CN102500197A - 一种基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压缩空气干燥技术领域，具体为一种基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法。本发明采用负压吸引的膜分离干燥方法，即通过在膜分离器的渗透侧建立一定程度的负压，来实现压缩空气干燥；其中，使用负压吸引的膜分离干燥装置，该装置包括依次连接的升压设备，缓冲罐，过滤器，一组膜分离器，背压调节阀，截止阀；此外，还包括一种负压源，串接在膜分离器的渗透气出口处；经分离干燥后的压缩空气自膜分离器的滞留气出口输出，带水蒸气的气体则自膜分离器的渗透气出口输出。本发明可以在维持负压吸引的同时，采用部分或全部常压正常大气进行渗透侧吹扫，也可以采用部分干燥的压缩空气进行渗透侧吹扫。本发明可以高效率的获得干燥的压缩空气，并且节约能源。

Description

一种基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法

技术领域

本发明属于压缩空气干燥技术领域，具体涉及一种采用负压吸引膜分离渗透气的压缩空气干燥方法。

背景技术

压缩空气是工业生产中应用最广泛的气体之一，如自动化控制过程的仪表气源、生产线中气动工具、气动阀门、喷漆涂装、矿用设备动力源等都离不开压缩空气；

因空气压缩后均带有饱和的湿蒸汽，如不加以祛除，将造成严重的生产事故或影响产品质量，传统的干燥方法采用冷冻干燥机、吸附干燥机等，以膜分离方法进行压缩空气干燥是近十几年发展起来的新技术，它利用高分子分离膜材料优先透过水蒸气的原理，在压力驱动下水蒸气快速透过膜而被祛除，通过简单“过滤”式的方法除掉湿气而获得干燥的空气，与传统的方法相比，膜法干燥技术具有高效、节能、洁净、设备简单、操作方便、无污染、免维护、寿命长等优点，因而，该技术一面世即受到了人们的普遍重视。

实际上，所有薄膜对气体都是可以渗透的，只不过渗透的程度不同而已，气体膜分离技术是利用渗透的原理，即分子通过膜向化学势降低的方向运动，首先运动至膜的外表面层上，并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸，其推动力为膜两侧的该气体分压差，由于混合气体中不同组分的气体通过膜时的速度不同，从而达到气体分离\回收提纯气体的目的。

膜法压缩空气干燥一般多采用中空纤维高分子膜材料，高分子膜对混合气体的分离效能，即分离系数以α表示，α越大越好，表明该分离膜具有对待分离组分的气体具有较高的选择性，例如，由上海偲达弗材料科技有限公司生产的中空纤维膜分离材料系通过相转化法制取的聚亚酰胺材质的中空纤维膜，其对水与空气组分的分离系数α（H2O/O2）达1500, α（H2O/N2）达1100 ，在对水的分离过程中，其分离动力为单组分分压差。

目前，传统的采用膜分离方法进行压缩空气干燥的技术一般采用直接渗透法，即压缩空气增压至一定压力后，经过滤器祛除空气中的尘埃等颗粒类物质、液态水、油份等杂质，再经加热或者不加热直接进入膜分离器，在膜分离器中，因水分较空气其它组分较容易渗透而自膜分离器的渗透侧排除出系统，滞留侧较难以渗透的空气组分被收集而自滞留侧排出即是已干燥的压缩空气，为了获得露点更低（更干燥）的压缩空气，现有技术通常采用已干燥后的产品气（即干燥的压缩空气）对膜的渗透侧进行吹扫的方法，以期降低渗透侧水的分压，带出水蒸气，加强水分的渗透，以获得更干燥的压缩空气，但显然，为了获得更干燥的压缩空气，这样的方法将浪费大量的干燥后的产品（干燥空气），间接的体现在浪费了大量的压缩空气，能源损失巨大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种效率高、能耗省的有效脱除压缩空气中水分的方法。

本发明提出的有效脱除压缩空气中水分的方法，是采用负压吸引的膜分离干燥方法，即通过在膜分离器的渗透侧（也称为低压侧、负压侧）建立一定程度的负压，来实现压缩空气干燥。在膜分离器渗透侧施加一定程度的负压可降低渗透侧的水蒸气分压，加强膜分离的渗透过程，相比于用消耗干燥的压缩空气实施吹扫的方法，较为节约能源；尤其结合采用原料空气压缩机进行施加一定程度的负压，更使系统结构简单，并且，由于不采用或者尽量少用已经干燥的压缩空气（产品气）吹扫渗透侧的水蒸气以降低渗透侧的水蒸气分压，因而显得更能节约能源。

