Адсорбционный осушитель: виды регенерации | Kraftmachine

Как выбрать адсорбционный осушитель: сравниваем холодную, горячую и воздуходувную регенерацию по расходу воздуха, электроэнергии, точке росы −40/−70 °C и стоимости эксплуатации.

Как выбрать адсорбционный осушитель: холодная, горячая или воздуходувная регенерация

Адсорбционный осушитель применяется там, где требуется получить сжатый воздух с низкой точкой росы — обычно −40 °C, а для отдельных технологических процессов до −70 °C. При выборе такого оборудования важно учитывать не только производительность и точку росы, но и способ регенерации адсорбента. Холодная, горячая и воздуходувная регенерация существенно отличаются по расходу сжатого воздуха, потреблению электроэнергии, первоначальной стоимости и эксплуатационным затратам. В статье разберём принцип работы каждой технологии и покажем, какой адсорбционный осушитель выгоднее при разных режимах производства.

Что такое адсорбционный осушитель сжатого воздуха

Адсорбционный осушитель удаляет влагу из сжатого воздуха при помощи специального адсорбента. В качестве рабочего материала могут применяться активированный оксид алюминия, молекулярное сито и другие адсорбенты, способные удерживать водяной пар на своей поверхности.

Конструкция промышленного осушителя обычно включает две колонны. Пока через одну колонну проходит сжатый воздух и происходит его осушка, во второй восстанавливается способность адсорбента поглощать влагу.

После завершения цикла колонны меняются функциями. Благодаря этому осушитель способен непрерывно подавать подготовленный воздух в пневмосистему.

Главное различие между типами оборудования заключается в том, каким способом удаляется накопленная влага из адсорбента. Для этого может использоваться часть уже осушенного сжатого воздуха, нагретый воздух или атмосферный воздух, подаваемый отдельной воздуходувкой.

Именно способ регенерации во многом определяет стоимость эксплуатации оборудования.

Подробнее о различиях между рефрижераторной и адсорбционной осушкой можно прочитать в статье «Как выбрать осушитель воздуха: рефрижераторный или адсорбционный».

Как работает регенерация адсорбционного осушителя

Во время работы влага постепенно накапливается в адсорбенте. Если его не регенерировать, материал насыщается водой и осушитель перестаёт обеспечивать требуемую точку росы.

Поэтому одна колонна всегда находится в режиме осушки, а вторая проходит регенерацию. Затем происходит переключение.

Существуют три наиболее распространённых варианта:

• холодная регенерация;

• горячая регенерация;

• регенерация с воздуходувкой.

Разница заключается прежде всего в том, откуда берётся энергия для удаления воды из адсорбента.

Холодная регенерация

В осушителе холодной регенерации часть уже высушенного сжатого воздуха отбирается с выхода рабочей колонны.

Этот воздух расширяется практически до атмосферного давления и проходит через колонну, которая находится на регенерации. Благодаря низкому парциальному давлению влаги продувочный воздух забирает воду из адсорбента и затем выбрасывается в атмосферу.

Электрический нагреватель при такой схеме не требуется.

Конструкция получается относительно простой:

сжатый воздух → рабочая колонна → часть сухого воздуха потребителю → часть воздуха на регенерацию второй колонны.

Главный недостаток — значительный расход уже произведённого сжатого воздуха.

По данным KAESER, для безнагревной регенерации около 15% осушенного воздуха может использоваться на продувку, а Atlas Copco приводит для типичного heatless-осушителя средний диапазон порядка 16–20% номинального расхода. Конкретное значение зависит от модели, точки росы, давления и алгоритма управления.

Горячая регенерация

При горячей регенерации продувочный воздух дополнительно нагревается электрическим нагревателем.

Повышенная температура значительно ускоряет удаление воды из адсорбента. Поэтому для восстановления колонны требуется существенно меньше сжатого воздуха.

