吸附式干燥机的性能优化与参数设计研究

吸附式干燥机的性能优化与参数设计研究

屠汉彬

上海申江阿普达实业有限公司

摘要：吸附式干燥机作为一种利用吸附剂进行干燥的设备，在化工、食品、制药等行业中应用广泛。随着工业自动化水平的提升和能源消耗的严格控制，对吸附式干燥机的性能优化和参数设计提出了更高的要求。本文基于吸附式干燥机的工作原理，探讨了其性能优化与参数设计，以期为相关行业提供切实可行的改进方案。

关键词：吸附式干燥机；性能优化；参数设计

引言：吸附式干燥机的设计与性能直接关系到最终产品的干燥质量以及生产过程的经济性和环境影响。在众多干燥设备中，吸附式干燥机以其较低的能耗和处理大气量的能力而受到青睐。然而，传统设计往往忽视了精细调控吸附剂性能和工作参数对干燥效果的影响。优化这些参数不仅可以提升干燥效率，还能降低操作成本，从而在激烈的市场竞争中为企业带来显著的经济效益。

一、吸附式干燥机的性能优化措施

（一）合理的干燥布局和部件构造设计

合理的干燥布局是吸附式干燥机性能提升的关键措施之一。合理设计选型和调节再生工况，可以有效提高干燥机的工作效率和干燥效果。

一、干燥机的布局设计要尽量缩短气体流程的长度，尽量的减少管件的数量，最大限度的降低干燥系统的阻力能耗，这点是干燥设备优化设计非常重要的环节，有效的干燥布局，能够降低管件系统阻力的30-50%，不仅实现了美观的外形，又能实实在在的降低干燥机的能耗！

二，合理吸附塔体设计，流速控制避免“隧道效应”，降低流经塔体的阻力压损，流速不高于0.25m/s。干燥塔底部设置有气流分布结构。压缩空气进入吸附塔后，先减速扩散，然后再通过气流扩散器，确保压缩空气在吸附塔内均匀平稳的流经吸附床层。这样即保证了压缩空气同吸附剂的接触时间达到规定的露点温度，同时也降低了气流对吸附剂的冲击，减小了磨耗并提高了吸附剂的使用寿命。

三，选择更加合适的吸附剂，能够提升吸附效率，还能降低用户的使用成本，结合吸附剂的特性，选择吸附剂比表面更大的吸附剂，这样能够提升吸附速率，还能提升干燥机的动态吸附率，同样的处理效果能够减少吸附剂的填充，降低干燥设备的阻力，节约能耗。好的吸附剂还能延长吸附剂的使用寿命，降低用户的平均更换设备配件的成本，老化后的吸附剂加将大幅度的降低干燥机的吸附效果。 通过图片可以看出活性氧化铝的吸附性能的衰减速度。

四、循环气流的循环路径和流向也需要精心设计。合理的循环路径可以最大限度地利用吸附剂的吸附容量，避免局部过度饱和或过早饱和的情况发生。同时，流向的设计也影响到干燥物料的均匀性和干燥速度，通过优化流向，可以使各个部分的物料都能得到充分的干燥，提高整体干燥效率。

除此之外，定期对干燥系统的过滤装置和排水进行清洁和维护也是关键的优化措施之一。积灰或堵塞会影响气流的流畅性和干燥效果，定期清理和检查循环气流管道、过滤器等部件，保持系统的畅通和清洁，可以确保干燥机长期稳定高效地运行。通过以上综合优化措施，可以有效提升吸附式干燥机的性能和效率，实现更好的干燥效果。

（二）控制干燥温度和时间，提高干燥效率

吸附式干燥机在许多工业领域中扮演着至关重要的角色，而其性能优化措施则是确保高效运行的关键。其中一个重要的优化措施是控制干燥温度和时间，以提高干燥效率。

首先，对于干燥温度的控制，需要根据所处理物料的性质和要求来设定合适的温度。过高的温度会引起能耗的过度浪费，而过低的温度则会延长再生时间甚至会影响再生效果，因再生时间延长，从而导致切换周期变长，如果没有适宜的再生能力，该吸附式干燥机将无法正常使用。因此，通过对物料特性进行分析，调整干燥温度至最适宜的范围，可以有效提升干燥效率并且实现节能。

