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高压洁净气体的制备

高压气体广泛应用于航空航天、航空等领域的气体检测、控制、增压、净化等过程中,作为动力或机组人员的生存保障等。气体的清洁度影响到供气系统和气体设备的正常工作;对于某些特殊气体,杂质的存在会导致危险;在某些应用中,对气体的气味和细菌有严格的要求。不同的用途对高压气体的清洁度有不同的要求,不同清洁要求的气体需要通过不同的工艺流程来制备。


1 高压气体中杂质的来源及危害

1.1 杂质的产生

压缩气体中通常会混有各种形态、大小和性质不同的杂质,如水分、油分、固体微粒等。水分可为液态和气态;油分可为液态油滴、气溶胶、油雾和油蒸气。

1) 固体微粒

大气中的粉尘是压缩空气中最主要的杂质。

压气机工作过程中摩擦产生的粉尘,容器和管道中的氧化垢和毛刺在工作过程中在振动和气流脉动冲刷下脱落,过滤和干燥设备的冲击、磨损和热稳定性导致过滤材料产生的部件和粉尘的移动磨损是杂质的重要来源。气体中的粉尘、水分和油聚集在管道的死角处,凝结成新的粉尘颗粒。

2) 水分

压缩气体中所含的水分是危害最大的污染物。压缩过程温度升高使相对湿度下降;贮存或流动中温度降低使水分达到饱和状态,液态水将从气体中凝结出来。

3) 油分

压缩机及气路元件的润滑剂混合在气体中,形成液态油滴、悬浮油雾或油蒸气,是高压气体中最难清除的污染物。

1.2 杂质的危害

1) 固体微粒

在管路死角,固体杂质会沉积并附着在管壁上,导致截面积减小,流阻增大。

含有杂质的气流高速冲刷或杂质沉积粘附在密封面上,导致密封失效。固体杂质影响设备的正常工作。

2) 水分

管路、容器中凝结的水加剧锈蚀;固体微粒与水分结合凝聚增大。

3) 油分

油在管道或容器的死角积聚,容易形成易燃易爆混合物。高速气流加热、固体颗粒撞击或产生静电会导致燃烧或爆炸;高温汽化油产生有机酸或碳化,加剧设备腐蚀,产生固体颗粒。石油和固体颗粒与某些特殊的气体介质不相容,会引起爆炸或剧烈分解,造成事故。

4) 呼吸用气体含有杂质,尤其是油蒸气、细菌时,将危害乘员健康。

2 气体的质量标准及高压洁净气体的制备

2.1 压缩气体的质量标准

可检索到的压缩气体质量标准为GB/T 13277.1《压缩空气 第1部分:污染物净化等级》,规定了压缩空气的质量要求。作者认为应用中其他气体的洁净度要求可参照此标准。

2.2 高压洁净气体制备流程

根据应用需求和GB/T 13277.1的规定,高压气体的质量要求可参照表1选择。压力露点为取样点压力0.7 MPa时测得值(下同)。

图1为根据需求提出的不同洁净度需求的高压洁净气体制备流程;可达到的质量指标见表2。

表1 高压气体的质量要求

图1 不同需求高压气体制备流程

表2 制备流程可达到的质量指标

3 元件和设备选用

高压洁净气体制备,除合理确定流程、选配设备外,还需对压缩机选择给予关注。

高压、洁净气体制备用元件包括油气分离器和过滤器。

高压、洁净气体制备用设备包括高压吸附式、膜渗透式和冷冻式干燥器。

3.1 油气分离器

油气分离器的作用是分离气体中直径较大的凝结水滴和浓度较高的液态油雾。高压气体分离一般采用离心式分离器,即使进入分离器的高压气流产生高速旋转,在离心力作用下,分离密度较大的水滴和油滴。

3.2 气体过滤器

过滤器的功能是除去气体中除水蒸气外的固体微粒和浓度较高的油雾、水滴和其它杂质,一般采用金属丝网、烧结金属或陶瓷材料、玻璃纤维等作为滤材。

1) 分类

气体过滤器一般包括粗过滤器、细过滤器、精过滤器、超精过滤器和活性碳油蒸气过滤器、除菌过滤器等,常见结构形式见图2,主要参数见表3。

说明:

