压缩空气净化与压缩空气净化器

摘要： 本文详细介绍了压缩空气中尘埃、油、水、细菌的由来，压缩空气的除水原理，压缩空气净化系统流程，WLKJ-2型 自冷组合式压缩空气净化器结构与净化机理，WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器的主要特点，WLKJ-2系列 压缩空气净化器的规格型号及应用范围等。

关键词： 压缩空气 净化 绝热膨胀 环保节能

一 压缩空气中尘埃、油、水、细菌的由来

    我们知道大气的主要成份是氦气，约占78%，其次是氧气，约占21%，二氧化碳占0.25%，其余为其他气体和杂质等。

    其它气体包含人们常说的氦、氖、氩、氙、氪等微量气体以及水蒸气。其它杂质指飘浮于空气中的灰尘、细菌、气溶剂等。

    在通常情况下，空气是无色透明的，我们用肉眼在不经意中很难看到空气中的杂质。如果一缕阳光照射到屋内，此时你可以看到原本透明的空气，在阳光的照射下，尘埃经光线折射、反射等作用，明显地飘浮于空 气中，大大小小、密密麻麻。经科学统计，在室内环境下，每立方米的空气中，大于0.5μ以上的尘埃粒子数大约为4000万～5000万个。而依附于尘埃粒子中的细菌更是不计其数。

    在空压机的作用下，如果不考虑与外界的热交换，依据相关公式的计算，原本常压状态下的4.8米³的空气，经压缩至0.8Mpa（表压）时，其体积最终被压缩成1米³。仅此过程即可得知，经压缩后的0 .8Mpa压力的气体，每立方米将会有19200万～24000万个大于0.5μ以上的尘埃粒子。

    除此之外，大气在被压缩的过程中，又带入了空压机的润滑油和机械性磨屑。根据空气热力学原理，经压缩后的空气将会有大量的过饱和的水蒸气重新还原成水滴被排出。

二 压缩空气的除水原理

    压缩空气中的水分来自大气。大气中一般总含有一定量的以汽态存在的水分，当空气中的水汽过多，超过其饱和度（即相对湿度大于100％时，或当空气冷却至露点温度以下时，空气中的水汽才会凝结成水滴析出。空气中的水分的绝对含量可用湿含量x表示，其单位是公斤水气／公斤干空气，即每公斤干空气中所含有的公斤水汽数。空气的相对湿度φ是以空气中所含的水汽量与同温度下空气的最大（即饱和）含水汽量之比，或空气中水汽的分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比，以％表示。空气的露点是使含有一定量水汽的空气冷却至相对湿度为100％，即开始有水滴析出时的温度。

    下列诸式可以用来表示空气中水分的含量：

    式中 φ——空气的相对湿度，%；

    X——空气的湿含量公斤水汽/公斤干空气；

    Ｐ_Ｗ——空气中的水汽分压，Pa；

    Ｐ_Ｓ——与空气中同温度的水的饱和蒸汽压，Pa；

    Ｐ——空气的总压强，Pa。

    从式（1）看，若空气中绝对含量，即湿含量x不变，也即空气中水汽分压Ｐ_Ｗ不变，温度愈高，Ｐ_Ｓ值愈大，φ值就愈小。反之温度愈低，Ｐ_Ｓ愈小，φ值就愈大；而当φ值为1（100%）时，此时的温度即为该空气的露点。

    从式（3）可以看出，若空气的湿含量x及温度t（也即Ｐ_Ｓ值）不变，空气的压强P愈大，则相对温度φ也愈大。也可以根据式（3）在空气湿含量不变，即x₂=x₁的条件下，导出下列公式：

    式中 ρ₁，ρ₂——分别为原始空气和压缩空气的相对湿度，%；

    Ｐ_Ｓ1，Ｐ_Ｓ2——分别为原始空气和压缩空气温度下的饱和蒸汽压，Pa；

    Ｐ₁，Ｐ₂ ——分别为原始空气和压缩空气的压强，Pa。

    从式（5）看，压缩后空气的相对湿度φ₂除了与原始空气中的相对湿度φ₁，温度t₁（决定Ｐ_Ｓ1的值）及压强Ｐ₂有关外，也和压缩后的温度t₂（决定Ｐ_Ｓ2的值）有关。若将压缩后的空气冷却至原始气温，即t₂= t₁，Ｐ_Ｓ2= Ｐ_Ｓ1 时，压缩空气的相对湿度ρ₂仅随压缩后的压强Ｐ₂有关，如压缩比（Ｐ₂ /Ｐ₁）增大多少倍，相对湿度比（φ₂/φ₁）也增大多少倍。空气在压缩后的湿含量即绝对含量不变，在其未经冷却时，由于温度很高，所以相对湿度很小，但当其冷却时，相对湿度就急剧增大。大约每降低10℃，其饱和含水量将下降50%，即有二分之一的水蒸气转化为液态水滴（见表1）。