В зависимости от конструкции нагреваемого осушителя расход продувочного воздуха может находиться примерно в диапазоне 1–8%. KAESER указывает для различных типов нагреваемых осушителей диапазон порядка 1–7%, а Atlas Copco для одного из вариантов heated purge приводит значение около 8%.

То есть вместо оплаты большого количества потерянного сжатого воздуха предприятие начинает расходовать электричество на работу нагревателей.

Получается другой баланс:

меньше потерь сжатого воздуха + больше потребления электроэнергии.

В каталоге Kraftmachine представлены осушители горячей регенерации, включая исполнения с точкой росы −40 и −70 °C. Например, модель КМ-АДСГ-4,5 имеет исполнение с точкой росы −70 °C.

Регенерация с воздуходувкой

Адсорбционный осушитель с воздуходувкой использует для регенерации в основном атмосферный воздух, а не дорогостоящий сжатый воздух.

Отдельная воздуходувка забирает окружающий воздух, направляет его через нагреватель, после чего горячий воздух проходит через колонну с насыщенным адсорбентом.

Схема выглядит следующим образом:

атмосферный воздух → воздуходувка → нагреватель → колонна → выброс наружу.

В результате расход сжатого воздуха на регенерацию становится минимальным.

У некоторых конструкций небольшое количество сухого сжатого воздуха используется только на этапе охлаждения колонны. KAESER для blower purge приводит значение до примерно 1,25%, а существуют и zero-purge исполнения без потребления сжатого воздуха на регенерацию.

Взамен осушитель потребляет электроэнергию на нагреватель и двигатель воздуходувки.

В каталоге Kraftmachine такая технология представлена серией адсорбционных осушителей с воздуходувкой и микропотерями. Например, КМ-АДСВ-17 рассчитан на 17 м³/мин и имеет установленную электрическую мощность 10,2 кВт, а КМ-АДСВ-28,5 — 28,5 м³/мин и 16,8 кВт.

Основные характеристики адсорбционных осушителей разных типов

Сравним три технологии по ключевым параметрам.

* Значение зависит от конструкции и способа охлаждения колонны. Некоторые blower/zero-purge системы могут работать без использования сжатого воздуха на регенерацию.

Важно понимать, что −70 °C не является преимуществом исключительно горячей или холодной регенерации.

Например, KAESER выпускает безнагревные адсорбционные осушители с точкой росы под давлением до −70 °C, а Kraftmachine имеет горячерегенерируемые модели −70 °C. Поэтому требуемую точку росы необходимо проверять по характеристикам конкретного осушителя.

Подробнее о том, что означает точка росы сжатого воздуха, можно прочитать в статье «Точка росы — как выбрать осушитель воздуха».

Сколько сжатого воздуха расходуется на регенерацию

Именно здесь возникает основная экономическая разница между технологиями.

Рассмотрим условную пневмосистему с расходом:

20 м³/мин.

Предприятие работает:

8 000 часов в год.

Холодная регенерация

При расходе на регенерацию 15%:

20 × 15% = 3 м³/мин.

При 20%:

20 × 20% = 4 м³/мин.

Получается, что компрессор должен дополнительно производить примерно 3–4 м³/мин, которые затем будут использованы для регенерации и выброшены в атмосферу.

За год:

3 × 60 × 8 000 = 1 440 000 м³.

или:

4 × 60 × 8 000 = 1 920 000 м³.

Таким образом, холодная регенерация в данном условном примере может потреблять:

1,44–1,92 млн м³ сжатого воздуха в год.

Горячая регенерация

Если принять расход воздуха на регенерацию в диапазоне 1–8%:

20 × 1% = 0,2 м³/мин.

20 × 8% = 1,6 м³/мин.

Годовой расход составит:

от:

0,2 × 60 × 8 000 = 96 000 м³

до:

1,6 × 60 × 8 000 = 768 000 м³.

К этим затратам необходимо добавить электроэнергию, потребляемую нагревателем.

Осушитель с воздуходувкой

Если конкретная конструкция требует, например, до 1,25% сухого воздуха на охлаждение:

20 × 1,25% = 0,25 м³/мин.

