CN110465164B - 基于低压吸附的超低露点干燥空气制备装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于低压吸附的超低露点干燥空气制备装置与方法，依次相连构成环路的冷冻及转轮除湿子***、压缩空气子***、低压吸附除湿子***和冷水机组，其中：被处理空气依次经过冷冻及转轮除湿子***冷冻除湿，露点温度降低至冷水机组所产生的冷冻水温度，然后经冷冻及转轮除湿子***进行常压吸附除湿、经压缩空气子***进行压力提升和温度降低，被处理空气经过冷却水换热和冷冻水换热降低温度后进入低压吸附除湿子***进行低压吸附除湿并最终达到深度干燥。本发明利用低压吸附原理制备超低露点干燥空气的装置与方法，以制备超低露点干燥空气，同时与传统高压吸附制备超低露点空气的方法相比降低能耗。

Description

基于低压吸附的超低露点干燥空气制备装置与方法
技术领域
本发明涉及的是一种空除湿领域的技术，具体是一种基于低压吸附的超低露点干燥空气制备装置与方法。
背景技术
在电池、制药、化工、军工等领域的制造或实验等过程中，对车间、管道或实验室等空间的空气湿度有极高的要求，许多情况下要求深度干燥，所处空间的空气为超低露点的干燥空气。目前最常用的空气除湿方法包括冷冻除湿、吸附除湿和高压吸附。
冷冻除湿，即将被处理空气的温度降低至露点温度以下，冷凝出液体水。当需要深度除湿时，则需要对被处理空气进行深度冷却，将空气的露点降至更低，但这些技术操作要求高，工况严苛，或采用液氮来进行降温以实现深度干燥，能耗大，成本高。吸附除湿如采用除湿转轮等常压吸附的方法进行除湿但难以继续降低空气露点，且转轮再生温度高，能耗高。高压吸附，即参考空气分离行业中高压吸附分离空气的原理，使用吸附塔来利用吸附剂在高压下吸附空气中的水分来达到干燥，但这类技术所要求的压力很高，通常吸附压力在0.2MPa(表压)以上，由于使用空气压缩机而使干燥所需的能耗大大增加。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于低压吸附的超低露点干燥空气制备装置与方法，利用低压吸附原理制备超低露点干燥空气的装置与方法，以制备超低露点干燥空气，同时与传统高压吸附制备超低露点空气的方法相比降低能耗。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于低压吸附的超低露点干燥空气制备装置包括：依次相连构成环路的冷冻及转轮除湿子***、压缩空气子***、低压吸附除湿子***和冷水机组，其中：被处理空气依次经过冷冻及转轮除湿子***冷冻除湿，露点温度降低至冷水机组所产生的冷冻水温度，然后经冷冻及转轮除湿子***进行常压吸附除湿、经压缩空气子***进行压力提升和温度降低，被处理空气经过冷却水换热和冷冻水换热降低温度后进入低压吸附除湿子***进行低压吸附除湿并最终达到深度干燥。
本发明涉及上述装置的基于低压吸附的超低露点干燥空气制备方法，包括：干燥再生工况和干燥冷吹工况，其中：
干燥再生工况下，空气的流动方向为：入口空气进入冷冻及转轮除湿子***，经过表冷器和转轮除湿装置后，进入压缩空气子***，经过高压风机，回热器，冷却水换热器，冷冻水换热器后，进入低压吸附除湿子***，经过第一风阀或第二风阀，第一吸附塔或第二吸附塔，第七风阀或第八风阀后分为两路，一路经过成品气阀后成为超低露点干燥空气；另一路经过再生气阀，第一回热阀，回热器，第二回热阀，加热器，第六风阀或第五风阀，第二吸附塔或第一吸附塔，第四风阀或第三风阀，转轮再生气阀，转轮除湿装置后排出***。冷冻水的流动方向为：冷水机组产生的冷冻水，可分为两路，一路可以经过表冷器阀进入表冷器后回到冷水机组；另一路可以经过冷冻水换热器阀进入冷冻水换热器后回到冷水机组。冷却水的流动方向为：冷却水供水可分为两路，一路可进入冷水机组后流回冷却水回水；另一路可经过冷却水换热器阀后进入冷却水换热器后回到冷却水回水。