    由此可知，要去除压缩空气中的水分，首先要对压缩空气进行冷却，经冷却处理后，降低了露点，此时会有大量多余的水分析出。尽管如此，压缩空气经冷却后，此时压缩空气相对湿度仍为100%，虽然有除油水设备，但该设备并不能将水滴全部除净，此时将压缩空气直接送入过滤器等，极易使过滤介质受潮，降低过滤效率，导致过滤失败。正因如此，对已经析出水的压缩空气重新加热，即显得十分必要。重新加热后的压缩空气，在工况条件下相对湿度可达到60%左右，此时对后面的过滤介质，即安全可靠了。

    下面介绍具体的净化流程。

三 压缩空气净化系统流程

    为了满足各生产和科研部门对压缩空气洁净等级的高端要求，通常对压缩空气进行净化处理。图1例举了一般用途的压缩空气净化流程，图2例举了应用于不同领域WLKJ-2系列自冷组合式压缩空气净化器传统式压缩空气净化工艺流程对照。

    以下就图1发酵工业传统模式压缩空气净化流程为列，简述如下。

    空压机（1）采集自然界的大气，经压缩后高温高湿的压缩空气首先送至贮气罐（2），贮气罐的作用一是降低流速，使部分油水、尘埃沉降，并经罐底阀排出；二是消除减缓供气系统内气流的脉冲，使后置设备更好的发挥各自的功效。经贮气罐排出的气体进入第一冷却器（3），降低气体温度，使压缩空气中过饱和的水汽冷凝析出，并经油水分离器（4）分离后排出。同理，第二冷却器（5）及第二油水分离器（6）是进一步使空压气体降温，进一步排出油水。接下来，排除油水的压缩空气进入除雾器（7），除雾器的作用是将压缩空气中油水分离器（4）（6）分离不掉的微细的液态雾滴，在除雾器（7）除雾丝网的作用下，拦截并重新聚集，使细小的颗粒，重新团聚变大，并在重力的作用下，沉降排除。经过除油水的压缩空气，虽然已去除了液态的油水，但此时的空气湿度仍处于饱和状态，即空气湿度为100％，此时压缩空气直接进入过滤层，如遇温度下降，仍有可能重新析出水滴，使过滤层受潮，影响净化效果。经过除油水的压缩空气，首先进入加热器（8），经电热或蒸汽加热（二者取其一），在压力不变单位体积内含湿量不变的前提下，使空气温度升高，此时相对湿度降低，即不会重新出现雾滴或水滴，使空气在完全干燥的情况下，进入高效过滤器（9）。高效过滤器的作用是，通过填充在高效过滤器中的纤维性滤材、活性碳等，可滤除空气中的尘埃、杂质、异味等，其过滤原理有：拦截、碰撞、吸附、静电吸附等。99％以上几何尺寸较大的＞0.5μ尘埃粒子均在此被截获。经粗滤器净化后的压缩空气，最后进入除菌精滤器（10）。除菌精滤器内置有超细玻璃纤维过滤介质＞0.03μ的尘埃粒子的去除率高达99.999％。即可去除压缩空气中的尘埃粒子及杂菌。

    目前市场上出售的成套压缩空气净化设备，其原理大至相同，每台设备均有不同的作用和功能，依据用气单位对压缩空气质量的不同要求，配置与之相应的净化装置换。为获取清洁的压缩空气以满足生产和科学实验的需要，除必需的空压机及贮气罐外，还要安装 5～7台单体设备，方能完成压缩空气净化过程 (详见图2 WLKJ-2 型自冷组合式压缩空气净化器与一般用途压缩空气净化流程对照)。显然，这种工艺流程设备多，占地面积大，能耗高，故障多。

四 WLKJ-2型 自冷组合式压缩空气净化器结构与净化机理

    北京微菱互信机械设备有限公司针对目前市场上出售的一般用途压缩空气净化器，存在的各种弊端。最新开发的WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器，在压缩空气净化领域，首先采用绝热膨胀制冷技术，达到清除油水的目的，大大减化了压缩空气的流程，并且在单台设备上即可完成压缩空气净化的目的，无论空压机出口含油水多少，均可达到制药和食品企业GMP对空气质量的最高要求，大于0.01um的杂质被完全清除，含油量<0.003mg/m³,压缩空气中无油、无尘、无菌，同时也可满足对压缩空气有高洁净度要求的不同用气岗位使用。