为了实现负压吸引的膜分离干燥方法，本发明设计了负压吸引的膜分离干燥装置。该装置包括： 

至少一台升压设备AB01，用以将原料气升压到一定的压力；该升压设备AB01可以是一台压缩机；

一个缓冲罐PV01，其入口通过管道与升压设备AB01的出口连接；

一台过滤器AF03；其入口通过管道与缓冲罐PV01的出口连接；

一组膜分离器M01，其中，每个膜分离器至少有三个开口：一个原料气入口A0，一个滞留气出口A1，一个渗透气出口A2；还可以有一个吹扫气入口A3；膜分离器中的膜分离材料（分离膜）至少分成两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧、负压侧；原料气入口A0通过管道与过滤器AF03连接；滞留气出口A1输出经分离干燥的压缩空气，渗透气出口A2输出带水蒸气的气体；吹扫气入口A3用于通入吹扫气体；

一个背压调节阀WTV101以及一个截止阀JV01，背压调节阀WTV101串接在膜分离器M01滞留气出口A1之后，用以稳定膜分离器的压力；截止阀JV01串接于背压调节阀WTV101之后，用以调节压缩空气出口流量。

本装置中，膜分离器M01的渗透气出口A2通过管道与升压设备AB01的入口连接，将渗透气排出的含水蒸气的气体循环到升压设备AB01的入口，见图1、3、5所示。

进一步，如果该气体循环到升压设备AB01入口，则至少应在升压设备AB01的入口处设置一个调节阀V02，用以调节自大气进入升压设备AB01的气体流量，该调节阀V02应串接在原料空气入口并且与来自渗透侧的水蒸气混合后进入压缩机AB01的入口。

此外，本装置还包括一种负压源AB02，该负压源AB02 串接在膜分离器M01的渗透气出口A2处，用于将渗透气排出的含水蒸气的气体直接抽走，排向大气；或者该负压源AB02通过管道与升压设备AB01的入口连接，将渗透气排出的含水蒸气的气体循环到升压设备AB01的入口。并且，进一步，如果该气体循环到升压设备AB01入口，应在升压设备AB01的入口处设置一个调节阀V02，用以调节自大气进入升压设备AB01的气体流量，该调节阀V02应串接在原料空气入口并且与来自渗透侧的水蒸气混合后进入压缩机AB01的入口。

优选但非必要的，在升压设备AB01之前设置一台过滤器AF02，用以过滤掉原料空气中的尘埃等颗粒物。

根据本发明，在对仅需要满足-40℃露点以内，更典型的，在实现10～-30℃露点要求的干燥系统中，可以采用负压吸引并结合采用空气（经过滤处理的）作为吹扫气的方法。见图3、图4所示。

根据本发明，在对满足-40℃露点以上，更典型的，在实现-30～-70℃露点要求的干燥系统中，还可以采用负压吸引并结合采用少量产品气作为吹扫气的方法。这时，可以将膜分离器M01的滞留气出口A1处与吹扫气入口A3通过管道连接，并在该管道上设置调节阀V01，用于调节控制产品气作为吹扫气的量，见图5、图6所示。 

附图说明

图1为一种无吹扫气的压缩空气膜分离干燥方法图示。

图2为一种无吹扫气仅靠外部负压吸引的压缩空气膜分离干燥方法图示。

图3为一种以大气作为吹扫气的压缩空气膜分离干燥方法图示。

图4为一种以大气作为吹扫气并外部抽真空的压缩空气膜分离干燥方法图示。

图5为一种以少量干燥后产品气为吹扫气的压缩空气膜分离干燥方法图示。

图6为一种以少量干燥后产品气为吹扫气并外部抽真空的压缩空气膜分离干燥方法图示。

具体实施方式

下面通过实施例进一步介绍本发明。

如附图1、2所示，膜分离器组M01是三口薄膜分离器，每个膜分离器至少有1个原料气入口A0，一个渗透气出口A2，一个滞留气出口A1即干燥的压缩气出口，膜分离器中的膜分离材料至少分成了两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧、负压侧。如附图3、4、5、6所示，膜分离器M01是四口薄膜分离器，即还有一吹扫气入口A3。