干燥冷吹工况下，空气的流动方向为：入口空气进入冷冻及转轮除湿子***，经过表冷器和转轮除湿装置后，进入压缩空气子***，经过高压风机，回热器，冷却水换热器，冷冻水换热器后，进入低压吸附除湿子***，经过第一风阀或第二风阀，第一吸附塔或第二吸附塔，第七风阀或第八风阀后分为两路，一路经过成品气阀后成为超低露点干燥空气；另一路经过再生气阀，冷吹阀，第六风阀或第五风阀，第二吸附塔或第一吸附塔，第四风阀或第三风阀，第一旁通阀，回热器，第二旁通阀，转轮除湿装置后排出***。冷冻水的流动方向为：冷水机组产生的冷冻水，可分为两路，一路可以经过表冷器阀进入表冷器后回到冷水机组；另一路可以经过冷冻水换热器阀进入冷冻水换热器后回到冷水机组。冷却水的流动方向为：冷却水供水可分为两路，一路可进入冷水机组后流回冷却水回水；另一路可经过冷却水换热器阀后进入冷却水换热器后回到冷却水回水。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
1)优化干燥工艺路线，利用冷冻及转轮除湿子***与低压吸附除湿子***合理配置，优化组合冷冻除湿、常压吸附除湿、低压吸附除湿工艺路线，使被处理空气可在较低的吸附压力下达到深度干燥，降低了高压风机的压力提升，降低了高压风机的能耗。
2)在高压风机后设置回热器，利用高压风机在提升被处理空气压力的同时产生的废热，预加热再生气，降低加热器的能耗。
3)转轮除湿装置所使用的再生气来自于吸附塔再生后的气体。由于吸附塔只进行深度干燥，因此吸附塔中的吸附剂所吸附的水分的量很少，再生后的气体仍然非常干燥。利用此相对干燥的气体对转轮除湿装置进行再生，实现了转轮除湿装置高效节能再生，达到了整个装置进一步节能的目的。
附图说明
图1为本发明干燥再生工况示意图；
图2为本发明干燥冷吹工况示意图；
其中，1冷冻及转轮除湿子***、2压缩空气子***、3低压吸附除湿子***、4表冷器、5转轮除湿装置、6高压风机、7回热器、8冷却水换热器、9冷冻水换热器、10第一风阀、11第二风阀、12第三风阀、13第四风阀、14第五风阀、15第六风阀、16第七风阀、17第八风阀、18第一吸附塔、19第二吸附塔、20成品气阀、21再生气阀、22冷吹阀、23第一回热阀、24第二回热阀、25加热器、26第二旁通阀、27第一旁通阀、28转轮再生气阀、29冷却水换热器阀、30冷冻水换热器阀、31表冷器阀、32冷水机组。
具体实施方式
本实施例涉及的一种基于低压吸附的超低露点干燥空气制备装置，包括：依次相连构成环路的冷冻及转轮除湿子***1、压缩空气子***2、低压吸附除湿子***3和冷水机组32，其中：冷冻及转轮除湿子***1和压缩空气子***2之间分别传输冷冻及转轮除湿子***处理后的被处理空气与转轮除湿装置的再生空气，压缩空气子***2和低压吸附除湿子***3之间分别传输压缩空气子***处理后的被处理空气与再生空气，压缩空气子***2和冷水机组32之间分别传输冷冻水与冷却水，冷水机组32和冷冻及转轮除湿子***1之间分别传输冷却水与冷冻水。
所述的冷冻及转轮除湿子***1包括：设置于输入端的表冷器4、与之相连的转轮除湿装置5以及设置于表冷器4的输入端的表冷器阀31，其中：表冷器阀31分别与压缩空气子***2和冷水机组32相连。