За год:

0,25 × 60 × 8 000 = 120 000 м³.

Если применяется полностью zero-purge схема, расход сжатого воздуха на регенерацию может отсутствовать, однако сохраняются затраты электроэнергии на воздуходувку и нагреватель.

Получаем принципиальную разницу:

Это расчётный пример, а не паспортные значения конкретного оборудования. Для проекта необходимо использовать фактический расход регенерации выбранной модели.

Сколько стоит воздух для регенерации осушителя

Для перевода потерь в деньги необходимо знать фактическую себестоимость производства 1 м³ сжатого воздуха на предприятии.

Формула:

Затраты на регенерационный воздух = объём потерянного воздуха × стоимость 1 м³.

Предположим, предприятие рассчитало, что производство:

1 м³ = 1,5 руб.

Тогда для холодной регенерации из предыдущего примера:

1 440 000 × 1,5 = 2 160 000 руб./год

или:

1 920 000 × 1,5 = 2 880 000 руб./год.

То есть при большой производительности стоимость воздуха на регенерацию может составлять миллионы рублей в год.

Для горячей регенерации при тех же условиях стоимость продувочного воздуха составит ориентировочно:

144 000–1 152 000 руб./год

плюс стоимость электроэнергии нагревателя.

Для воздуходувной схемы при условных 1,25%:

120 000 × 1,5 = 180 000 руб./год

плюс электроэнергия воздуходувки и нагревателя.

Поэтому сравнивать осушители только по потребляемой электрической мощности неправильно. В холодном осушителе нагревателя практически нет, но компрессор тратит электричество на производство воздуха, который затем используется для регенерации.

Подробнее определить собственную себестоимость воздуха можно по материалу «Как рассчитать стоимость 1 м³ сжатого воздуха».

Почему потеря 15% воздуха означает дополнительные затраты компрессорной

Предположим, производству требуется 20 м³/мин полезного воздуха после осушителя.

Если осушитель потребляет 15% воздуха на регенерацию, компрессор должен иметь производительность выше фактической потребности производства.

В упрощённом виде при подборе необходимо учитывать:

потребление производства + воздух на регенерацию + другие потери системы.

Именно поэтому два осушителя с одинаковой пропускной способностью и точкой росы могут создавать совершенно разные эксплуатационные расходы.

Для непрерывно работающей станции влияние регенерационных потерь особенно велико: дополнительный воздух компрессор производит 24 часа в сутки.

При выборе более экономичной технологии можно снизить не только расход электроэнергии существующего компрессора, но в некоторых проектах и необходимую установленную компрессорную мощность.

Преимущества и недостатки холодной регенерации

Холодная регенерация остаётся востребованной благодаря простой конструкции и сравнительно невысокой первоначальной стоимости.

Плюсы:

• простая конструкция;

• отсутствие мощного электрического нагревателя;

• отсутствие воздуходувки;

• небольшое количество сложных узлов;

• сравнительно низкая стоимость приобретения;

• простое техническое обслуживание;

• возможность получения точки росы −40 °C и, для соответствующих моделей, −70 °C.

Минусы:

• высокий расход сжатого воздуха;

• типичные регенерационные потери могут составлять порядка 15–20%;

• дополнительная нагрузка на компрессор;

• рост эксплуатационных затрат при непрерывной работе;

• на большой производительности стоимость потерянного воздуха может стать очень высокой.

Главное преимущество холодной схемы — низкая сложность. Главный недостаток — предприятие постоянно платит за производство регенерационного воздуха.

Преимущества и недостатки горячей регенерации

Использование нагрева позволяет существенно уменьшить количество сжатого воздуха, необходимого для восстановления адсорбента.

Плюсы:

• значительно меньший расход сжатого воздуха;

• снижение нагрузки на компрессорную станцию;

• меньшие потери производительности;

• подходит для непрерывной промышленной эксплуатации;

• доступны исполнения на −40 и −70 °C;

• при средних и больших расходах может иметь меньшую стоимость владения по сравнению с холодной регенерацией.

