大中型空分設備分子篩純化系統技術研究進展

2010-02-23 林秀娜 杭州杭氧股份公司設計院

  目前,大中型空分設備的空氣純化普遍采用分子篩等吸附劑來吸附空氣中的水分、二氧化碳、碳氫化合物等。分子篩吸附、再生所組成的系統—分子篩純化系統在空分設備流程中起著保障安全的重要作用。經過多年的技術研究和生產實踐,該技術在吸附劑的性能,吸附器的結構設計,吸附工藝設計等方面均得到了較好的發展。

1. 工藝原理與吸附劑

1.1 工藝原理

  分子篩純化系統一般由吸附器 、再生加熱設備以及閥門、管路、儀電控等組成。吸附器內填裝分子篩、活性氧化鋁等吸附劑對空氣中的二氧化碳、水分、及一些碳氫化合物進行吸附去除。分子篩純化系統的吸附器一般采用兩臺吸附器切換使用。待一臺吸附飽和后,將另一臺再生好的吸附器投入使用。

  吸附飽和后的吸附劑就失去了繼續吸附的能力,應當進行再生后才能使用。再生過程是吸附的逆過程—解吸,即把所吸附的水分、二氧化碳、乙炔等一些碳氫化合物通過污氮氣帶走,然后再繼續使用。再生一般分四步進行:1. 降壓;2. 加溫;3. 吹冷; 4. 升壓。

  1. 再生降壓過程即將吸附飽和的這臺吸附器的內部壓力降到再生氣的壓力。加溫過程一般采用低壓高溫、干燥的污氮氣對吸附劑進行加溫解吸,內部吸附的雜質被帶走。吹冷過程是用常溫、干燥的污氮氣對吸附劑進行吹冷,直到內部吸附劑的溫度冷卻下來。升壓是將另一臺正在工作的吸附器中的空氣置換入再生好的吸附器內,用以升高壓力,升壓后該臺吸附器即可投入使用。

1.2 吸附劑

  吸附器內裝入一定床層高度的吸附劑,在一定的壓力和溫度下進行吸附。吸附劑有分子篩、活性氧化鋁。一般把僅使用分子篩吸附的叫單層床吸附器。而把使用分子篩、氧化鋁兩種吸附劑的吸附器叫雙層床吸附器。

  空分上的分子篩目前使用較多的是 13X -APG 型分子篩。利用其顆粒內部多孔性,以及對極性分子具有較強的親和力,有選擇地吸附二氧化碳、水分、及一些碳氫化合物等雜質,使空氣得到純化。由于空氣中的有害物質,如二氧化硫、氯化氫、氯和一氧化氮等,也會被分子篩吸附,在被吸附后又遇到水分的情況下,會與分子篩起反應,而使分子篩內部晶格遭到破壞,從而影響分子篩的使用壽命。故大中型空分設備在分子篩純化系統前設置空氣預冷系統,對空氣中的酸性組分、氨氣等進行洗滌凈化,并對空氣進行降溫,有利于提高分子篩的使用壽命和吸附容量;钚匝趸X具有抗壓強度高、磨耗率低、不粉化、不爆裂等特點。其抗冷、熱的突變性也很強。在空氣飽和含水量高時有較好的吸水性,而且與分子篩等高度的床層下,阻力也更低;钚匝趸X價格相對低一些,所以一般在處理空氣溫度較高的情況下(~15-20℃左右),其空氣中飽和含水量較大時,在下層設置活性氧化鋁,利用它對空氣進行初步干燥,更經濟,節能。所以現在大中型空分中選擇雙層床吸附器較為普遍。

  分子篩吸附性能也在不斷的提高中。近年來,有些公司已經開發出第二代、第三代分子篩,其吸附容量比原來提高~20%。這將有利于節省設備的投資,節省再生能源。但目前由于性價比的關系,還未能推廣使用。

2. 分子篩純化系統的設計技術

2.1 吸附器的設計

  目前,吸附器的結構按照氣流穿過床層的形式,大致可分為三種:1)立式軸向氣流吸附器,2)臥式垂直氣流吸附器,3)立式徑向氣流吸附器。固定床吸附器對氣流流速有一定的要求,氣流流速應比顆粒流化態的起始速度要低一定的裕量。

2.1.1 立式軸向氣流吸附器

  氣流均布較容易,但氣流面積受圓筒直徑的限制,只能用在 10000 空分設備下。直徑過大,運輸上存在一定的困難。

2.1.2 臥式垂直氣流吸附器

  臥式垂直氣流吸附器 由于氣流經過的床面可根據處理空氣量情況相應加長,因此能適應大中型空分設備空氣的處理。臥式吸附器床層上下均有人孔,便于加料和檢修。但由于其處理空氣在筒體的下接管進入,上部出去,對于較長的設備,容易出現進氣口附近氣體流速較大,在局部床層已被CO2 穿透時,而大部分床層分子篩還有吸附能力,迫使吸附器不得不切換使用,吸附劑沒有得到充分利用,直接影響吸附器的吸附能力和再生的能耗。因此各公司都很重視研究氣流均布方案。

  而影響氣流均布的因素有下進氣均勻性、床層顆粒均勻性和床層平整性、氣流出口情況等。

  下進氣口均布方案有采用進氣口上加緩沖板的。并在床層上加惰性球來均布氣流。它結構簡單,對于處理空氣量較小,床面下有一定緩沖空間的設備是合適的。但是對于較長的設備,在進氣口四周與兩封頭處的流速差別較大,有時甚至在局部床面會出現類似流化態的吹翻分子篩現象。

  有的公司采用的是床層下鋪滿大小分層的惰性球,來均布氣流。這種均布方式的缺陷是惰性球會在再生時積蓄一定的熱量,在吸附工作時就會放出熱量,增加處理空氣的溫度,損失一定的冷量。

  另一種進口分布形式是平鋪多孔板式的均布裝置,效果也比較好,但是對床層維護很不方便。杭氧股份公司經過多年的設計和使用經驗,對進氣口和兩端的分布情況進行研究,開發出新型的均布裝置。通過使用表明,對于較長的吸附器,在進氣口設置該均布裝置,可有效解決局部偏流問題,比進氣口用緩沖板的設計結構可減少8%~10%吸附劑的使用量。而且該新型均布裝置安裝也方便,并且不妨礙對床層的維護工作。

  臥式雙層床吸附器在目前應用較普遍,但由于操作不當常引起沖床事故,造成兩種吸附劑混床,吸附劑無法分離,造成空分設備停車。這種故障給大中型設備帶來很大的損失。為此,杭氧股份公司開發出一種新型剛性結構分隔板,代替原來用單層絲網來隔離兩種吸附劑的方案,有效地解決了可能發生的混床問題。

  通過對上述新技術的應用,因此新型 臥式吸附器具有吸附劑利用率高、維修方便、可工作周期長,污氮消耗少,能耗降低等特點,在大中型空分中得到了廣泛使用。

  但臥式吸附器臥式放置,占地面積大。在特大型的空分上有一定的局限性。

2.1.3 立式徑向流吸附器

  立式徑向流吸附器,它的氣流徑向穿過吸附層,直立式放置。比臥式吸附器,在較大型空分上節約用地。但它多層吸附劑同心度要求高,制造成本高。并且進入維修不便。受運輸的影響,直徑也不能過大,所以吸附周期大多設置在~3小時,在相同的空分等級上,吸附劑的用量與臥式吸附器4 小時的工作時間的用量差不多。