其次，有效控制再生时间也是提高吸附式干燥机性能的关键一环。吸附式干燥机的水分负荷变化与进气的含湿量有直接关系，结合相应的温度传感装置，来监控再生塔体的出塔温度，通过再生出塔温度的变化，找到适宜的再生出塔设置温度，减少加热再生时间，确保再生彻底的同时，又大幅度的降低了能耗。因此通过精确控制再生时间，确保吸附剂在最短的时间内达到所需干燥程度，可以有效提高干燥效率，降低生产成本。

在实际操作中，可以通过监测干燥塔内的温度和湿度变化来调整干燥温度和干燥时间。利用先进的传感技术和自动控制系统，实时监测物料的干燥情况，根据反馈信息及时调整干燥参数，以达到最佳的干燥效果。

（三）改善干燥过程的控制与监测

为了优化吸附式干燥机的性能，改善干燥过程的控制与监测至关重要。在这方面，一些关键的措施可以帮助提高设备的效率和稳定性。

第一，实施有效的控制与监测系统。使用先进的传感器装置，如温度、压力、露点仪等，可以实时监测干燥机各个部分的温度、湿度和压力等参数，通过相应温度的设定和监控，能及时并有效的确保再生同时，还能有效，结合露点档使用，设定好露点后，根据设备自身的负荷，自动切换运行周期，延长平均待机时间，降低每个周期内加热器平均功率及再生耗气量，从而实现最大化节能。

第二，优化干燥过程的控制。结合干燥机的温度和压力等参数来实现干燥过程的最佳控制。此外，根据不同吸附剂的特性和要求，合理的设定再生加热温度，调整干燥机的运行模式和时间，以确保干燥效果最佳。

第三，优化控制系统。通过有效的控制逻辑，实现设备自动运行，控制系统分为多档控制，有时间档、时间设置档位、露点档，多档位的控制系统能适应用户的气量负荷变化，结合实际情况选择适宜的动作档位，保证干燥设备稳定运行的同时，最大化实现节能。

二、吸附式干燥机的参数设计

（一）流程设计与能效比

在工业应用中，吸附式干燥机因其出色的除湿效果而被广泛使用，尤其是在对空气干燥度有严格要求的场合。吸附式干燥机的设计要素包括流程设计和能效比评估，是保证其经济性和有效性的关键。以下是对吸附式干燥机参数设计流程及能效比的详细解释。

流程设计是吸附式干燥机设计的初步和核心部分，它包括确定干燥机的工作压力、温度范围、处理气体的流量以及吸附剂的选择等。例如，若设计一个处理量为每小时1000m³的干燥机，首先需确定输入空气的相对湿度和温度（例如，进气温度为30℃，相对湿度为80%），以及所需的输出空气干燥度（露点温度通常低至-40℃）。

干燥机的能效比是衡量其能源消耗效率的指标，即干燥处理每立方米气体所消耗的能量（通常以千瓦时计）。高能效比意味着在消耗较少能量的同时提供更多的干燥空气，这对于降低运行成本至关重要。例如，一个良好设计的吸附式干燥机的能效比应该在0.7至0.8千瓦时/m³之间[1]。

为了实现高能效比，设计时需要精确计算吸附剂的再生温度和周期。假设采用活性氧化铝作为吸附剂，其再生温度可能设定在140℃至160℃之间，而再生周期根据干燥需求和吸附剂性能，可能是4至8小时。再生过程中的热能回收系统也是设计的一部分，可以显著提高能效比。例如，通过热交换器回收再生过程中释放的热量，预热进入干燥机的湿气，从而减少了加热的能量需求。只有通过精确计算和合理设计，才能确保干燥机的高效能和经济运行。

（二）系统容量与吸附塔尺寸

吸附式干燥机是通过吸附剂，通常是分子筛或硅胶等材料，来去除压缩空气中的水分。设计吸附式干燥机时，系统容量和吸附塔的尺寸是两个关键参数，它们直接影响设备的干燥效率和经济性。

系统容量是指干燥机在单位时间内处理的空气量，通常以立方米每分钟（m³/min）或标准立方英尺每分钟（scfm）为单位。系统容量的设计需要考虑最终用气点的需求量，以及可能的未来扩展。例如，如果一个工厂的平均用气量为60m³/min，那么干燥机的设计容量可能会定为70m³/min，以应对未来的增长或偶发的用气高峰。

吸附塔的尺寸则是基于系统容量、吸附材料的性能以及所需的干燥级别来决定的。塔的直径和高度需要根据吸附剂的填充密度、空气流速和吸附周期来计算。一般来说，空气流速越低，吸附压降越低，但这也意味着需要更大的塔体尺寸和更多的吸附剂，从而增加了成本。