Минусы:

• более высокая первоначальная цена;

• потребление электричества нагревателями;

• более сложная система управления;

• дополнительное электрооборудование;

• необходимо учитывать стоимость нагревательных элементов и их обслуживание.

В результате предприятие меняет дорогостоящую потерю сжатого воздуха на более контролируемое потребление электроэнергии.

Преимущества и недостатки осушителя с воздуходувкой

Воздуходувная регенерация ориентирована прежде всего на снижение потерь сжатого воздуха.

Плюсы:

• минимальный расход сжатого воздуха на регенерацию;

• в zero-purge исполнениях регенерация может проходить без потери сжатого воздуха;

• особенно привлекательна при высокой производительности;

• снижает дополнительную нагрузку на компрессор;

• эффективна при круглосуточной эксплуатации;

• уменьшает объём воздуха, который производится компрессором и затем выбрасывается в атмосферу.

Минусы:

• наиболее высокая первоначальная стоимость;

• требуется отдельная воздуходувка;

• требуется нагреватель;

• выше установленная электрическая мощность самого осушителя;

• более сложная конструкция;

• требуется обслуживание воздуходувки и нагревательной системы;

• экономический эффект зависит от количества часов работы и стоимости производства сжатого воздуха.

То есть такой осушитель обычно покупается не ради минимальной цены оборудования, а ради снижения затрат в течение последующих лет эксплуатации.

Что выгоднее: холодная, горячая или воздуходувная регенерация

Однозначного ответа без условий эксплуатации нет.

Если сравнивать только стоимость покупки:

холодная → обычно дешевле;
горячая → дороже;
воздуходувная → обычно самая дорогая.

Если сравнивать эксплуатационные потери сжатого воздуха, картина меняется:

холодная → самые большие потери;
горячая → значительно меньшие;
воздуходувная → минимальные.

Поэтому правильное сравнение необходимо проводить по полной стоимости владения — TCO, куда входят:

• первоначальная стоимость осушителя;

• стоимость потерянного сжатого воздуха;

• электроэнергия нагревателей;

• электроэнергия воздуходувки;

• техническое обслуживание;

• замена адсорбента;

• фильтрующие элементы;

• стоимость простоев;

• количество рабочих часов в год.

Чем выше расход воздуха и чем дольше осушитель работает в течение года, тем больше значение эксплуатационных затрат и тем меньше значение разницы в первоначальной цене.

Где применяются разные типы адсорбционных осушителей

Холодная регенерация

Рациональна там, где:

• расход сжатого воздуха относительно небольшой;

• осушитель работает не круглосуточно;

• важна простота конструкции;

• первоначальный бюджет ограничен;

• требуется −40 или −70 °C при сравнительно небольшой производительности.

Осушители такого типа используются в производственных пневмосистемах, КИПиА, при наружной прокладке трубопроводов и в других процессах, требующих глубокой осушки.

В каталоге Kraftmachine представлены адсорбционные осушители холодной регенерации.

Горячая регенерация

Наиболее интересна при:

• среднем и большом расходе воздуха;

• длительной работе оборудования;

• высокой стоимости производства сжатого воздуха;

• необходимости снизить регенерационные потери;

• требованиях по точке росы −40 или −70 °C.

Такой вариант является компромиссом между сравнительно простой холодной системой и более сложным осушителем с воздуходувкой.

Воздуходувная регенерация

Особенно актуальна для:

• крупных компрессорных станций;

• круглосуточного производства;

• больших расходов воздуха;

• предприятий с высокой загрузкой компрессоров;

• объектов, где недопустима потеря значительной доли производительности на регенерацию.

Чем больше поток воздуха через осушитель, тем существеннее становится экономический эффект от сокращения продувочных потерь.

Как выбрать точку росы −40 или −70 °C

Необходимо отдельно определить требуемую точку росы под давлением.

Для большого количества промышленных процессов достаточно:

−40 °C.