(1) 排污过滤器可采用手动或自动排水阀;

(2) Y(T)形过滤器可方便地拆卸、清洗或更换滤芯;

(3)过滤器仅能滤除凝结的水滴,不能去除水蒸气。

2) 选用要点

(1)为了减少更换滤芯的次数,最好选择一个过滤面积稍大的滤波器。但滤区流速大幅度降低,影响了滤料的惯性冲击和过滤材料的截留能力,从而降低了滤池捕集污染颗粒的效果;过滤面积小,增加了气流阻力损失,导致滤芯无法满足气体需求,降低了滤芯寿命。一般来说,根据管道的公称直径增加第一齿轮选择滤波器是比较合适的。


图2 高压气体过滤器的结构形式

表3 过滤器的主要参数

(2) 过滤器工作中将发生能量消耗,产生压力降,且过滤精度越高压降越大。因此,过滤精度并非越高越好;

(3) 选用过滤器需考虑滤材与介质的相容性。对于氧化性、腐蚀性气体,纤维滤材不可用;

(4) 高压气流反向流动会导致过滤器损坏,应调整过滤器位置或采用双向过滤器。

3.3 干燥设备

吸附式干燥器是制备极低露点高压气体的主要方法。冷冻式和膜渗透干燥设备的除水效果远不及吸附式干燥器。

1) 吸附式干燥器

吸附式干燥器利用吸附剂吸附水分,并可再生的原理除去气体中的水分。再生方式有无热再生、加热再生和微热再生。

(1) 干燥机理和吸附剂 吸附过程是指流动相(气体或液体)与多孔颗粒物(固定相)接触,使流动相中的一种或多种组分有选择地析出或保留在固定相内的过程。吸附式干燥是利用吸附剂较强的脱除痕量水蒸气能力和良好的选择性,将湿气体中的水蒸气与干燥气体组分相互分开,从而得到干燥气体。

常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝、分子筛和活性碳,性能见表4。

说明:

ⓐ 吸附剂吸附水蒸气,而不能吸附液态水;

ⓑ 低温有利吸附而不利再生;高温有利再生而不利吸附。降低进气温度,可获得稳定的低露点;

ⓒ 动态吸附量越小,再生“解吸”越容易,成品气露点也越低;

ⓓ 吸附剂吸附的水分越多,放出的吸附热越多;

ⓔ 吸附剂被液态水滴侵蚀后体积膨胀,机械强度降低,产生破碎粉化;吸附剂被油分等极性物质沾污或化学物质侵入使晶体结构破坏,将永久失去吸附活性;

ⓕ 在交变压力下吸附剂互相挤压、摩擦,会产生粉化堵塞表面微孔;长期在高温加热状态再生,吸附剂表面会产生积碳,失去吸附能力。

(2) 无热再生吸附式干燥器 无热再生吸附式干燥器以变压吸附为基础,气体中的水蒸气高分压时被吸附;低分压时吸附剂中的水分完成“解吸”并重反气相,吸附剂获得再生。再生用气来自成品气。再生属于等温过程,工作流程见图3。