针对压缩空气的膜分离干燥过程，膜分离进行干燥的核心是薄膜分离器。通常，一个膜分离器内安装有膜分离材料，膜分离器拥有巨大的分离面积，其形式有中空纤维膜、板式膜、螺旋式膜分离器。对绝大部分有机膜来说，气态水是最快透过的介质之一，其次为各种有机蒸汽、二氧化碳等等，应用于压缩空气水分分离的有机膜分离材料，其分离系数α(阿尔法)大都在50～5000 之间，分离系数α即所谓气态水与空气组分之间的选择性，也即是膜分离材料对气态水、空气中氧气、氮气的渗透量之比。这些膜分离材料的使用温度，通常能维持长期性能的工作温度大部分在0～65℃。在膜分离过程中，气体进入膜分离器后被分成了两种介质，一个是滞留侧输出的混合气，一个是渗透侧输出的混合气，对于一个以脱除压缩空气中含有的水蒸气的干燥系统而言，原料气即水分+空气，通过膜分离器后，自渗透侧输出富含水蒸气（湿份）的空气，而在滞留侧输出带有微量水分的空气，即干燥的压缩空气。

其中，AF02是原料空气过滤器，用以截留空气中的尘埃等杂质，AB01是压缩机，为了建立膜分离器M01分离所需的压力比。一般地，对于采用中空纤维膜分离材料的膜分离器M01，压缩机AB01需建立4～20倍的压力比，典型的，如压缩机将空气压缩到0.75MPa，如大气压为0.1MPa，则相当于建立了8.5倍的分离压力比。压缩空气首先经过优选但非必要的缓冲罐PV01，用以缓冲气流脉动，排除部分冷凝水，再经过过滤器AF01，该过滤器AF01可以是任意形式的过滤器或者组合的过滤器，主要祛除尘埃、液态水、油份等对膜分离过程有害的杂质，在进入膜分离器M01的原料气入口A0。当然，进入之前还可以优选但非必要的将气体加热至一定的温度，典型的，如加热到25～60℃，以不超过一般中空纤维膜分离材料的长期使用条件下的耐受温度（典型的，如小于66℃）为主。在膜分离器中，水蒸气因为较空气组分更容易渗透而向渗透侧排除，空气组分则因较水蒸气难以渗透而在膜分离器的滞留侧排出而成为干燥的压缩空气。

本专业的人员会理解，一旦设计完成选定动力设备与膜分离材料、膜分离器的膜分离系统，其工作的稳定性主要与进入膜分离器的温度以及膜分离器的工作压力相关，为了稳定的获得一定流量、露点的压缩空气，在膜的滞留侧随后串接了一个背压阀WTV101用以稳定膜分离器的工作压力，设置的截止阀JV101则用于调节出口流量。

为了获得更为干燥的压缩空气，通常还在干燥的压缩空气出口端引出一路干燥的压缩空气经调节阀V01返回膜分离器的渗透侧作为吹扫气，以期带出渗透侧的水蒸气，降低渗透侧的水蒸气分压，强化渗透过程，从而获得更为优异的分离性能。

根据附图1，通过将膜的渗透侧出口本将向大气排放的水蒸气通过管线引入原料空气压缩机入口端，并将压缩空气的主要进入口加上一个调节阀V02，通过调节V02，可以简单的通过截留原料空气的入口流通量，而保持入口处于大约70～90KPa的绝压，典型的，如控制在90KPa的绝压，相当于在膜分离器的渗透侧建立了-10KPa的真空吸引力，该真空度可有效的将膜分离器渗透侧的水蒸气吸引进入到压缩机入口与大量的空气混合而不显著的改变压缩机的压缩过程，略微富含水蒸气的压缩空气经压缩机压缩后仍然可以认为是饱和水蒸气，水蒸气在压缩后的后续系统如缓冲罐、过滤器将顺利排出，对膜分离过程本身而言，因为吸入口成为负压，如-10KPa，在大气压为0.1MPa下，如果压缩机同样压缩到相同的压力，如0.75MPa，其压缩比为：（0.75+0.1）/（100-10）=9.4倍的压力比，因压缩比上升其压缩功耗将上升，但如果仍然保持8.5倍的分离压力比，压缩机应输出0.665MPa，显然，通过稍微改变膜面积可以满足相同的渗透量但仍然可以满足所需的压缩空气干燥程度，但显然因为无需干燥的压缩空气吹扫而更为节约能源消耗，系统也显得更为简单有效。

