【摘要】本文通過(guò)仔細(xì)觀察分子篩純化器在吸附和再生過(guò)程中溫度變化所形成的曲線，分析了形成各種形狀的原因，并特別指出在冷吹階段出現(xiàn)“二次峰值”現(xiàn)象是分子篩床層不平整的典型特征。圖3。

 

 

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 關(guān)鍵詞：分子篩純化器 吸附 再生 溫度曲線 分析

    目前空分設(shè)備中大多采用分子篩純化器來(lái)吸附空氣中的水分和二氧化碳，而且絕大部分采用的是“變溫吸附”(TSA)工藝。分子篩純化器在使用過(guò)程中，通常需要對(duì)其進(jìn)口和出口溫度加以監(jiān)控。在吸附過(guò)程中，由空氣進(jìn)出純化器溫度的變化所形成的兩條曲線被稱為“吸附溫度曲線”；在再生過(guò)程中，由污氮?dú)膺M(jìn)出純化器溫度的變化所形成的兩條曲線被稱為“再生溫度曲線”。

    分子篩純化器運(yùn)行狀況的好壞，都會(huì)在其溫度曲線上有所體現(xiàn)。因而，在分子篩純化器的運(yùn)行過(guò)程中，認(rèn)真檢杳和分析溫度曲線，具有很重要的實(shí)際意義。

1 吸附溫度曲線

    典型的吸附溫度曲線如圖I所示。一般情況下，只要空氣頇冷系統(tǒng)正常．空氣進(jìn)純化器溫度就不會(huì)變化，因而溫度曲線是一條水平的直線。而空氣出純化器溫度除剛開(kāi)始的一段時(shí)間較高外，以后變化也極小，因而也近似是一條直線。
 

    空氣在經(jīng)過(guò)純化器后，溫度會(huì)有所升高。這是因?yàn)榭諝庵械乃趾投趸急环肿雍Y吸附，而吸附是個(gè)放熱的過(guò)程。對(duì)于全低壓流程空分設(shè)備而言，空氣進(jìn)純化器壓力在o．6MPa(G)左右。如果空氣預(yù)冷系統(tǒng)配有冷凍機(jī)，則空氣進(jìn)純化器溫度約為10℃左右。在這種情況下，空氣進(jìn)出純化22溫度之差約為4℃。

    如果空氣進(jìn)純化器溫度升高，則溫差也相應(yīng)會(huì)有所增大，這是因?yàn)榭諝鉁囟壬呤沟每諝庵兴吭龆唷Ｈ绻诩兓魇褂眠^(guò)程中(剛開(kāi)始使用的一段時(shí)間除外)，出純化器空氣溫度突然升高，而進(jìn)純化器溫度和壓力卻較為穩(wěn)定，這種情況往往顯示空氣已經(jīng)將空冷塔的水帶入分子篩純化器了。

    在分子篩純化器由再生轉(zhuǎn)為使用，吸附工作剛開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)。空氣出純化器溫度較高，這時(shí)出口溫度要比進(jìn)口高出近20℃。這種現(xiàn)象在大多數(shù)情況下并不是由于再生過(guò)程中的冷吹不徹底造成的，而是由于純化器在切換至使用前的充壓過(guò)程造成的。

    在空分設(shè)備中用于吸附水分和二氧化碳的13X分子篩，除對(duì)極性分子如水和二氧化碳等具有較強(qiáng)的吸附能力外，對(duì)非極性的氮?dú)夂脱鯕庖灿幸欢ǖ奈阶饔谩３鋲哼^(guò)程是一個(gè)壓力—上升的過(guò)程，隨著壓力升高，分子篩的靜吸附容量增大，更多的氮?dú)夂脱鯕獗环肿雍Y所吸附。而這個(gè)過(guò)程同樣是個(gè)放熱的過(guò)程，這種放熱使得分子篩床層溫度升高。當(dāng)充壓后的純化器轉(zhuǎn)為使用時(shí)，空氣將分子篩床層的熱量帶出來(lái)，從而引起出口溫度的升高。

