空气分离制氧技术-第3章 空气的净化

第三章空气的净化概述空气是多组分的混合气体，除氧、氮及稀有气体组分外，还含有水蒸气、二氧化碳、乙炔及其它碳氧化合物，并含有少量灰尘等固体杂质。

这些杂质随空气进入空压机与空气分离装置中会带来较大的危害。

固体杂质会磨损空压机的运转部件，堵塞冷却器，降低冷却效果及空压机的等温效率。

而水蒸气和二氧化碳在加工空气冷却的过程中会首先冻结析出，将堵塞设备及气体通道，致使空分装置无法生产。

更严重的是，乙炔及其它碳氢化合物在空分装置中聚积导致爆炸事故的发生，所以为了保证制氧机的安全运行，必须设置专门的净化设备。

空气净化主要指清除空气中的机械杂质、水分和二氧化碳。

净化主要采用过滤法、冻结法、吸附法等几种方法。

过滤法是利用过滤材料把空气中颗粒状杂质清除的方法。

冻结法是将杂质转变成固体加以清除；应用较多的是吸附法，此法是利用固体表面对气体杂质的吸附特性而使空气净化。

3.1固体杂质的清除3.1.1过滤除尘原理及性能指标过滤作用对于大的尘粒用其重力或惯性力、离心力使之沉降。

相应有惯性除尘器和离心除尘器。

空分装置加工空气污染中的尘粒是微小的，通常小于10μm，所以空气污染过滤器多采用扩散粘附的原理，相应的过滤器有表面式或内部过滤式过滤器，表面过滤的滤料为布、网等织物或过滤纸。

过滤器的性能指标主要是除尘效率、阻力及过滤器的容尘量。

除尘效率的定义是过滤器所捕集的尘量占气体带入过滤器总尘量的百分比。

阻力也就是气体通过过滤器的压降。

一般规定，当过滤器的阻力增加到初始时的1.5倍或效率下降到初始效率的85%，就需要更换滤料。

3.1.2空气过滤器根据除尘原理，空气污染过滤器可分为干式或湿式两种。

干式过滤器属于表面式过滤器，靠织物网眼阻挡尘粒；湿式过滤器靠油膜粘附灰尘。

1、袋式过滤器袋式过滤器的滤袋由羊毛毡与合成纤维织成，滤袋数目取决于气量的大小，过滤风速约为0.04～0.1m/s。

空气从顶部进入，经分配器后流入袋内，经滤袋过滤后由下部流出。

积聚在袋上的灰尘靠反吹风机吹落。

当灰尘在滤袋上积累到使压差达到1200Pa时，反吹罗茨风机及反吹环自动启动，反吹空气通过胶皮软管进入过滤器内的反吹装置，反吹环由0.4kw的电机带动，并设有限位开关，能上下来回移动，反吹空气经过分配管至反吹环局部反吹滤袋，不需停止或切换过滤器就使整个滤袋均能被反吹干净。

当压差降至800Pa时，反吹风机及反吹环就自动停止。

被反吹下来的灰尘落入底部灰斗，定时由星形阀排出。

这种过滤器的过滤效率很高，对粒度大于2μm的灰尘，效率在98%以上。

并且过滤后的空气中不含油分，操作方便。

此外，对空气灰尘含量不受限制，适应性好，对不同容量的空分装置可用改变滤袋的数目来适应，比较方便。

其缺点是过滤速度较高，阻力较大，高达1200Pa；对湿度太大的地区或季节，滤袋易被堵塞。

2、自洁式过滤器自洁式过滤器是目前空分设备最普遍选用的过滤器。

自洁式过滤器由高效过滤筒、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室和出风口、框架等组成。

（1）过滤过程：在压缩机吸气负压作用下，吸入周围的环境空气。

当空气穿过高效滤筒时，粉尘由于重力、静电和接触等被阻留在滤筒外表面，净化空气进入净气室，然后经出风管引出。

（2）自洁过程：当电脑发出指令，电磁阀启动并驱动隔膜阀，瞬间释放一股压力为0.4～0.6MPa 的脉冲气流，经专用喷头整流喷出，文氏管卷吸、密封、膨胀，从滤筒内部均匀地向外冲击，将积聚在滤筒外表面的粉尘吹落，自洁过程完成。