表4 常用吸附剂的性能

F1~F5.气动阀 Z1~Z4.止回阀 J.减压阀 BY.背压阀

图3 高压无热再生吸附式过滤干燥器的工作流程

气体干燥在A、B吸附塔内完成,流程循环为“吸附—再生—均压—吸附”,工作流程由PLC按设定程序控制,以A塔吸附,B塔再生为例。

吸附:来自压缩机的气体经前置粗过滤器、精过滤器去除所含的油滴、水滴和固体杂质后,经F1进入吸附塔A吸附水分,干燥气体经止回阀Z1、后置精过滤器排出。

再生:A塔吸附工作的同时,B塔处于再生状态。再生用气为成品气,减压后经止回阀Z4进入B塔,吸附剂进行“解吸”,回到气相的水分经气动球阀F4排放,吸附剂得以再生。

均压:B塔再生结束时,F4关闭,F5开启,B塔升压到输入气体的压力后F5关闭,两塔切换,进入新的循环。

(3) 微热再生吸附式干燥器 微热再生吸附式干燥器以高温有利吸附剂再生的特性为基础,利用加热成品气对吸附剂进行“解吸”,微热再生温度一般应远低于加热再生所需的最低“解吸”温度。应用中我们一般选取温度范围为70 ℃~100 ℃。微热再生仍属于变压吸附,目的是减少再生耗气量,其流程与无热再生吸附式干燥器基本相同,只是在减压后的再生气路上设置了电加热器。

(4) 加热再生吸附式干燥器 加热再生吸附式干燥器以变温吸附为基础,即吸附剂在常温下吸附水分,在高温下对吸附剂所吸附的水分完成“解吸”,并重反气相。由于高温状态吸附剂无吸附能力,因此,“解吸”后需用常温干燥气体冷却,再生过程为“加热解吸—冷却再生”。

加热再生再生气温度较高,需另设热气源,设备复杂,体积大,能耗高,吸附剂使用寿命短。

2) 吸附式干燥器选用

ⓐ 吸附式干燥器额定处理气量最好大于压缩机的额定排气量。长期满负荷工作将加速吸附剂失效;

ⓑ 无热再生干燥器循环周期较短,再生耗气量高;微热再生干燥器循环周期可较长,再生气温度增加可减少再生耗气量,因此,价格高的气体后处理建议采用微热再生方式;

ⓒ 对于氧化性、腐蚀性气体,应注意吸附剂的相容性;

3) 吸附式干燥器应用注意事项

航天、航空领域一般采用无热或微热再生吸附式干燥器进行气体干燥处理,吸附剂一般选用分子筛。

ⓐ 干燥器进口须设置前置过滤器,去除气体所含的油滴、水滴和固体颗粒,以延长吸附剂的寿命;

ⓑ 干燥器前设置贮罐或冷冻式干燥器,降低进入干燥器的气体温度,有利气体中的油分和水分凝结后分离;

ⓒ 工作过程中,若监测到短时间内露点急剧上升,则表明吸附剂已失效;

ⓓ 吸附剂应筛除粉末并以适当的温度烘干,冷却后再装入吸附塔;

ⓔ 装填吸附剂时应采用振动等方法使吸附剂填实,减少气流冲击、摩擦导致吸附剂破损;

ⓕ 分子筛机械强度低、易破碎,抗水滴性能差,而活性氧化铝在此方面具有更好的性能。因此,吸附塔两端装一定量的独立装填的活性氧化铝可提高吸附剂的寿命;

ⓖ 干燥器出口设置背压阀,背压阀设定的开启压力应尽量高些,以减小气流冲击对吸附剂的影响;

ⓗ 干燥器出口须装后置精过滤器,避免吸附剂粉末进入管路。

4) 其他干燥设备

在恒压条件下,根据湿气含水率随温度的降低而降低的原理,采用制冷技术降低气体温度,迫使水蒸气凝结成液体,分离除水,利用恒压条件下湿气含水率随温度的降低而降低的原理,可得到露点可达3℃左右的干气。对于超洁净气体和呼吸气体的应用,冷冻干燥机可以作为吸附干燥的前端设备,减少进入吸附干燥机的气、液态水和油的含量。膜渗透干燥器根据水分子通过聚合物选择性渗透的原理,从高压气体中去除水蒸气。

4 结论

在总结应用实践的基础上,对高压洁净气体的要求、制备流程、组成及设备选择进行了探讨。获得清洁气体并不意味着进入设备的气体必须保持所需的清洁。高压燃气管道系统的清洁度对终端气体的清洁度有很大的影响。中国航天建筑设计研究院研究员张红雁对超洁净管道系统进行了大量的研究和探索,可供相关文献参考。在管道终端安装过滤器是有效的阻止可能的杂质。

标签:高压洁净气体 

销售:王先生

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