    由于這種現(xiàn)象并非因冷吹不徹底引起，所以無(wú)法通過(guò)延長(zhǎng)冷吹時(shí)間來(lái)解決。有的空分設(shè)備中，采用增加一個(gè)“混合”步驟，可以減少這種溫度波動(dòng)對(duì)主換熱器的不利影響。“混合”步驟是指剛再生過(guò)的純化器投入使用后，原在吸附工作的純化器繼續(xù)使用，并列運(yùn)行一段時(shí)間。這樣由于從原使用的純化器中出來(lái)的空氣溫度是較低的，混合在一起的空氣溫度也就不至于會(huì)象單獨(dú)使用一個(gè)純化器那樣高了。

2 再生溫度曲線

    相對(duì)于較為簡(jiǎn)單的吸附溫度曲線而言，再生溫度曲線要復(fù)雜一些。典型的再生溫度曲線如圖2所示。

2．1 卸壓階段

    分子篩純化器在較高的工作壓力下(O．5MPa以上)完成吸附任務(wù)，而在較低的壓力下(10kPa左右)進(jìn)行脫附再生。在純化器由吸附轉(zhuǎn)為再生時(shí)，首先將純化器內(nèi)的壓力降下來(lái)。壓力下降時(shí)，分子篩靜吸附容量減小，原來(lái)被分子篩所吸附的氣體分子或水分子，便有部分會(huì)從分子篩中解吸出來(lái)。

    與吸附過(guò)程的放熱效應(yīng)相對(duì)應(yīng)，脫附再生過(guò)程是個(gè)需要吸收熱量的過(guò)程。在卸壓階段，脫附所需熱量只能來(lái)自于分子篩床層本身，因而使得床層溫度下降。受此影響，空氣進(jìn)口(污氮?dú)獬隹?和空氣出口(污氮?dú)膺M(jìn)口)溫度已開(kāi)始下降。見(jiàn)圖2AB段。

2．2 加熱階段

    加熱階段開(kāi)始后，雖然污氮?dú)膺M(jìn)口溫度迅速升高，但出口溫度還會(huì)繼續(xù)下降，一直可達(dá)到—10％左右，然后才會(huì)逐漸升高。經(jīng)再生加熱器加熱過(guò)的高溫污氮?dú)猓谟缮隙峦ㄟ^(guò)分子篩床層時(shí)，首先使得床層上部的分子篩溫度升高并對(duì)上部的分子篩進(jìn)行再生。在此過(guò)程中，污氮?dú)獾臒崃恳环矫鎮(zhèn)鬟f給了上部的分子篩，另一方面被解吸出來(lái)的二氧化碳和水分帶走了，故污氮?dú)獗旧淼臏囟妊杆傧陆担竭_(dá)底部時(shí)，已經(jīng)很低了，所以污氮?dú)獬隹跍囟炔粫?huì)很快升高。

    加熱階段需要加以監(jiān)控的主要是污氮?dú)膺M(jìn)口溫度，它和污氮?dú)饬髁俊⒓訜釙r(shí)間等一起體現(xiàn)了帶入純化器中的熱量的多少。污氮?dú)膺M(jìn)口溫度主要由加熱蒸汽的壓力和溫度以及污氮?dú)獾牧髁康纫蛩厮鶝Q定。有時(shí)，加熱器后的疏水2S出現(xiàn)故障，冷凝水不能被及時(shí)排除，因加熱器內(nèi)的有效換熱面積減少，污氮?dú)膺M(jìn)純化器溫度就會(huì)下降。