（3）清灰过程有3种方式：定时定位，可任意设定间隔时间和自洁时间；差压自洁，当压差超指标时，进入自动连续自洁；手动自洁，当电控箱不工作或粉尘较多时，可采用手动自洁。

反吹自洁过程是间断的，每次仅1～2组处于自洁状态，其余仍在工作，所以具有在线自洁功能。

自洁式过滤器核心部件过滤筒，采用进口RK-300高效防水滤纸，经特殊工艺生产而成。

自带前置过滤网，防止柳絮、树叶及异物吸入，延长过滤筒使用寿命。

采用电脑控制机电一体化，安装简单便捷，只需配管通电、通气即可工作。

（4）自洁式过滤器具有以下优点：①过滤阻力小，小型机150Pa，大型机300～800Pa。

②过滤效率比一般过滤器提高5％～10％。

③适应性广，采用进口高效防水过滤纸，在潮湿多雾地区不受太大影响。

④耗气少，反吹时压缩空气需求量仅为0.1～0.5m3/min，电容量约为100～500W。

⑤占地面积小，产品为积木式结构，大型机可采用多层叠放。

⑥结构简单，设备轻，为同容量的布袋式过滤器及其它过滤器的1/2左右。

⑦防腐性能好，净气室采用优质涂层及不锈钢内衬，杜绝过滤后的二次污染。

外表面采用高级防腐船用漆，保证室外环境下长期不受腐蚀。

⑧日常维护工作量小，约二年左右更换过滤筒，更换过滤筒不需停机。

3.2自清除在全低压切换式换热器的流程中，切换式换热器在换热的同时冻结清除空气中的水分及二氧化碳，这称之为自清除。

其基本原理是当空气通过切换式换热器时空气从常温冷却到-172℃，空气中的水分和二氧化碳基本上全部冻结在换热器的通道内。

经一定时间间隔，自动切换并让低压的干燥返流氮气通过该通道，使这段冻结在通道内的水分和二氧化碳在该气流中蒸发、升华而被带走，保证通道畅通，再次自动切换，空气再次通过，水分和二氧化碳又被冻结在通道内，为此，自清除是水分、二氧化碳冻结与蒸发升华交替进行的过程。

为深刻理解自清除原理，首先要了解空气中水分和二氧化碳的析出及蒸发、升华规律。

3.2.1饱和与未饱和空气中水蒸气的含量随着时间、地点和环境条件的不同会发生变化。

在一定的条件下，水蒸气的含量有一定的限度，这个限度就是最大水分含量。

通常把水蒸气含量已达到最大值的空气叫“饱和空气”，把水蒸气含量尚低于最大值的空气叫“未饱和空气”。

空气中的最大水分含量（或叫饱和水分含量）和温度有关，随着气温的升高最大水分含量增加，温度降低，最大水分含量减小。

例如空气温度在20℃时最大水分含量为17.3g/m3空气，在30℃时则为30.3g/m3空气。

当大气中水蒸气含量超过饱和水分含量时，就会有水分凝结出来，这时随着环境条件的不同，凝结水分就表现出不同的形式，也就是自然界所看到的云、雾、雨、霜、冰雹等。

在一定温度下空气的最大含水量所对应的水蒸气分压力，称作饱和蒸气压，水蒸气分压力所对应的饱和温度为“露点”。

每m3空气中的水蒸气含量可叫做绝对湿度。

绝对湿度只表示空气中所含水分量的多少，但不足以表明空气是否还有继续吸收水分的能力，因此，常用相对湿度来表示空气中水蒸气的相对含量，即空气的潮湿程度。

相对湿度指每m3空气中的含水量与相同温度下饱和含水量之比。

因为每m3空气中饱和水分含量仅与温度有关，所以当压力提高而温度不变时，每m3空气中饱和水分含量不变，但压力越高，空气的重度越大，即每m3空气质量越大。

因此，对每kg空气来说随着压力的提高，每kg空气中水分含量减少。

对于未饱和空气，空气中的水蒸气尚处于过热状态，在一定温度下提高压力，则水蒸气分压力达到饱和蒸气压力时，就变成饱和空气。

3.2.2空气中二氧化碳的饱和空气中通常含有0.03%～0.05%（300～500×10-6）的二氧化碳，远未达到饱和状态，与含水量相似，在一定的温度下，空气中的二氧化碳含量也有一最大值即饱和含量，并对应有饱和蒸气压。