所述的压缩空气子***2包括：依次相连的高压风机6、回热器7、冷却水换热器8、冷冻水换热器9，其中：回热器7的输入输出端分别设有与低压吸附除湿子***3相连的第一回热阀23和第二回热阀24，冷却水换热器8和冷冻水换热器9的输入端分别设有与冷冻及转轮除湿子***1相连的冷却水换热器阀29和冷冻水换热器阀30。
所述的低压吸附除湿子***3包括：依次相连构成成品气输出支路的第一风阀10、第一吸附塔18、第七风阀16、用于输出成品气的成品气阀20以及依次相连构成再生气回收支路的加热器25、第六风阀15、第二吸附塔19、第四风阀13，其中：成品气输出支路的输入端与压缩空气子***2的冷冻水换热器9相连，成品气输出支路的输出端输出成品气或与再生气回收支路的输入端相连，再生气回收支路的输入端与压缩空气子***2的回热器7相连或与成品气输出支路的输出端相连，再生气回收支路的输出端与冷冻及转轮除湿子***1相连或与压缩空气子***2的回热器7相连。
所述的第一吸附塔18和第二吸附塔19的输入端和输出端同时设置第二风阀11、第三风阀12、第五风阀14和/或第八风阀17以实现选择性并联连接。
所述的回热器7的输入端与转轮除湿装置5的再生气回收支路的输入端之间设有第二旁通阀26。
所述的第二吸附塔19的输出端与回热器7的输出端之间设有第一旁通阀27。
所述的第二吸附塔19的输出端与转轮除湿装置5的输入端之间设有转轮再生气阀28。
所述的成品气输出支路的通过成品气阀20输出成品气的同时进一步通过再生气阀21与回热器7相连，再生气阀21与第六风阀15(或第五风阀14)之间设有冷吹阀22，从而选择性地将第一回热阀23，回热器7，第二回热阀24，加热器25短路，再生气可选择性进入或不进入回热器7。
所述的第一吸附塔18与第二吸附塔19中填充适量的吸附剂(如分子筛)。
本装置通过以下方式进行工作：
如图1所示，为干燥再生工况：
步骤1)开启表冷器阀31，冷水机组32产生一定温度的冷冻水①经表冷器阀31进入表冷器4与被处理空气换热后流回冷水机组32或②经冷冻水换热器阀30后进入冷冻水换热器9与被处理空气换热后流回冷水机组32；冷水机组32运行时产生的热量由冷却水供水进入冷水机组32带走并流回冷却水回水。
步骤2)开启冷却水换热器阀29及冷冻水换热器阀30，开启第一风阀10、第七风阀16、成品气阀20，关闭第二风阀11、第八风阀17，被处理空气经过表冷器4冷冻除湿后露点降低至冷冻水温度后，依次经过转轮除湿装置5后露点降低至-30℃至-40℃，经过高压风机6升高压力后经过回热器7与温度较低的再生气换热后温度降低，经过冷却水换热器8和冷冻水换热器9后温度进一步降低，经过第一风阀10进入第一吸附塔18并由吸附剂进行低压吸附除湿的同时露点降低至-65℃以下，再经过第七风阀16和成品气阀20后成为深度干燥的超低露点空气，即成品气。
所述的升高压力，其压力低于现有高压吸附除湿的吸附压力。
步骤3)开启再生气阀21、第一回热阀23、第二回热阀24、第六风阀15、第四风阀13、转轮再生气阀28、并关闭第三风阀12、第五风阀14、冷吹阀22、第二旁通阀26和第一旁通阀27，经过第七风阀16后的超低露点空气的另一部分作为再生气经过再生气阀21，第一回热阀23进入回热器7，与高压风机6出口的高温被处理空气换热后温度升高，此升温作为再生气的预加热阶段，可减少后续加热器25所需的加热量，达到节能的目的；再生气经过第二回热阀24，加热器25后加热至所需的温度，然后经过第六风阀15进入第二吸附塔19，对其中的吸附剂加热再生并释放吸附剂以前吸附的水分以恢复吸水能力；由于低压吸附除湿子***3只承担深度除湿的作用，被处理空气中绝大部分的水分的降低都是由冷冻及转轮除湿子***1完成的，因此再生气在经过第二吸附塔19对其中的吸附剂加热再生后仍然是非常干燥的，通常露点仍低于0℃，只是温度有所降低；此后再生气经过第四风阀13、转轮再生气阀28后进入转轮除湿装置5对其加热再生，然后成为再生废气排出整个装置。