    以下对WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器结构及功能具体说明如下(见图3 WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器结构示意图)：

    由空压机排出的压缩空气，经贮气罐，首先送至该净化器进气口(4)。进气口(4)，是经特殊设计的绝热膨胀阀，高速气流经此流过，利用流体体力学和热力学原理压缩空气绝热膨胀，因压差的变化促使压缩空气温度下降至2～5℃（低于冷干机或冷水机），过饱和的水气冷凝成液滴，与油和尘埃等混合后，与内桶壁撞击并分离。此后进入油雾分离段（3）,气流受网状滤芯的阻拦，在附着、浸润、重力等作用下微小的液滴逐渐凝聚扩大，再次得到分离。分离后的油水最终沉降至过滤器底层，经排污管（1）排出。清除油水后的冷却气体继续上升。此时的压缩空气，显然已清除掉油水，但其湿度，工况条件下仍为100%。如果温度继续下降，还会有雾滴出现，将会浸润过滤层，严重时会增加阻力，最终使过滤失效。气体流经加热段（5）时，空气被加热。此时，工况条件下，相对湿度下降，空气变得干燥。加热段（5）的作用，十分重要，是一般净化流程中不具备的，加热段（5）的另一个重要作用，是可以保持上层的超高效除油、除臭过滤段（6）和更上层的除菌过滤段（7）在干燥条件下，长期稳定运行。超高效除油、除臭过滤段（6）内填充有天然纤维、人造纤维和其它吸附材料，气流速度低于0.15～0.3m/s,之间，大大低于传统设备0.5～2m/s的气速，此时以扩散效应为主，并伴有碰撞、拦截、布朗运动等作用，经深层过滤，<0.05以上的油水及尘埃粒子被完全扑捉。＞0.01um的粒子最后被除菌过滤器（7）滤除。加热后干燥的压缩空气，经过超高效除油、除臭过滤段（6）和除菌过滤器（7）后，大于0.01um的杂质被完全清除，含油量<0.003mg/m³,出口（8）排出的压缩空气，无油、无尘、无菌，可满足高洁净度要求的用气岗位使用。

    此外，该净化器还设有过滤层再生系统，通过调节再生温度和时间，并打开再生阀门，可对过滤层进行再生处理，清除过滤层内的污染物，保证过滤层长期有效正常运行。

    WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器，带有全自动智能监控系统（9）。可依据进气温度，设定温度梯度，控制排气温度和加热温度，使该净化装置在最佳状况下安全、节能运行。自控系统还安装了定时排污装置，在设定的时间间隔内，定时排放油水，完全不用人工干预，是一种极人性化的设计。

五 WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器的主要特点

1．体积小、技术含量高、占地面积省

    WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器，是在原有WLKJ-1 系列多功能组合式压缩空气净化器的基础上，在确保净化器出口压缩空气洁净等级不变的前提下，割除了以冷却水为冷媒的冷却系统，在压缩空气净化器技术领域率先采用绝热膨胀的热力学原理，达到降温制冷的目的，用于清除压缩空气中的油水。这项改进大大简化了原压缩空气净化器的结构，提高了净化器的技术含量。占地面积与传统方式比较节省80%以上。

2．无冷媒，防止了污染

    该净化器与传统方式的冷干机相比较，不需要消耗冷媒，有效地保护了环境。京都议定书今年已开始实施，中国作为签约大国，应承担更多的义务。这也是我们为保护环境，作出了一件实实在在的好事。

3．节能

与传统设备相比较，由于割除了冷媒，节能效果明显。

4．无运转部件、无噪音污染

该系列净化器．无运转部件、无机械性噪音污染，更无需日常维护保养，可节省宝贵时间和运转费用。

5．操作简单、可控制性强、自动化程度高、适用范围广

    事先依据不同用气岗位用气湿含量的要求，利用压差的变化，一次性调节好进气原始温度、加热温度、温度梯度、排气温度以及排污间隔时间、排污时长，将以上数据输入自控装置后，无需常人随时监控，可保证该系统长时间连续安全运行，适用范围广泛。

