匯總?cè)缦拢?br style="user-select:text !important;margin:0rem;padding:0rem;" />　　·干燥空氣立即可用，無(wú)需預(yù)運(yùn)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最大的滲透面積；
　　·消耗氣量低，結(jié)構(gòu)小巧（TWIST 60技術(shù)）；
　　·完全免維護(hù)；
　　·流經(jīng)的壓縮空氣溫度不發(fā)生改變；
　　·保證恒定的相對(duì)濕度；
　　·干燥后空氣成分不變，獲得了呼吸空氣認(rèn)證；
　　·體積輕小、無(wú)需耗電。