如图2所示，为干燥冷吹工况：由于吸附剂(如分子筛)本身再生特性的要求，吸附剂(如分子筛)加热再生后，仍然需要冷吹过程，即利用常温未加热的深度干燥气体流入吸附塔中的吸附剂(如分子筛)带走加热再生时留下的热量以及未及时被带走的水分。
步骤a)与上述干燥再生工况中步骤1)相同；
步骤b)与上述干燥再生工况中步骤2)相同；
步骤c)开启再生气阀21、冷吹阀22、第六风阀15、第四风阀13、第一旁通阀27、第二旁通阀26并关闭第三风阀12、第五风阀14、第一回热阀23、第二回热阀24、转轮再生气阀28、加热器25不运行，被处理空气经过第七风阀16后的另一部分再生气经过再生气阀21、冷吹阀22、第六风阀15进入第二吸附塔19，对其中的吸附剂进行冷吹，带走加热再生时留下的热量以及未及时被带走的水分。然后经过第四风阀13、第一旁通阀27进入回热器7，与高压风机6出口的高温被处理空气换热后温度升高，此升温作为转轮除湿装置5再生气的预加热阶段，可减少后续转轮除湿装置5所需的加热量，达到节能的目的。此后，经过第二旁通阀26进入转轮除湿装置5对其加热再生，然后成为再生废气排出整个装置。
本装置优化了深度干燥的工艺路线，利用冷冻及转轮除湿子***与低压吸附除湿子***合理配置，优化组合冷冻除湿、常压吸附除湿、低压吸附除湿工艺路线，使被处理空气可在较低的吸附压力下达到深度干燥，降低了高压风机的压力提升，降低了高压风机的能耗。
在高压风机后设置回热器，利用高压风机在提升被处理空气压力的同时产生的废热，预加热再生气，降低加热器的能耗。
转轮除湿装置所使用的再生气来自于吸附塔再生后的气体。由于吸附塔只进行深度干燥，因此吸附塔中的吸附剂所吸附的水分的量很少，再生后的气体仍然非常干燥。利用此相对干燥的气体对转轮除湿装置进行再生，实现了转轮除湿装置高效节能再生，达到了整个装置进一步节能的目的。
根据实验与理论计算分析，在常规环境工况下，在0.1-0.6MPa(绝对压力)的吸附压力下，采用本发明所述优化的常压吸附设备与吸附塔结合的工艺路线，可产生低于-65℃露点的干燥空气，同时其运行功率都较单纯采用吸附塔作为吸附装置要低，平均低22～28％。而且高压风机提供***所需压力的运行功率是***主要能耗来源，因此随着运行压力的增加***的运行功率都呈线性增长，这说明本发明所提出的分级除湿工艺路线是一种有效的***节能方法。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (2)

1.一种基于低压吸附的超低露点干燥空气制备装置，其特征在于，包括：依次相连构成环路的冷冻及转轮除湿子***、压缩空气子***、低压吸附除湿子***和冷水机组，其中：
被处理空气依次经过冷冻及转轮除湿子***冷冻除湿，露点温度降低至冷水机组所产生的冷冻水温度，然后经冷冻及转轮除湿子***进行常压吸附除湿、经压缩空气子***进行压力提升和温度降低，被处理空气经过冷却水换热和冷冻水换热降低温度后进入低压吸附除湿子***进行低压吸附除湿并最终达到深度干燥；
