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1、发酵空气预处理系统nbhaobang 2014-08-141、湿空气物理性质自然界几乎不存在绝对干燥的空气。在雾天，空气中的气体水凝结成了水雾，并形成了气溶胶 。由于空气中水的存在，因此压缩空气中必然也有水。 衡量空气含水量的单位有：水蒸气分压力、绝对湿度、相对湿度、含湿量、露点温度等。1.1、水蒸汽分压 Pw湿空气是水蒸气与干空气的混合物，在一定体积的湿空气里水蒸气所占的份量（以重量计）通常比干空气要少得多，但按“气体定律” 它占有与干空气相同的体积，也具有相同的温度。湿空气所具有的压力是各组成气体（即干空气与湿空气）分压力的和。湿空气中水蒸气所具有的压力，称为水蒸气分压，记作 Pw，其值可
2、反映湿空气中水蒸气含量。其他表示水在压缩空气中含量的参数都是由水蒸气分压计算而得的。饱和空气中水蒸气分压力叫饱和水蒸气分压，记作 Pws。在空气压力小于 2MPa时，Pws 大小与空气压力无关，只与温度有关。1.2、绝对湿度 x表示空气干湿程度的物理量“湿度” 。常用的湿度表示方法有“绝对湿度” 、 “相对湿度”和“含湿量”三种。 绝对湿度是指空气中的水蒸气质量与体积的比率，通常用 X 表示，单位为 kg/m3 或 g/m3。我们可用气体状态方程计算： wWmPxVRTkg/m3 （11）式中：m w水蒸气质量 kg V 湿空气体积 m3 Pw水蒸气压力 Pa Rw水蒸气气体常数（426.05
3、J/kg K） T 绝对温度 K 绝对湿度只表明单位体积湿空气中含有多少水蒸气，不能表示湿空气的饱和程度。从式 11 中可以看出，绝对湿度就是湿空气中水蒸气的密度。空气的绝对湿度（水蒸气密度）是有极限的，称为饱和绝对湿度（水蒸汽密度） ，其与温度有关。 1.3、相对湿度相对湿度是空气的绝对湿度 xw 与相同压力、温度下的饱和绝对湿度 xws 之比值。通常用 表示，单位为%。 10wsxP（12）相对湿度 值在 0100之间。在一定压力和温度下： 值越小，空气越干燥，吸水能力越强。 值越大，空气越潮湿；吸水能力越弱。我们容易得到相对湿度为100%的空气，不可能得到相对湿度为 0%的空气。 1.4
4、、含湿量“含湿量”可分为“质量含湿量”和“容积含湿量”两种。1kg 干空气含有水蒸气的重量叫做“质量含湿量” ，常用 dm 来表示，单位为 g/kg（干空气）或 kg/kg（干空气） ，我们可通过水蒸气分压计算而得： kg/（kg 干空气) （13）1m3 干空气中所含有的水蒸气重量叫做“容积含湿量 ”，可用 dv 表示，单位为g/m3 或 kg/m3(干空气)。在发酵空气预处理过程中，只有干空气的质量是不变的，因此计算中常采用质量含湿量的概念。1.5、露点温度一定压力下，未饱和空气在保持水蒸气分压不变（即保持绝对含水量不变）情况下降低温度，使之达到饱和状态时的温度叫露点温度。温度降至露点温度
5、时，湿空气中便有凝结水滴析出（称为结露） ，此时空气的相对湿度为 100%。空气压力为 1个大气压时称为“大气露点” （也称常压露点） ，压缩空气的露点温度称为此压力下的“压力露点” 。压力露点温度与湿空气中水分含量的多少有关，与空气压缩比有关。2、空压机有关2.1 如何确定空压机的额定压力？空压机运行压力由空气从大气吸入到再排入大气的全过程所有设备、管道的阻力损失决定的。空压机额定压力据此而定，并略有余量。0.620.62wwsmPPd空压机电耗与压力直接相关，因此各项阻力损失计算必须“精打细算”。2.2 如何选择空压机的形式？大规模发酵一般采用离心式空压机，中小规模的采用活塞机和低压螺杆机
