Осушка воздуха твердыми поглотителями влаги

Осушка воздуха твердыми поглотителями влаги значительно эффективнее осушки с помощью водных растворов солей. В качестве твердых поглотителей влаги из воздуха используются вещества, называемые сорбентами. Чаще других сорбентов применяется гель кремниевой кислоты, или силикагель. Силикагель выпускается промышленностью в виде зерен диаметром от 2 до 6 мм. Зернам силикагеля свойственна весьма пористая структура, которая создает развитую поверхность внутренних капилляров. Суммарная площадь внутренней поверхности стенок капилляров достигает 400 000 м² на 1 кГ сорбента. Плотность самого твердого вещества силикагеля у_τ = 2,2+2,3 Г/см³, а плотность сорбента в насыпном состоянии у = 0,45+0,7 Г/см³.

В Советском Союзе выпускается две марки силикагеля: КСМ и КСК.

Силикагель марки КСК имеет более крупные зерна и его пористость выше. Если у силикагеля марки КСМ объем капилляров составляет около 42% объема, то объем капилляров у силикагеля марки КСК равен 61%. Влагопоглотительная способность силикагеля марки КСК при более высоких (выше 0,65) значениях относительной влажности воздуха выше, чем у силикагеля марки КСМ. Поэтому для осушки воздуха целесообразнее применять силикагель марки КСК.

В основе механизма процесса осушки воздуха лежат явления адсорбции и капиллярной конденсации. Молекулы водяного пара, адсорбированные поверхностью капилляров и сконденсировавшиеся на ней, образуют вогнутый мениск жидкости (воды). Известно, что давление насыщенного пара жидкости над ее вогнутой поверхностью ниже, чем над плоской. Причем это понижение обратно пропорционально радиусу капилляра.

Таким образом, если давление водяного пара в воздухе будет больше, чем давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью воды в капиллярах, то пар из воздуха будет диффундировать в полость капилляров и затем конденсироваться.

Способность силикагеля поглощать водяной пар из воздуха зависит от температуры и парциального давления или влагосодержания воздуха. Максимальное количество водяного пара, поглощаемое силикагелем из воздуха, соответствует равновесному состоянию, которое наступает после продолжительного пребывания силикагеля в данном воздухе. Если обозначить равновесное состояние силикагеля а Г/кГ сухого силикагеля, то в зависимости от влагосодержания и температуры воздуха кривые равновесной влажности будут изображаться кривыми в соответствии с рисунком 4.76.

В установках, используемых для осушки воздуха, силикагель насыпается слоем, имеющим определенную толщину.

При этом средняя влажность силикагеля в слое меньше равновесной. Если по оси абсцисс отложим толщину слоя силикагеля l, а по оси ординат — отношение влажности в данной точке слоя силикагеля к равновесной х/а, то получим кривые распределения влажности силикагеля для различных отрезков времени (τ₁, τ₂, ..., τ_n), показанные на рисунке 4.77. По истечении отрезка времени т, равновесная влажность достигается лишь на поверхности слоя силикагеля, т. е. толщина слоя с равновесной влажностью равна нулю (Δz₁ = 0), толщина слоя силикагеля, не начавшего работать, равна Δу₁. После отрезка времени τ_n равновесную влажность приобретает часть слоя силикагеля, равная Δz₂, а толщина слоя, не набравшего влаги, составляет Δy₂. И лишь после отрезка времени τ_n вся толщина слоя силикагеля вступает в работу (Δy_n = 0), а на толщине Δz_n силикагель приобретает равновесную влажность.

Рисунок. 4.76. Зависимости равновесного содержания влаги в силикагеле от температуры и влагосодержании влаги в силикагеле от температуры и влагосодержания воздуха.

Таким образом, в каждый данный момент времени τ_i есть слой силикагеля, влажность которого х менее равновесной. В соответствии с рисунком 4.77 толщина такого слоя равна l - Δz_i - Δy_i Слой толщиной Δz₁ имеет равновесную влажность, т. е. х = а, для слоя толщиной Δу_i влажность х = 0 (или первоначальной величине, которую силикагель имел до начала работы установки).

Рисунок. 4.77. Кривые распределения влажности силикагеля в различные моменты времени.

По истечении τ_h часов силикагель во всей толщине слоя приобретает ту или иную влажность. При этом средняя влажность силикагеля тем выше, чем толще слой. Использование слоя силикагеля в течение периода времени, превышающего τ_h часов, нецелесообразно, так как степень осушки воздуха начнет постепенно снижаться.

С помощью силикагеля можно достигнуть глубокого осушения воздуха, конечное влагосодержание которого может достигать величины d_K = 0,025 Г/кГ, что соответствует температуре точки росы примерно -50 °С.

Сопротивление слоя силикагеля Δh в мм вод. ст. может быть определено по приближенной формуле:

Δh = (3500÷4000) lw²,

где l - толщина слоя, м;

w - скорость воздуха при подходе к слою силикагеля, м/секунд.

Рекомендуется принимать w в пределах 0,15-0,5 м/секунд.

Поглощение силикагелем водяного пара из воздуха состоит, как указывалось выше, из двух процессов: адсорбции и капиллярной конденсации.

Оба эти процесса сопровождаются выделением тепла. При адсорбции выделяется теплота смачивания, которая для различных условий составляет величину менее 100 ккал на 1 кГ поглощенной влаги.

В процессе капиллярной конденсации освобождается теплота парообразования, приблизительно равная 600 ккал на 1 кГ влаги. Следовательно, полные тепловыделения достигают величины, близкой к 700 ккал на 1 кГ адсорбированной влаги.

Можно считать, что тепло, составляющее теплоту смачивания, теряется на нагревание элементов установки и отдается окружающей среде. Теплота парообразования, содержавшаяся ранее в воздухе вместе с водяным паром, поступает вновь в воздух в виде явного тепла, что выражается в росте его температуры.

Процесс изменения состояния воздуха при прохождении им слоя силикагеля изображается на l - d диаграмме изоэнтальпой (рисунок 4.78).

Рисунок. 4.78. Изображение на I - d диаграмме процессе охлаждения.

После того как слой силикагеля достигает расчетной влажности, его использование для осушки воздуха прекращается.

С целью возвращения силикагелю первоначальных свойств производится его регенерация, заключающаяся в нагревании до температуры выше 100 °С (обычно путем пропуска через слои силикагеля воздуха, имеющего температуру 150 — 180 °С) с последующим охлаждением. В процессе нагревания (или активации) происходит испарение влаги в капиллярах силикагеля, а в процессе осушки воздуха в слое сорбента минимальное количество водяного пара вновь конденсируется, благодаря чему в капиллярах образуются мениски воды, способствующие дальнейшим процессам осушки воздуха.

Таким образом, работа силикагелевой воздухоосушительной установки состоит из двух циклов:

цикла адсорбции,
цикла активации.

Для обеспечения непрерывности действия воздухоосушительной установки слои силикагеля дублируют, и тогда во время работы одного слоя в цикле адсорбции другой проходит активацию, и наоборот.