所述的低压吸附除湿子***包括：依次相连构成成品气输出支路的第一风阀、第一吸附塔、第七风阀、用于输出成品气的成品气阀以及依次相连构成再生气回收支路的加热器、第六风阀、第二吸附塔、第四风阀，其中：成品气输出支路的输入端与压缩空气子***的冷冻水换热器相连，成品气输出支路的输出端输出成品气或与再生气回收支路的输入端相连，再生气回收支路的输入端与压缩空气子***的回热器相连或与成品气输出支路的输出端相连，再生气回收支路的输出端与冷冻及转轮除湿子***相连或与压缩空气子***的回热器相连；
所述的冷冻及转轮除湿子***包括：设置于输入端的表冷器、与之相连的转轮除湿装置以及设置于表冷器的输入端的表冷器阀，其中：表冷器阀分别与压缩空气子***和冷水机组相连；
所述的压缩空气子***包括：依次相连的高压风机、回热器、冷却水换热器、冷冻水换热器，其中：回热器的输入输出端分别设有与低压吸附除湿子***相连的第一回热阀和第二回热阀，冷却水换热器和冷冻水换热器的输入端分别设有与冷冻及转轮除湿子***相连的冷却水换热器阀和冷冻水换热器阀；
所述的第一吸附塔和第二吸附塔的输入端和输出端同时设置第二风阀、第三风阀、第五风阀和/或第八风阀以实现选择性并联连接；
所述的回热器的输入端与转轮除湿装置的再生气回收支路的输入端之间设有第二旁通阀；
所述的第二吸附塔的输出端与回热器的输出端之间设有第一旁通阀；第二吸附塔的输出端与转轮除湿装置的输入端之间设有转轮再生气阀；
所述的成品气输出支路的通过成品气阀输出成品气的同时进一步通过再生气阀与回热器相连；
所述的再生气阀与第六风阀或第五风阀之间设有冷吹阀，从而选择性地将第一回热阀、回热器、第二回热阀、加热器短路，再生气可选择性进入或不进入回热器。
2.一种基于权利要求1所述装置的基于低压吸附的超低露点干燥空气制备方法，其特征在于，包括：干燥再生工况和干燥冷吹工况，其中：
干燥再生工况下，入口空气进入冷冻及转轮除湿子***，经过表冷器和转轮除湿装置后，进入压缩空气子***，经过高压风机，回热器，冷却水换热器，冷冻水换热器后，进入低压吸附除湿子***，经过第一风阀或第二风阀，第一吸附塔或第二吸附塔，第七风阀或第八风阀后分为两路，一路经过成品气阀后成为超低露点干燥空气；另一路经过再生气阀，第一回热阀，回热器，第二回热阀，加热器，第六风阀或第五风阀，第二吸附塔或第一吸附塔，第四风阀或第三风阀，转轮再生气阀，转轮除湿装置后排出***，冷冻水的流动方向为：冷水机组产生的冷冻水，可分为两路，一路可以经过表冷器阀进入表冷器后回到冷水机组；另一路可以经过冷冻水换热器阀进入冷冻水换热器后回到冷水机组，冷却水的流动方向为：冷却水供水可分为两路，一路可进入冷水机组后流回冷却水回水；另一路可经过冷却水换热器阀后进入冷却水换热器后回到冷却水回水；
干燥冷吹工况下，入口空气进入冷冻及转轮除湿子***，经过表冷器和转轮除湿装置后，进入压缩空气子***，经过高压风机，回热器，冷却水换热器，冷冻水换热器后，进入低压吸附除湿子***，经过第一风阀或第二风阀，第一吸附塔或第二吸附塔，第七风阀或第八风阀后分为两路，一路经过成品气阀后成为超低露点干燥空气；另一路经过再生气阀，冷吹阀，第六风阀或第五风阀，第二吸附塔或第一吸附塔，第四风阀或第三风阀，第一旁通阀，回热器，第二旁通阀，转轮除湿装置后排出***，冷冻水的流动方向为：冷水机组产生的冷冻水，可分为两路，一路可以经过表冷器阀进入表冷器后回到冷水机组；另一路可以经过冷冻水换热器阀进入冷冻水换热器后回到冷水机组，冷却水的流动方向为：冷却水供水可分为两路，一路可进入冷水机组后流回冷却水回水；另一路可经过冷却水换热器阀后进入冷却水换热器后回到冷却水回水。
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