    一般來(lái)說(shuō)，加熱階段主要解吸的是分子篩床層的中上部，并且．將熱量貯存在分子篩床層中。見(jiàn)圖2BC段。

2．3 冷吹階段

    在冷吹階段，一方面利用加熱階段貯存在分子篩床層中的熱量繼續(xù)解吸下部的分子篩，另一方面將床層中的熱量帶出來(lái)，從而為再次投入使用作準(zhǔn)備。冷吹開(kāi)始后，污氮?dú)膺M(jìn)口溫度迅速下降，但出口溫度還會(huì)繼續(xù)上升，一直達(dá)到某個(gè)最高點(diǎn)后，才會(huì)逐漸下降。見(jiàn)圖2CD段。

    冷吹階段的污氮?dú)獬隹跍囟茸兓€(以下簡(jiǎn)稱冷吹曲線)特別重要。冷吹曲線上的最高溫度點(diǎn)稱為“冷吹峰值”，它是再生過(guò)程是否徹底的主要標(biāo)志。床層中的分子篩在再生過(guò)程中溫度自上而下是遞減的，所以最底層的分子篩總是再生得最不徹底。如果冷吹峰值達(dá)到160℃，則說(shuō)明純化器內(nèi)的所有分子篩都已經(jīng)在此溫度之上再生過(guò)(靠近筒體的邊緣區(qū)因存在散熱問(wèn)題除外)。

    影響冷吹峰值的因素主要是加熱階段進(jìn)純化器污氮?dú)獾臏囟雀叩汀⒘髁看笮∫约凹訜釙r(shí)間的長(zhǎng)短等。此外，如果在上一個(gè)使用周期中分子篩吸附了更多的水分和二氧化碳，則冷吹峰值會(huì)下降。如果分子篩進(jìn)水，冷吹峰值會(huì)顯著下降。

    有時(shí)，冷吹曲線上會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，我們稱之為“二次峰值”現(xiàn)象，如圖3所示。根據(jù)我們使用分子篩純化器十幾年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，這種“二次峰值”現(xiàn)象是分子篩床層不平整的典型特征。

    良好的分子篩床層，在任何一個(gè)水平截面上的溫度梯度應(yīng)該較小，這樣的床層在再生過(guò)程中，最底層的分子篩各處溫度差不多始終相等，溫度變化曲線也相同。而儀表所記錄下的是各處出來(lái)的氣體混合在一起后的溫度變化曲線，可以認(rèn)為是一系列的波形曲線綜合在一起后所形成的曲線。由于這一系列的波形曲線均相同且無(wú)相位差，故綜合成的曲線形狀不會(huì)有所改變。

    在另一種情況下，當(dāng)分子篩床層厚薄不均勻時(shí)，較薄處分子篩量少而流過(guò)的氣量多，分子篩溫度變化得就比較快，而較厚處情況正好相反。這樣最底層的各處不是同時(shí)達(dá)到峰值，綜合成的波形曲線中就有可能出現(xiàn)兩個(gè)甚至三個(gè)峰值。一般來(lái)說(shuō)，分子篩床層不平整時(shí)，冷吹曲線的形狀也會(huì)變得“矮”和“胖”一些。

    冷吹結(jié)束時(shí)的污氮?dú)獬黾兓鳒囟仁橇硪粋€(gè)需要加以控制的指標(biāo)，它主要由冷吹時(shí)間、再生氣流量以及加熱過(guò)程中帶入熱量多少等因素決定。一般來(lái)說(shuō)，分子篩床層不平整時(shí)，冷吹到指定溫度需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

2．4 充壓階段

    充壓階段的純化器內(nèi)壓力是增加的，前面已經(jīng)敘述，這是空氣中雜質(zhì)被分子篩吸附，而床層溫度升高的過(guò)程。受床層溫度升高以及保溫層中殘余熱量的影響，污氮?dú)膺M(jìn)出口溫度都會(huì)上升。見(jiàn)圖2DE段。

* 孫全海，男，1965年3月生．1985年1月南京化工學(xué)校無(wú)機(jī)工藝專業(yè)(中專)畢業(yè)，現(xiàn)為揚(yáng)于石化公司烯烴廠空分車間工藝技術(shù)員，助理工程師。