膜式干燥器的原理与应用

膜式干燥器的原理与应用

1.引言

压缩空气作为一种重要的生产动力应用于工业领域的各个方面。在压缩空气的生产过程中，空气中的水分将随压缩空气一起进入压缩空气系统中。压缩空气中的水分将导致压缩空气管路的腐蚀，同时还会促进微生物的繁殖;如果水分没有去除的话，形成的冷凝液将在系统低点处积聚，这将对工业生产造成长久潜在的威胁，如：气控元件失灵、设备磨损增加，或者直接导致生产过程的停止。

传统的冷冻式干燥器、吸附式干燥器早已是众所熟知的产品，这些干燥器大多数安装于空压站，在压缩机之后，对整个系统的压缩空气进行干燥。我们知道，每个不同用户对压缩空气使用点的压缩空气干燥度的要求都会有所不同，同一个用户的压缩空气系统中，也会出现不同的干燥度需求，因此，最经济的压缩空气干燥方法就是只对实际需要的部分进行按需要的干燥度进行干燥。无论是试验用气、生产车间还是外场用气，也不论是移动用气还是固定用气，压缩空气用户均对压缩空气干燥的即时性和可靠性提出了更高的要求。正是基于对使用点的压缩空气进行干燥的需求，才诞生了渗膜式压缩空气干燥器。膜式干燥器起初是对小气量的最终使用点提供了最优的解决方案，后来演化到各个适合的应用领域。

2. 分子膜特性

高分子渗膜材料具有水分子渗透扩散的特性。如图1所示，如果分子膜两端存在气体分压(浓度不同)，则气体分子就会透过渗膜从分压大的一方向分压小的一方进行分子扩散。

气体分子透过高分子膜的扩散速度取决于三个方面：

a. 扩散需要经过的渗膜材料的结构;

b. 气体分子的尺寸

c. 气体的蒸发温度

通过实验室的不断试验，科学家们发现，有一种合成的高分子膜，在常温下，如图2

所示，水蒸汽分子通过该高分子渗膜的扩散速度比氧气分子快20,000倍，而这种合成的分

子膜就是对水分子与其他气体分子进行分离的理想材料，这个特性使得这种合成的高分子膜成为了制造膜式干燥器的基本材料。

3. 高分子膜结构构成

在高分子膜使用之初，因为只使用了渗膜基本材料，分子膜对气体的选择性是比较低的。如图3所示，这就意味着具有较低扩散速度的气体最终也能够穿过渗膜基体材料，包括氮气，特别是氧气(最多穿透可达5%)。也就是说，低选择性渗透膜会形成一定量的泄露，并使得空气成分中各种气体组成比例结构发生变化，不适合在呼吸空气中使用。

同时，气体分子直接穿过渗膜壁，会造成压缩空气中的污垢堆积在渗膜表面，影响渗膜的使用寿命。而渗膜表面其他气体的渗透被用来作为反吹气使用，因此反吹气量是一个基于

压力的常数。不能够调节反吹气量，灵活性较低。因此，无法使其适应大流量应用，而且反吹气量损失也较大。

随着技术的进步，实验室里都在努力解决低选择性渗透膜存在的问题。几年之后，不同技术的高选择性的渗透膜被制造了出来。以贝克欧公司的高选择渗透膜为例，在高选择膜内侧粘附了一层特殊涂层，如图4所示，基本达到了仅有水分子才能穿透渗透膜的理想效果。

由于低选择性渗透膜成本较低，制造简单，在市场上有大量的低选择性渗透膜干燥器存在，区分低选择性渗透膜干燥器的方法就是关闭干燥器出口，测量是否仍有压缩空气消耗。如果仍有压缩空气消耗，则使用的就是低选择性渗透膜。如果没有压缩空气消耗，则使用的就是高选择性的渗透膜。

4.中空高分子膜的形成

将一定成分的高分子原料在原料炉中通过温度控制，添加添加剂后以液态形式从原料炉中流出，原料遇水后快速生长，通过精密的几何形状控制，使之成为细长的如图4所示的中空管。在水下恒温及辅料的控制下，膜不断成长并逐渐形成强度。这时在中空管内壁开始喷涂特殊涂层。经过百米长的水下不同阶段的恒温恒速控制，中空渗透膜达到最高强度后引出水面进入线轴进行缠绕。成品的中空高选择性渗透膜每个线轴的渗膜长度可达几千米长。

5.渗膜干燥器的工作原理

如图5所示，潮湿的压缩空气通过上端入口进入中空渗膜管，然后流经渗膜管到达底部。因为在渗膜内部和外部水蒸汽分压不同，因此水分子就从分压较大的渗膜内部向分压较小的渗膜外部扩散，在底部就获取了较干燥的压缩空气。把这个干燥的压缩空气引出一小部分进行膨胀减压，形成极为干燥的压缩空气，把减压后的极干燥的压缩空气引入到渗膜之外把扩散出来的水分子吹扫掉。这样就加大了中空分子膜内外的水分子分布梯度，加速了水分子的扩散速度，于是在渗膜底部压缩空气的湿度急剧下降，从而达到干燥压缩空气的目的。

6. 膜式干燥器的构成

膜式干燥器的结构如图6所示，由上端盖、壳体以及管芯组成。管芯就是由前述的多束中空渗膜管组成。

压缩空气的流向如图7所示，潮湿的压缩空气从端盖上的入口进入，然后流经管芯中心套管至干燥器底部。

压缩空气改变方向，由下向上从渗膜纤维管的内部流过，然后从管芯顶部流出。

干燥的压缩空气从管芯流出后，再经过端盖的出口输送到后端使用点。

7. 环境参数的影响

首先，膜式干燥器的干燥效果取决于水分子的扩散速度，而水分子的扩散速度与水分子分压梯度有关。因为压缩空气工作压力越大，膜内外形成的水分子梯度越大。因此，工作压力越大，膜式干燥器干燥效果越好。

其次，由于分子膜是靠水分压梯度来对水分子进行渗透扩散分离。因此，在膜干燥器出口处，总能获得比入口更干燥的压缩空气。这一点，与传统的冷冻式干燥机和吸附式干燥机不同。压缩空气经过膜分离干燥后，不是达到恒定的压力露点值，而是达到恒定的相对湿度值RH。这一点对压缩空气的使用者更具有现实意义。

基于以上分析，膜式干燥器后残余水分的多少显然与入口压缩空气含水量有关，入口含水量越高，则残余水分越大，反之亦然。也就是说，膜式干燥器出口的干燥效果，与入口的压缩空气压力露点有关。因此，膜式干燥器是提供了一个恒定的“露点降”。不论上游的压缩空气压力露点是多少，经过膜式干燥器干燥后，总能使压缩空气进一步干燥。这一突出优点是冷干机与吸干机所达不到的。当冷干机入口处的压缩空气压力露点低于冷干机的处理能力(比如3℃)时，或当吸干机入口处的压缩空气压力露点低于吸干机的处理能力(比如-40℃)时，冷干机或吸干机不再有任何干燥效果。而此种情况下，渗膜式干燥器却可以继续把压缩空气的干燥度进一步提高。

8. 膜式干燥器使用中的注意问题

由于高分子膜是靠分子间隙来分离水分子的，具有极高的精密度。因此要想保证干燥膜组可靠工作，压缩空气必须满足如下条件：

a. 压缩空气不能含有液态冷凝液;