如果空气中二氧化碳的分压力等于饱和蒸气压，就会有二氧化碳析出。

二氧化碳三相点温度为-56.6℃。

空气进入切换式换热器后，随温度的降低空气中水蒸气析出，（直至-60℃）。

可以认为，空气中已不含水分。

空气在-60℃至-130℃的范围内基本是干燥区，从-130℃以下，CO2开始析出至-170℃左右空气中已基本上不含CO2，因此空气在出切换式换热器时，不但温度已降到接近液化温度，而且水分及CO2的含量也已极少，即净化了水分及CO2。

3.2.3不冻结条件以CO2自清除为例，为保证切换式热器不被CO2冻结，也就必须在每个切换周期内，返流气带出的CO2量等于或者大于正流空气析出的CO2量。

3.3吸附法吸附法可以用来清除水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。

小型制氧机曾用硅胶干燥器清除水分。

大型制氧机曾设置加温解冻系统干燥器及启动干燥器，这是吸附法除水的应用。

空分装置的液空吸附器、液氧吸附器，都是吸附法的应用。

分子筛纯化器则是应用吸附法同时净除水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。

虽然水分、二氧化碳、乙炔性质各异，吸附剂对它们吸附性能不同，但吸附机理相类似。

3.3.1吸附某种物质的分子在一种多孔固体表面浓聚的现象称之为吸附。

被吸附的物质叫“吸附质”，而具有多孔的固体表面的吸附物质称作“吸附剂”。

依据吸附质与吸附剂之间的吸附力的不同，吸附又可分为物理吸附和化学吸附。

物理吸附的吸附力为分子力也称为范德华吸附；而化学吸附则是由化学键的作用而引起的。

净化空气所采用的吸附法纯属物理吸附。

对于吸附剂而言，固体表面上有未饱和的表面力，为使表面力作用加强，活性显著，吸附剂应该是颗粒状的多孔物质。

吸附使表面力饱和，表面能降低，因而吸附过程放热，所放出的热量称为“吸附热”。

当吸附达到饱和时，使吸附质从吸附剂表面脱离从而恢复吸附剂的使用能力的过程谓之解吸（或再生），与吸附相反，解吸需要吸热称为“脱附热”。

“脱附热”与“吸附热”相等。

3.3.2吸附剂作为吸附剂应该是多孔固体颗粒。

它具有巨大的表面积。

例如，细孔硅胶颗粒内布满了直径为25～40A(1A=10-8cm)的微孔，每g 硅胶的表面积达400～600m 2，每克分子筛的表面积高达800～1000m 2。

吸附剂的吸附能力要强，也就是吸附容量大。

吸附容量是指每㎏吸附剂吸附被吸物质的量。

吸附剂应具备选择性的吸附特性，才能应用它进行净化或分离。

此外，吸附剂应该有一定的机械强度和化学稳定性，容易解吸（或再生），价格低廉。

空气分离常用的吸附剂有硅胶、铝胶、分子筛。

1、硅胶硅胶的分子式为SiO 2·nH 2O，是一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，为一种亲水性的极性吸附剂。

能吸附大量的水分。

当硅胶吸附气体中的水分时，可达其自身重量的50%，而在相对湿度60%的空气流中，吸湿量也可达其重量的24%。

吸水后吸附热很大，可使硅胶温升到100℃并使硅胶破碎。

硅胶分为细孔硅胶和粗孔硅胶。

2、活性氧化铝它是氧化铝的水化物（A12O 3·nH 2O）。

活性氧化铝与硅胶不同，不仅含有无定形的凝胶，还含有氢氧化物晶体形成的钢性骨架结构，因而很稳定，它是无毒的坚实颗粒，浸入水中也不会软化，溶胀或崩裂，耐磨抗冲击。

3、分子筛制氧机应用的分子筛为沸石分子筛。

它是结晶的硅、铝酸盐多水化合物。

化学通式为：Mex/n[（AIO 2）x（SiO 2）y]·mH 2O。