6、。虽然从压缩效率看，同样的压缩比，多级压缩比单级的省电，但若与空气预处理系统一起考察造价、运行费用等因素，选择单级压缩更合适。单级压缩的排气温度较高，这部分热量可以在预处理系统中考虑回收。2.3 空压机由于空气温度提高占用了多少轴功率？根据活塞式压缩机，一次压缩理论压缩循环功的各项公式如下：a、等温压缩循环功 211lnpLVb、等熵压缩循环功 221()kkp其中：p 1、p 2进排气压力，V 1进气容积假设，压缩后空气表压 0.2MPa，P 2/P13，空气等熵指数 k1.4，则 L11.1P 1V1，L 21.29 P 1V1，L 21.2L 1。等熵压缩比等温压缩多 20%的功率，实际
7、压缩是个多变过程，指数 k 小于 1.4，L 21.2L 1。也就是说，实际压缩轴功率消耗中，80% 以上是由于压力上升做功所需，只有不到 20%分配给温度上升。对于离心式压缩机，也有类似公式，不过其多变指数大于等熵指数，一般在1.41.6 之间。如同上述假设，实际压缩中最多有 36%轴功率消耗在温度升高上。2.4 空压机余热有多少可以利用？空压机出口空气温度很高，一般在 100以上，单级离心机甚至高达 180。如此高的温度必须加以利用，不能都通过冷却水和冷却塔白白散发了。这就是余热利用问题。另一方面，我们也知道，空气比热小，高温并非高热量。而且温度降低到露点以下，会有冷凝水析出，这时放出的热
8、量大大增加，但此时已不是高温，很难利用高温的优势来进行热交换。假设大气条件：温度 35，相对湿度 60%，经过压缩后 0.2MPa，180，压力露点 46。那么空气热量利用见下表：序号 换热方式 介质温度变化 空气温度变化 放热占比 合并小计1 加热冷空气 1540 180155 12%2 制高温热水 8090 155100 25%3 制中温热水 2060 10060 18%可利用55%4 冷却塔散热（循环水） 3237 6040 20%5 冷水机组散热（冷冻水） 1015 4015 25%不可利用45%从上表可知，单纯从空气温度降比例计算，从 18060，占 73%，从 6015，占 27%
9、，对于绝干空气，这个比例也就是热量分配的比例。但由于实际空气温度低于露点时，有水蒸汽冷凝放热现象，可利用（空气显热）的热量占 55%，而必须通过冷却塔、冷水机组消耗的热量（空气显热和水蒸汽潜热）占 45%。上述计算只是个例，有个概念了解一下即可。当空气干燥，压力露点降低时，比例随之变化，但热量分配比例不可能高于相对应的温度降比例。2.5 各种空压机余热利用的效率如何？上一条内容，细分了空压机余热利用的各种方式，以下逐一定性分析。第 1 种作为预处理系统的加热热源，热量取、用均在系统内部，而且不需转换，直接利用，系统可靠性好，是首选的空压机余热利用方式。提取其 12%的热量，成本可能为 1 份，
10、效率最高。第 2 种高温热水可以作热水换热器的热源，也可以作为溴化锂制冷机组的热源。从系统循环实现的复杂程度看，前者相对简单、容易实现，后者系统很复杂，制约因素很多，而且能量利用的效率极低。提取其 25%的热量，成本可能为 510 份，效率最低。第 3 种中温热水一般作为工艺用水或者生活热水消耗，这种消耗的方式比较简单可靠，取代部分用蒸汽制热水的场合，也是比较理想的余热利用方式。提取其 18%的热量，成本可能为 2 份，效率较高。3、预处理系统3.1 如何确定空气冷却后温度？空气冷却温度由加热后温度确定。一般发酵温度 30左右，加热后空气温度通常在 4050之间，由于饱和湿空气升温 15左右（
11、同压力下），相对湿度可在50%以下，考虑到空气总管温度下降、空气气水夹带（过饱和）等因素，实际加热幅度在 2025左右，据此推算冷却温度在 1530之间。具体冷却温度要根据发酵产品和工艺、冷却水条件确定。空气冷却温度不是越低越好，温度越低运行费用越高；在满足膜过滤器和发酵工艺条件下，尽量就高。3.2 冷却器出水越多越好？冷却器出水多少与冷却后空气温度有关，更与空压机吸入口大气温度、相对湿度和压缩前后空气压力有关。后者条件可确定压力露点。冷却后温度低于压力露点，即有冷凝水析出，当气候干燥或空气压力（压缩后，下同）低，压力露点低，冷凝水就少；当大气湿度大或空气压力高，压力露点高，冷凝水就多。因此冷