Такая степень осушки защищает пневмосеть от образования влаги и замерзания при эксплуатации в условиях низких температур.

Точка росы:

−70 °C

требуется для более чувствительных процессов, где содержание водяного пара должно быть минимальным.

Адсорбционные осушители в зависимости от конструкции способны обеспечивать точки росы от −20 до −70 °C. Kraftmachine также предлагает различные исполнения оборудования в этом диапазоне.

При этом выбирать −70 °C «на всякий случай» не всегда рационально. Чем более жёсткое требование предъявляется к влажности, тем выше требования к адсорбенту, циклу регенерации и системе подготовки воздуха.

Сначала необходимо определить, какая точка росы действительно требуется технологическому процессу.

Как выбрать адсорбционный осушитель для производства

Начинать подбор необходимо с фактических условий эксплуатации.

1. Определите расход воздуха

Необходимо знать максимальный и средний поток через осушитель.

Особенно важно учитывать, что холодная регенерация требует дополнительного объёма воздуха на продувку.

2. Определите требуемую точку росы

Необходимо понять, требуется ли:

• −20 °C;

• −40 °C;

• −70 °C.

Не следует автоматически выбирать максимально низкое значение.

3. Определите количество рабочих часов

Если осушитель работает несколько часов в день, дешёвая холодная схема может оказаться рациональной.

Если оборудование работает:

8 000 часов в год,

даже небольшая разница в процентах регенерационного расхода накапливается в огромный годовой объём воздуха.

4. Рассчитайте стоимость сжатого воздуха

Необходимо определить реальную стоимость:

руб./м³.

В неё желательно включить:

• электричество компрессоров;

• техническое обслуживание;

• охлаждение;

• фильтрацию;

• осушку;

• другие эксплуатационные затраты.

5. Рассчитайте стоимость регенерации

Для холодного осушителя основная статья — потерянный сжатый воздух.

Для горячего:

сжатый воздух + электричество нагревателя.

Для воздуходувного:

электроэнергия нагревателя + электроэнергия воздуходувки + небольшой расход воздуха, если он предусмотрен конструкцией.

6. Сравните варианты минимум за 3–5 лет

Сравнивать только закупочную стоимость неправильно.

Осушитель с воздуходувкой может стоить существенно дороже холодного, однако на большой круглосуточной компрессорной разница в эксплуатационных расходах способна постепенно компенсировать более высокие капитальные затраты.

И наоборот: покупать дорогую воздуходувную систему для небольшого компрессора, работающего несколько часов в неделю, может быть экономически бессмысленно.

Какой тип регенерации выбрать

Упрощённо принцип выбора можно представить так.

Холодная регенерация — когда важны простота, небольшая первоначальная стоимость и расход воздуха сравнительно невелик.

Горячая регенерация — когда необходимо значительно сократить потери сжатого воздуха, но установка воздуходувной системы пока экономически не оправдана.

Воздуходувная регенерация — когда речь идёт о большой производительности, круглосуточной работе и высокой стоимости сжатого воздуха.

Но окончательный выбор необходимо делать не по названию технологии, а по расчёту:

CAPEX + потери воздуха + электроэнергия + обслуживание = реальная стоимость эксплуатации.

Подобрать оборудование различных типов можно в разделе «Адсорбционные осушители воздуха Kraftmachine». В каталоге представлены холодные, горячерегенерируемые и воздуходувные исполнения.

Заключение

Холодная регенерация отличается простой конструкцией и сравнительно небольшой первоначальной стоимостью, но требует значительного количества сжатого воздуха. При больших потоках и круглосуточной эксплуатации эти потери могут стать основной статьёй расходов осушителя.

Горячая регенерация уменьшает расход продувочного воздуха за счёт электрического нагрева, а система с воздуходувкой позволяет практически исключить использование сжатого воздуха для восстановления адсорбента. Поэтому с ростом производительности и количества рабочих часов всё важнее сравнивать не цену покупки, а полную стоимость владения оборудованием.