依一个设计容量为70m³/min工作压力7barg，进气温度38℃的干燥机为例，假定使用的是分子筛吸附剂，其填充密度约为700kg/m³。如果设计的空气流速为0.2m/s，那么可以通过流速公式 Q=A*v (其中Q是流量，A是截面积，v是流速)来计算所需的塔体截面面积。换算后大约需要一个内径为1m的圆柱形吸附塔，这个尺寸可以保证吸附剂层有足够的接触时间去除水分。

在决定了塔体直径后，接下来需要确定塔的高度。高度的确定需要考虑吸附剂的使用寿命和再生周期。通常，吸附塔的高度是满足有效接触时间为前提，提供充分的干燥时间。正常接触时间为6-8S为宜，不同的露点需求塔高会有差异，确定好空塔流速后，那么吸附塔的有效高度就出来了，正常塔高取值1.4-1.8M。

最后，除了塔体的尺寸参数外，还应该考虑操作条件，如进气温度、相对湿度以及环境压力，这些都会影响吸附剂的性能和干燥机的设计。例如，更高的进气温度或相对湿度会增加水分的载入量，可能需要更大的吸附塔尺寸或更多的吸附剂来补偿[2]。

由此可见，设计吸附式干燥机的系统容量和吸附塔尺寸是一个复杂的过程，涉及到对工况条件的准确评估和对吸附剂性能的深入理解。通过合理的设计，可以确保干燥机的高效运行，同时控制投资和运营成本。

（三）控制系统与安全参数配置

在设计吸附式干燥机的控制系统与安全参数配置时，必须综合考虑机器操作的安全性、稳定性以及能效比。控制系统应当能够自动调节负荷变化带影响，确保干燥过程在最佳状态下进行，而安全参数配置则是为了防止设备超载运行，避免潜在的安全风险。

首先，吸附式干燥机的控制系统通常包括湿度传感器（露点仪）、温度传感器、压力传感器。这些传感器的参数设置应当根据干燥物料的特性来确定。例如，湿度传感器的检测范围应覆盖0-100%RH，精确度至少±2%RH，以确保对干燥环境的实时监控。温度传感器则应能够覆盖工作温度范围，通常为-80°C至+20°C，精度至少±1.5°C。压力传感器的测量范围应为0-16 bar，精度至少为±0.1 bar。

其次，控制系统有PLC、温度模块、模拟量模块、触摸屏等，它能够实时处理传感器数据，并根据预设的算法调整吸附剂再生周期。例如，选择露点档可以根据露点温度的设定调节吸附剂再生周期，露点档的切换周期一般8-24小时，负荷大时切换周期会变短，负荷小的情况下会延长切换周期，不仅实现了自动控制，又优化能耗和吸附效率。

在安全参数配置方面，干燥机应配备过载保护、短路保护和过热保护等功能。过载保护设定点应在电机额定功率的110%，一旦检测到电机负载超过此值，系统应立即切断电源，避免设备损坏。短路保护则需要依据电路设计选择合适的断路器，通常选用的断路器额定中断能力应大于系统最大短路电流的1.5倍。过热保护设定温度一般为设备运行温度的150%，配备必要的热保护器件如温度保险丝或热敏断路器，确保在温度异常情况下能迅速断开电路，保护设备免受损害[3]。

最后，考虑到干燥机可能处于恶劣的工作环境，所有的安全参数设定都应有一定的冗余度，以确保在极端条件下也能保持正常运作。控制系统的设计必须遵循相关的国际和地区安全标准，如ISO 13849或IEC 62061，以确保其安全性和可靠性。通过这些综合性考量，可以确保吸附式干燥机的控制系统既高效又安全。

结语：综上所述，本研究通过对吸附式干燥机的性能优化与参数设计进行了系统的探讨，实现了干燥过程的能效比的显著提升。这些结论为干燥设备的设计和运行提供了新的思路和方法。未来的研究以哪个进一步深化对吸附动态和热力学平衡的理解，以便更好地指导工业应用，并为实现更加环境友好和经济高效的干燥技术的发展做出贡献。

参考文献：

[1]王大伟,王秋霞,王仲杨等.供风系统余热再生零气耗吸附式干燥器改进及优化[J].有色设备,2023,37(04):72-77.

[2]王韦韦.微热再生吸附式干燥器的技术优化[J].重庆电力高等专科学校学报,2020,25(02):18-21.

[3]张小伟.吸附式干燥机的优化分析[J].中国新技术新产品,2019,(12):44-45.