如附图2，通过单独设置一个负压源AB02（真空泵）将膜的渗透侧出口本将向大气排放的水蒸气通过管线引入该额外的真空泵入口而排向大气。同样的，如保持入口处于大约70～90KPa的绝压，典型的，如控制在90KPa的绝压，相当于在膜分离器的渗透侧建立了-10KPa的真空吸引力，该真空度可有效的将膜分离器渗透侧的水蒸气吸引进入到压缩机入口与大量的空气混合而不显著的改变压缩机的压缩过程，略微富含水蒸气的压缩空气经压缩机压缩后仍然可以认为是饱和水蒸气，水蒸气在压缩后的后续系统如缓冲罐、过滤器将顺利排出，对膜分离过程本身而言，因为渗透侧为负压，如-10KPa，在大气压为0.1MPa下，如果压缩机保持同样的压缩压力，如0.75MPa，其压缩比为：（0.75+0.1）/（100-10）=9.4倍的压力比，膜的渗透因压力比的增加而增强，可获得更为干燥的压缩空气，但如果仍然保持8.5倍的分离压力比，压缩机应输出0.665MPa，显然，维持相同的分离效果，而通过稍微改变膜面积以满足相同的渗透量但仍然可以满足所需的压缩空气干燥程度，因为无需干燥的压缩空气吹扫而仅需额外增加的那点真空泵负压所需的能源消耗更为节约能源，这点额外的真空泵功耗显得微不足道，系统也显得更为简单有效。 

如附图3、4，为了获得更为干燥的压缩空气，典型的，如常压露点10～-30℃，也可以在维持负压吸引的同时，采用部分或全部常压正常大气（经过滤器AF01过滤处理的）进行渗透侧吹扫，与上述描述相类似，额外增加的真空吸引力或者直接采用原料空气压缩机进行的真空吸引所带来的额外能源负担比较消耗干燥后的压缩空气产品吹扫显得更为节能。

如附图5、6，为了获得更为干燥的压缩空气，典型的，如常压露点-20～-70℃，也可以在维持负压吸引的同时，采用部分干燥的压缩空气进行渗透侧吹扫，与上述描述相类似，额外增加的真空吸引力或者直接采用原料空气压缩机进行的真空吸引所带来的额外能源负担比较全部消耗干燥后的压缩空气产品进行吹扫显得更为节能。

本发明的膜分离技术的干燥方法因为具有真空吸引，这一特点使得本系统更适合在温度较为严寒的地区使用，尤其是间歇式开停机的膜分离系统，可有效的避免渗透侧水蒸气的凝结现象，从而避免导致系统性能遭到破坏性影响，因为，正常工作的膜分离器渗透侧存在大量的水蒸气，在系统停机时，渗透侧水分排除也接近停止，当外部温度降低时，水蒸气将冷凝成水分而存留在膜分离器渗透侧内而破坏膜分离器，而本发明因为有了真空吸引，水蒸气可得到充分的排除，不会显著影响系统的长期使用性能；

本发明适合于各种以空气或其它气体如氮气等以排除水蒸气或其它较易渗透的挥发性物质为目的干燥过程，较现有技术更为节约能源。

本发明工艺及设备简单、适用范围宽，可应用于各种介质、各种传统工艺的干燥过程技术改造。

如附图所示，一个完整的膜分离干燥压缩气体干燥系统，它包括：

1、至少一台升压设备AB01，用以将原料气升压到一定的压力；

2、优选但非必要的缓冲罐PV01串接至压缩机出口；

3、紧接着串接优选但非必要的过滤器AF03；

4、一组膜分离器M01，有若干单个膜分离器串接组成，每个膜分离器至少有三个开口，一个原料气入口，一个滞留气出口，一个渗透气出口；此外，还可有吹扫气入口；

5、至少一个背压调节阀WTV101用以稳定膜分离器的压力并串接在膜分离器滞留侧之后，以及一个截止阀JV01用以调节压缩空气出口流量紧接着串接于背压调节阀WTV101之后；

6、至少一种负压源，串接在膜分离器M01的渗透气出口，用于将渗透气排出的水蒸气直接抽走排向大气或者将该气体循环到压缩机AB01入口，并且，如果该气体循环到压缩机AB01入口，至少应在压缩机AB01的入口设置一个调节阀V02，用以调节自大气进入压缩机的气体流量，该阀门V02应串接在原料空气入口并且与来自渗透侧的水蒸气混合后进入压缩机AB01的入口；

7、优选但非必要的在原料空气进入膜分离器M01或者压缩机AB01之前设置过滤器AF02，用以过滤空气中的尘埃等颗粒物。

实例1 一个采用中空纤维膜分离干燥技术干燥压缩空气的实例，中空纤维膜分离器由上海偲达弗材料科技有限公司生产，其对水与空气组分的分离系数α（H2O/O2）达1500, α（H2O/N2）达1100 ，选型了一支四口膜分离器，其处理量0.3 m3/min，工作压力0.8MPa的膜分离器，压缩机为无油涡旋压缩机，排气量0.24m3/min，排气压力0.85MPa，按附图2-1，采用正常大气作为吹扫气，将渗透气引入该压缩机的吸气口，通过调节V02调节阀并调节吹扫气入口调节阀V01，维持压缩机入口负压-12KPa，吹扫气流量经测得为1.5 m3/hr.在环境温度25℃条件下，获得了常压露点-30℃的压缩空气13.5 m3//hr.气源损耗小于7%。

