膜式干燥器的原理与应用
董鹏举
(贝克欧科技公司，上海 200122)
摘要：从膜材料的结构构成入手，分析了分子膜因高低选择性不同而对膜式干燥器构成的性能影响，并以此详细解释了膜式干燥器的工作原理。最后结合几个典型案例来阐述膜式干燥器的适用场合。
关键词：膜式干燥器;高分子膜;渗透;分子扩散;露点降
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。
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图1由于水蒸气分子的扩散，使渗膜两端的水蒸气分压达到平衡 |
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，水蒸气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。
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图2水蒸气分子通过高分子渗膜的扩散速度比氧气分子快20,000倍 |
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。
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图3 低选择性渗透膜 |
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。
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图4 高选择性中空管渗膜 |
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气分压不同，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。
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图5 渗膜干燥器的工作原理 |
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。
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图6膜式干燥管结构 |
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图7 压缩空气在膜干燥器中的的流向 |
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;
b. 压缩空气含油量必须小于 0.01 mg/m³;
c. 不能有大于1 µm 的颗粒杂质。
要想渗膜式干燥器正常工作，高等级的可靠过滤器是必需的。
如图8所示，膜式干燥器重要的安装原则为：
a. 满足过滤精度要求;
b. 过滤器和膜式干燥器之间不能有延长的连接管路(防止压缩空气冷却后产生冷凝液);
c. 过滤器和膜式干燥器之间只能使用防腐蚀连接管件;
d. 安装干燥管之前需彻底清洁管路内部;
e. 不能使用液态密封剂(Loctite, Delo ...);
f. 安装时保证不存在安装应力。
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图8 安装原则 |
膜式干燥器主要用于在压缩空气用气点之前直接干燥处理，
推荐的使用安装图如图9所示。
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图9 膜式干燥器推荐的安装图 |
9. 实用案例分析
膜式干燥器诞生以来，以快速的发展迅速占领了市场。到目前为止，如图10所示，在多个应用领域，膜式干燥器有着突出的优点以及强悍的竞争力：
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图10 膜式干燥器的应用领域 |
9.1 案例一：铁道机车上的应用
简介：在铁道机车上，压缩空气主要用于刹车系统。基于故障安全原则，刹车蹄铁在压力的作用下张开，当失去压力时，刹车蹄铁抱死。刹车系统是机车上最重要的安全系统。
压缩空气干燥的必要性：高湿度的压缩空气会导致刹车蹄铁气缸锈蚀而使刹车失效或不能精确动作。
膜式干燥器的优点：增加整个系统的可靠性、减少维护、适合于频繁启停、适合机车轻量化、几乎没有占地面积、适合移动情况使用、没有活动部件、没有易损件、不限定安装位置，无需用电等。
安装示意图如图11所示。
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图11 膜式干燥器铁道机车安装示意图 |
9.2 案例二：油田冬季室外应用
简介：在冬季，北方油田室外温度有时达到零下40多度。而采油设施都在室外环境中，管道控制阀等都需要由压缩空气来驱动，防止冬季压缩空气管道不形成冰冻以及保证各阀件能灵活动作成了一大挑战。
压缩空气干燥的必要性：即使经过吸干机处理的压缩空气达到了-40℃的压缩空气在室外使用仍会因为环境温度低于压缩空气压力露点而产生冷凝液，继而产生冰冻堵塞管道或阀件从而形成故障。要求使用点压力露点永远低于环境温度是压缩空气室外必须达到的条件。
膜式干燥器的优点：能提供固定的露点降这一特性使得膜式干燥器能彻底解决了这一问题。将压缩空气先在室外储气罐中冷却到与室外相同的温度，在经过膜式干燥器进一步降低露点，保证用气点的压力露点永远低于环境温度，彻底避免了结露冰冻的问题。
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图12 膜式干燥器在激光切割机上的应用 |
简介：在工业上激光切割机以及激光焊接机使用大功率二氧化碳激光束来进行操作。从激光发生器开始激，光束是通过镜面光学系统通道导引到激光头上。
压缩空气干燥的必要性：激光散失就会大大降低激光机工作效率。保持光路通道洁净就是由压缩空气来完成的。如果压缩空气干燥度不够则会在镜面结露造成激光束散失。
膜式干燥器的优点：增加整个系统的效率、提高系统的可靠性、减少维护。
安装示意图如图12所示。
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图13 膜式干燥器在医疗业的应用 |
9.4 案例四：医疗器械上的应用
简介：医院使用集成化的呼吸系统，每个系统大约30升/分钟(平均每个健康的人呼吸7升/分钟)。
压缩空气干燥的必要性：压缩空气必须达到呼吸标准，除了必须去除冷凝液外，还必须去除气味和油雾。这只有使用活性炭来达到目的。而活性炭在压缩空气湿度较大时会很快饱和，从而无法继续吸附其他物质。因此压缩空气必须先进行干燥才能保证活性碳过滤器正常工作。
膜式干燥器的优点：寿命长并稳定可靠、减少维护、满足呼吸系统用气规则、方便移动使用、适合间歇用气使用。
工艺流程图如图13所示。
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图14 膜式干燥器在三坐标测量机上的应用 |
简介：三坐标精密测量机采用红宝石测量头并通过气浮轴承使测量头精密接触被测物体连续移动，同时，三坐标的3个轴X/Y/Z/有3个光栅尺连续记载红宝石测量头当前位置的坐标值(就是所说的测量值工件的实际尺寸)，输出给电脑软件进行处理，绘制出被测工件的三维图形。
压缩空气干燥的必要性：气浮轴承以及光栅尺都需要高洁净度的压缩空气进行驱动及保护，干燥度不够的压缩空气会大大影响气浮轴承的移动精度以及光栅尺的测量精度。
膜式干燥器的优点：膜式干燥器的高可靠性使得高价值的测量机设备得到良好的保护，增加整个系统的寿命、提高系统的测量精度、减少维护。
应用照片如图14所示。
10. 结论
膜式干燥器有着其独有的特征优势，其高质量的特征汇总如下：
• 干燥空气立即可用，无需预运行时间
• 水蒸气浓度差异的原理保证干燥进程
• 高选择性中空膜保证最大的渗透面积
• 消耗气量低，结构小巧(TWIST 60 技术)
• 完全免维护
• 流经的压缩空气温度不发生改变
• 保证恒定的相对湿度
• 干燥后空气成分不变，获得了呼吸空气认证
• 体积轻小、无需耗电。
参考文献：
[1] Technical Database of BEKO Technologies,J. Rambow, Germany, 2006.
[2] Training & Presentation: DRYPOINT M, F. Volker, Germany, 2007.
[3] DRYPOINT M application, W, Jeannette, Germany, 2008.