6. 性价比高

    为了保证压缩空气的质量，无论选用活塞机还是螺杆机，必须在空压机至用气岗位之间，设置压缩空气净化系统。用于去除压缩空气中的油、水、尘埃、杂菌等。有的单位不惜重金购进无油空压机，认为这样就可以获得高质量的压缩空气。其实这是一个误区。即使是购买了无油机，而排气中的水、尘埃及杂菌等依然存在，在压缩空气的杂质总量中，水、尘埃、杂菌等约占95%以上，油最多不会超过1%，而水、尘埃、杂菌等正是清除的主体。另外，采用自润滑材料发展的少油机或无油机，虽然降低了压缩空气中的含油量，同时也带来了新的威胁，例如少油机或无油机设备检修频率高于有油机，同时少油机或无油机管线锈蚀加快等。WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器，适用于任何一款活塞机或螺杆式空压机，无论排气中油水含量多少，只要通过该净化器的处理，都可以满足不同用气岗位的需求。因此，该净化器性价比高于一般净化系统。

7．滤材功效高，寿命长

    该系统解决方案，去除空气中杂质的效率高，过滤介质使用寿命长，本公司产品可确保过滤介质连续使用一年无需更换，一般使用寿命在三年以上。即使更换，其费用低廉，更换手段便捷。

8．品种多，可供选择面大

    WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器，备有多种规格型号，可供不同用户选择，依据用户对不同流量，不同压力要求，可选择不同规格型号的空压机与净化器配合使用。该净化器采用绝热膨胀的原理，即瞬间加大压力降的方法，达到降温除油水的目的。因此，在空压机排气总量相同的前提下，只是改变了排气出口的压力，这对于出口压力的微小变化并不会对供气系统造成影响的单位，这无疑是一种即节能又方便的最佳选择。而对于出口压力要限定在一定的范围内的用户而言，只需调节进口压力，留出足够的降压空间，也是可行的。因为温度的变化及压力的变化在WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器是可以调节的。我们也可根据客户的特殊要求，设计专用设备，全面满足各界朋友的最大愿望。

    六 WLKJ-2系列 压缩空气净化器的规格型号及应用范围

    （详见附表）

    七 压缩空气净化领域执行的部分技术标准

    现将压缩空气净化领域执行的部分技术标准摘录如下：

    GB 4830-84 《工业自动化仪表气源压力范围和质量》

    GB/T 10893-89 《压缩空气干燥器 规范与试验》

    GBJ 29-90 《压缩空气站设计规范》

    JB/T 5967-91 《气动元件及系统用空气介质质量等级》GB/T 13277-91 《一般用压缩空气质量标准》

    JB/T 6432-92 《压缩空气净化设备型号编制方法》

    以GB/T 13277-91 《一般用压缩空气质量标准》中所规定的固体粒子、水、油的不同等级标准如下：

表2 固体粒子尺寸和浓度的等级

    从表2～4可以发现WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器的各项主要技术指标均可达到或超过本标准中规定的等级指标，并且与市售产品相比较也独具特色。

八 结论

    压缩空气在许多领域是不可缺少的重要能源。在工业生产和科学实验中，压缩空气被广泛使用，是仅次于电力的第二大能源。但要获得无油、无水、无尘、无菌的压缩空气，以满足不同领域的需要也并非是一件容易的事情。

    传统的多台分置式的压缩空气净化装置，在一定的范围内可以达到净化空气的要求，基本上能满足清洁压缩空气的作用。但是，传统模式能耗高，、占地广、噪音大，等弊端是显而易见的。尤其是通常采用的多孔烧结式过滤介质，载尘量低，易堵塞、压降大，是普遍存在的弱点。因此使用寿命短，必需勤更换，造成运转费用高。传统模式也有采用冷冻干燥机用于除油水的，该机一般能耗较高、噪音大，有冷媒存在对环境也有一定的影响。另外，设备庞杂、管线长、阀门多、操作繁琐、事故多发，容易造成净化系统失效。

    与传统模式相比，WLKJ—2 系列自冷组合式压缩空气净化器，集表面化学、材料科学、空气动力学、流体力学、热能工程及自动控制于一身，通过单一的组合式装置，即可具备传统模式净化装置的功能并更胜一筹。该设备的另一显著特点是能耗低、无噪音、无污染、过滤介质易得价廉、可长期连续使用（连续使用，保质期最短一年）。

    现已广泛应用于化工、医药、食品、发酵、冶金、电子、机械精密仪器、医疗等领域。

    该净化器可与空气压缩机直接配套使用，亦可安装在压缩空气分支管上，供需要高洁净度空气的岗位或设备使用。无论空气压缩机中排出的气体中含油水多少，经过该装置的净化后，均可满足压缩空气高质量的要求。

    因此，WLKJ-2 系列自冷组合式压缩空气净化器是当前净化器市场上的环保、节能型最新产品。

参考文献

    俞俊棠 抗生素生产设备 北京 化学工业出版社 1982

    李 艳 发酵工业概论 北京 中国轻工业出版社 1999