采用同样的分离器，同样的压缩机，如附图4，采用干燥后的压缩空气作为吹扫气，调节阀V01，吹扫气流量经测得为2.9 m3/hr.在环境温度25℃条件下，获得了常压露点-30℃的压缩空气11.3 m3//hr.气源损耗大于20%。

实例2  一个采用中空纤维膜分离干燥技术干燥压缩空气的实例，中空纤维膜分离器由上海偲达弗材料科技有限公司生产，其对水与空气组分的分离系数α（H2O/O2）达1500, α（H2O/N2）达1100 ，选型了一支四口膜分离器，其处理量0.3 m3/min，工作压力0.8MPa的膜分离器，压缩机为无油涡旋压缩机，排气量0.24m3/min，排气压力0.85MPa，按附图3-1，采用干燥后的压缩空气作为吹扫气，并将渗透气引入该压缩机的吸气口，通过调节V02调节阀并调节吹扫气入口调节阀V01，维持压缩机入口负压-12KPa，吹扫气流量经测得为2.1 m3/hr.在环境温度25℃条件下，获得了常压露点-46℃的压缩空气12.1 m3//hr.气源损耗约15%。

采用同样的分离器，同样的压缩机，如附图4，采用干燥后的压缩空气作为吹扫气，调节阀V01，吹扫气流量经测得为3.5 m3/hr.在环境温度25℃条件下，获得了常压露点-30℃的压缩空气10.7 m3//hr.气源损耗约25%。

Claims (6)

1.一种基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法，其特征在于采用负压吸引的膜分离干燥方法，即通过在膜分离器的渗透侧建立一定程度的负压，来实现压缩空气干燥；其中，所述负压吸引的膜分离干燥方法，使用负压吸引的膜分离干燥装置，该装置包括： 

至少一台升压设备AB01，用以将原料气升压到一定的压力；

一个缓冲罐PV03，其入口通过管道与升压设备AB01的出口连接；

一台过滤器AF01；其入口通过管道与缓冲罐PV01的出口连接；

一组膜分离器M01，其中，每个膜分离器至少有三个开口：一个原料气入口A0，一个滞留气出口A1，一个渗透气出口A2；膜分离器中的分离膜至少分成两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧；原料气入口A0通过管道与过滤器AF03连接；滞留气出口A1输出干燥的压缩空气，渗透气出口A2则输出带水蒸气的气体； 

一个背压调节阀WTV101以及一个截止阀JV01，背压调节阀WTV101串接在膜分离器M01滞留气出口A1之后，用以稳定膜分离器的压力；截止阀JV01串接于背压调节阀WTV101之后，用以调节压缩空气出口流量；

其中，膜分离器M01的渗透气出口A2通过管道与升压设备AB01的入口连接，将渗透气排出的含水蒸气的气体循环到升压设备AB01的入口；或者膜分离器M01的渗透气出口A2通过管道单独连接一个负压源AB02，用于将渗透气出口A2排出的含水蒸气的气体直接抽走，排向大气。

2.根据权利要求1所述的基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法，其特征在于膜分离器M01还设有一个吹扫气入口A3，用于通入吹扫气体；所述吹扫气体来自经过滤处理后的正常大气，或者引自膜分离器滞留侧出口经过处理后的干燥空气。

3.根据权利要求1或2所述的基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法，其特征在于，对于采用中空纤维膜分离材料的膜分离器M01，压缩机AB01建立的压力比为4～20倍。

4.根据权利要求1或2所述的基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法，其特征在于，在原料气进入膜分离器M01的原料气入口A0之前，将原料气加热至25～60℃。

5.根据权利要求1或2所述的基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法，其特征在于，在维持负压吸引的同时，采用部分或全部常压正常大气进行渗透侧吹扫，以获得常压露点10～-30℃的干燥压缩空气。

6.根据权利要求1或2所述的基于膜分离技术脱除压缩空气中水分的方法，其特征在于，在维持负压吸引的同时，采用部分干燥的压缩空气进行渗透侧吹扫，以获得常压露点-20～-70℃的干燥压缩空气。

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