12、凝水的多少并不能直接反映冷却器工作状态的优劣。一定的空气（压力露点一定），冷却温度越低，冷却器出水越多，但运行费用越高。需要注意的是，在冬季，空气还未到冷却器，前面管道、储气罐中就可能有冷凝水析出。3.3 冷却器如何清洗？由于无油空压机、离心机的大量采用，冷却器壳程（空气侧）一般无需清洗；管程（水侧）需要定期清洗，清洗液可通过旁通管道循环运行。对于管程开式结构的，也可直接打开检查，机械式清洗。无论化学或机械清洗，最好由专业人员操作，避免腐蚀或损伤换热管。3.4 冷却器换热管采用哪种材质好？由于空气和水的对流传热系数相差 10100 倍，需要强化空气侧的传热速率或增加面积，而光管内外侧面积几乎一
13、样，不宜采用。现在常用翅片管，而且空气走翅片侧，这样空气侧面积增加，同时在低流速下传热速率大大提高。纯铝或纯铜翅片管，存在与管板的连接强度问题，管口区域容易产生裂纹或间隙，因此几乎不用于发酵空气系统。铜翅片与不锈钢管的复合发挥不了铜的高导热性能；不锈钢翅片与不锈钢管的结合，虽然耐腐蚀、洁净，但其传热性能很差，尤其是缠绕翅片、套片，其接触热阻很大。综合考虑传热效果、连接强度、使用成本，铝轧翅片/ 不锈钢复合管是理想的换热管。其翅片由铝管轧制而成，与基管紧密接触，无接触热阻。另外，不锈钢内展翅片管也存在接触热阻大、传热性能低的问题。空气走管内，冷却水走管外的结构，使得其清洗比较困难，对冷却水水质要
14、求较高。而通常的原则是脏的、易结垢的介质走易清洗的流程。3.5 冷却器换热管会发生泄漏吗？换热管由于本身质量问题如加工损伤，焊接问题如气孔、夹渣、砂眼等，还有使用中的热应力等都是换热管泄漏的可能因素。相对化学反应罐，发酵空气系统温度、压力条件温和，也没有震动、疲劳失效，因此在保证设计准确、制造和检验质量、使用得当时，冷却器可长期可靠运行，不会发生泄漏。需要指出的设计中应避免采用很长的、两端固定的换热管，制造时换热管与管板不宜采用胀接形式。3.6 为什么卧式分离器出水看起来少？卧式分离器出水少有几方面问题：3.6.1 进入分离器的水量少空气冷却后产生的冷凝水大部分在冷却器底部排出了，只有少量细雾
15、状的水随空气夹带入分离器。3.6.2 分离器排水方式分离器底部排水方式有常开和间隙两种。当水量很少，排水阀又常开时，由于内外压力差，排液管道内水发生汽化现象，可能看不到液态的水排出；如果间隙（可以自控）排水，就可明显看到液态的水。3.6.3 气候因素气候干燥，冷却器内也很少出水，分离器更少甚至没有；夏季气温高，冷却器出口和分离器内空气温度有差异，空气被加热，其中的液态水又汽化了，分离器排水口出水减少甚至没有水出来。如同阳光下的浓雾，很快消散。3.7 空气加热采用那种热源好？除水后的湿空气需要加热，以降低相对湿度。采用的热源过去常用蒸汽，出于节能考虑，还可采用热空气和热水等。几种热源对比见下表。
16、蒸汽 热空气 热水来源 锅炉 空压机 本空气系统或外源余热对流传热系数 高 低 中设备面积 小 大 较小设备投资（包括必需配套） 低 高 较高热源运行费用 很高 无 较低运行可靠性 一般 很好 一般分析上表，角度不同，看法不同。但生产者最关心的因素应该是可靠性和运行费用，因此热空气是优选的热源。热空气源加热器换热效率低，增加是的一次性投资成本，换来的是长年的运行费用节约，而且这种增加远小于节约，对此，决策者更会接受。3.8 热空气源加热器要求的热空气温度是多少？作为热源，热空气温度越高，其它温度参数不变，则传热平均温差（推动力）就大，面积可减小，造价就低。从这点来说，空压机不要随带后冷却器，热空气先用来加热，再统一考虑冷却。一般，空压机出口温度都在 100以上，完全可以作为加热器热源。具体还要视冷却后的空气温度和要求的加
