大中型空分设备分子筛纯化系统技术研究进展(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)杭州杭氧股份公司设计院 作者:林秀娜

  目前,大中型空分设备的空气纯化普遍采用分子筛等吸附剂来吸附空气中的水分、二氧化碳、碳氢化合物等。分子筛吸附、再生所组成的系统—分子筛纯化系统在空分设备流程中起着保障安全的重要作用。经过多年的技术研究和生产实践,该技术在吸附剂的性能,吸附器的结构设计,吸附工艺设计等方面均得到了较好的发展。

1. 工艺原理与吸附剂

1.1 工艺原理

  分子筛纯化系统一般由吸附器 、再生加热设备以及阀门管路、仪电控等组成。吸附器内填装分子筛、活性氧化铝等吸附剂对空气中的二氧化碳、水分、及一些碳氢化合物进行吸附去除。分子筛纯化系统的吸附器一般采用两台吸附器切换使用。待一台吸附饱和后,将另一台再生好的吸附器投入使用。

  吸附饱和后的吸附剂就失去了继续吸附的能力,应当进行再生后才能使用。再生过程是吸附的逆过程—解吸,即把所吸附的水分、二氧化碳、乙炔等一些碳氢化合物通过污氮气带走,然后再继续使用。再生一般分四步进行:1. 降压;2. 加温;3. 吹冷; 4. 升压。

  1. 再生降压过程即将吸附饱和的这台吸附器的内部压力降到再生气的压力。加温过程一般采用低压高温、干燥的污氮气对吸附剂进行加温解吸,内部吸附的杂质被带走。吹冷过程是用常温、干燥的污氮气对吸附剂进行吹冷,直到内部吸附剂的温度冷却下来。升压是将另一台正在工作的吸附器中的空气置换入再生好的吸附器内,用以升高压力,升压后该台吸附器即可投入使用。

1.2 吸附剂

  吸附器内装入一定床层高度的吸附剂,在一定的压力和温度下进行吸附。吸附剂有分子筛、活性氧化铝。一般把仅使用分子筛吸附的叫单层床吸附器。而把使用分子筛、氧化铝两种吸附剂的吸附器叫双层床吸附器。

  空分上的分子筛目前使用较多的是 13X -APG 型分子筛。利用其颗粒内部多孔性,以及对极性分子具有较强的亲和力,有选择地吸附二氧化碳、水分、及一些碳氢化合物等杂质,使空气得到纯化。由于空气中的有害物质,如二氧化硫、氯化氢、氯和一氧化氮等,也会被分子筛吸附,在被吸附后又遇到水分的情况下,会与分子筛起反应,而使分子筛内部晶格遭到破坏,从而影响分子筛的使用寿命。故大中型空分设备在分子筛纯化系统前设置空气预冷系统,对空气中的酸性组分、氨气等进行洗涤净化,并对空气进行降温,有利于提高分子筛的使用寿命和吸附容量。活性氧化铝具有抗压强度高、磨耗率低、不粉化、不爆裂等特点。其抗冷、热的突变性也很强。在空气饱和含水量高时有较好的吸水性,而且与分子筛等高度的床层下,阻力也更低。活性氧化铝价格相对低一些,所以一般在处理空气温度较高的情况下(~15-20℃左右),其空气中饱和含水量较大时,在下层设置活性氧化铝,利用它对空气进行初步干燥,更经济,节能。所以现在大中型空分中选择双层床吸附器较为普遍。

  分子筛吸附性能也在不断的提高中。近年来,有些公司已经开发出第二代、第三代分子筛,其吸附容量比原来提高~20%。这将有利于节省设备的投资,节省再生能源。但目前由于性价比的关系,还未能推广使用。

2. 分子筛纯化系统的设计技术

2.1 吸附器的设计

  目前,吸附器的结构按照气流穿过床层的形式,大致可分为三种:1)立式轴向气流吸附器,2)卧式垂直气流吸附器,3)立式径向气流吸附器。固定床吸附器对气流流速有一定的要求,气流流速应比颗粒流化态的起始速度要低一定的裕量。

2.1.1 立式轴向气流吸附器

  气流均布较容易,但气流面积受圆筒直径的限制,只能用在 10000 空分设备下。直径过大,运输上存在一定的困难。

2.1.2 卧式垂直气流吸附器

  卧式垂直气流吸附器 由于气流经过的床面可根据处理空气量情况相应加长,因此能适应大中型空分设备空气的处理。卧式吸附器床层上下均有人孔,便于加料和检修。但由于其处理空气在筒体的下接管进入,上部出去,对于较长的设备,容易出现进气口附近气体流速较大,在局部床层已被CO2 穿透时,而大部分床层分子筛还有吸附能力,迫使吸附器不得不切换使用,吸附剂没有得到充分利用,直接影响吸附器的吸附能力和再生的能耗。因此各公司都很重视研究气流均布方案。

  而影响气流均布的因素有下进气均匀性、床层颗粒均匀性和床层平整性、气流出口情况等。

  下进气口均布方案有采用进气口上加缓冲板的。并在床层上加惰性球来均布气流。它结构简单,对于处理空气量较小,床面下有一定缓冲空间的设备是合适的。但是对于较长的设备,在进气口四周与两封头处的流速差别较大,有时甚至在局部床面会出现类似流化态的吹翻分子筛现象。

  有的公司采用的是床层下铺满大小分层的惰性球,来均布气流。这种均布方式的缺陷是惰性球会在再生时积蓄一定的热量,在吸附工作时就会放出热量,增加处理空气的温度,损失一定的冷量。

  另一种进口分布形式是平铺多孔板式的均布装置,效果也比较好,但是对床层维护很不方便。杭氧股份公司经过多年的设计和使用经验,对进气口和两端的分布情况进行研究,开发出新型的均布装置。通过使用表明,对于较长的吸附器,在进气口设置该均布装置,可有效解决局部偏流问题,比进气口用缓冲板的设计结构可减少8%~10%吸附剂的使用量。而且该新型均布装置安装也方便,并且不妨碍对床层的维护工作。

  卧式双层床吸附器在目前应用较普遍,但由于操作不当常引起冲床事故,造成两种吸附剂混床,吸附剂无法分离,造成空分设备停车。这种故障给大中型设备带来很大的损失。为此,杭氧股份公司开发出一种新型刚性结构分隔板,代替原来用单层丝网来隔离两种吸附剂的方案,有效地解决了可能发生的混床问题。

  通过对上述新技术的应用,因此新型 卧式吸附器具有吸附剂利用率高、维修方便、可工作周期长,污氮消耗少,能耗降低等特点,在大中型空分中得到了广泛使用。

  但卧式吸附器卧式放置,占地面积大。在特大型的空分上有一定的局限性。

2.1.3 立式径向流吸附器

  立式径向流吸附器,它的气流径向穿过吸附层,直立式放置。比卧式吸附器,在较大型空分上节约用地。但它多层吸附剂同心度要求高,制造成本高。并且进入维修不便。受运输的影响,直径也不能过大,所以吸附周期大多设置在~3小时,在相同的空分等级上,吸附剂的用量与卧式吸附器4 小时的工作时间的用量差不多。

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