分子篩吸附系統(tǒng)是化工類工業(yè)中的核心工藝系統(tǒng)，用于吸附、置換、催化等操作。但是由于工業(yè)工藝的不穩(wěn)定性，分子篩的生產(chǎn)、安裝、使用又分別歸屬于不同的專業(yè)和公司，技術(shù)銜接中經(jīng)常出現(xiàn)各類問題。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，分子篩的事故往往與分子篩的核心吸附能力無關(guān)，而大多是由于三方技術(shù)人員對吸附器的底層設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不了解導(dǎo)致。
本文不是單純地將分子篩事故案例羅列，而是參照大量的施工中的實(shí)際問題，以及基于計(jì)算機(jī)仿真數(shù)值分析，系統(tǒng)全面地梳理了分子篩吸附設(shè)備的各類工程特征，并對部分工程處理量化解析。讓不同專業(yè)間有一個統(tǒng)一的認(rèn)識，盡可能地避免多方溝通上的誤判。
本文的量化解析選取的模型為某特定設(shè)備或國標(biāo)查詢數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)不代表全部類型吸附設(shè)備應(yīng)用情況下的數(shù)值，但是其結(jié)論對所有應(yīng)用環(huán)境具有參考價(jià)值。
1．吸附器的應(yīng)力與變形。
1．1．臥式床的附加應(yīng)力。
臥式床結(jié)構(gòu)中，支撐床層除了承受分子篩顆粒的重量，還要承受外殼變形產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力。其實(shí)此拉應(yīng)力才是導(dǎo)致臥式床故障率高的核心要素。
在設(shè)備安裝之初的調(diào)試階段，這種拉應(yīng)力可以忽略；但是分子篩吸附器處于長期的溫度和受力交變情況下，設(shè)備慢慢產(chǎn)生一定程度的變形。在設(shè)備運(yùn)行后期，圓柱外殼發(fā)生扁塌，隨著床層橫向拉力的不斷增大，床層受力情況發(fā)生變化。絕大多數(shù)分子篩更換的施工人員文化基礎(chǔ)差，不能正視這些受力變化，依舊按照最初的裝填模式更換分子篩顆粒。最終導(dǎo)致“床層撕裂破損”。
ANSYS仿真數(shù)據(jù)顯示：臥式床在外殼剛度降低，發(fā)生扁塌形變后，局部應(yīng)力集中點(diǎn)的拉應(yīng)力是未發(fā)生變形時(shí)剪應(yīng)力的數(shù)十倍。如上圖所示案例中，假設(shè)罐體線變形1‰（1mm／1M線彎曲撓度），最中心處工字鋼焊縫受力增大約15倍（拉應(yīng)力和剪應(yīng)力之和）。超過了幾乎全部常用鋼材的最大許用應(yīng)力。
吸附器設(shè)備蠕變，剛度失效導(dǎo)致床層內(nèi)部應(yīng)力增加，是臥式床發(fā)生泄漏的第一誘因。但在已知的各類分子篩事故案例中都不關(guān)注這一底層誘因，而是簡單地認(rèn)定為分子篩更換團(tuán)隊(duì)的“施工水平不行”。
1．2．立式徑向流的多應(yīng)力交錯現(xiàn)象。
立式床結(jié)構(gòu)中，所有的分子篩顆粒的重量并不是“堆放”在塔體底層，而是被隔離網(wǎng)“懸掛”在頂端。（如下以徑向流雙層床為例，單層床情況類似。）
分子篩和氧化鋁中間層隔離網(wǎng)的板層孔豎向布置，承受全部的分子篩顆粒重量，豎向拉應(yīng)力為8MPa±10%，變形量約為1.7mm/M（線變形1.7‰，材質(zhì)估算材質(zhì)為壓容鋼），幾乎已經(jīng)達(dá)到了選材的應(yīng)力和變形極限。應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)在上下兩條環(huán)焊縫中，其中底層環(huán)焊縫由于同時(shí)受到剪切應(yīng)力作用，焊縫故障率較高。
受氣流和顆粒壓力的雙重影響，外層隔離網(wǎng)承受交變的周向拉應(yīng)力，內(nèi)層隔離網(wǎng)承受交變的周向壓應(yīng)力，交變值通常為＋5KPa～－15KPa之間。這幾乎達(dá)到了薄壁筒體設(shè)計(jì)變形極限的25%左右（100%時(shí)筒體扁塌）。
氣流影響下，圓柱壁的徑向變形比約為5mm/M；但是底層支撐圓盤為剛度設(shè)計(jì)，徑向變形比為0。上下變形比相差極大，導(dǎo)致底層焊縫在承受數(shù)百噸物料重量時(shí)，還要承受變形產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，以及氣流變化產(chǎn)生的交變應(yīng)力。此處焊縫包含三種極限狀態(tài)下的應(yīng)力狀況（過載、剪切、交變），包含三種材質(zhì)和厚度的物料交匯（底板12-20mm熱鍛制鋼、豎板6-8mm冷軋鋼、內(nèi)紗網(wǎng)1mm銅質(zhì)），因此底層焊縫極易發(fā)生損傷，而且損傷發(fā)生后形成的連鎖反應(yīng)也非常嚴(yán)重。
2．分子篩顆粒的狀態(tài)。
2．1．臥式床的顆粒漂浮現(xiàn)象。
在臥式床中，氣流上下往復(fù)流動。氣流自下而上吹動時(shí)，分子篩顆粒受氣流影響而產(chǎn)生一定的懸浮。尤其是底層隔離網(wǎng)附近的氧化鋁顆粒，整體呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)。通常情況下，50%～110%重力被氣流吹起（實(shí)際生產(chǎn)中受控，不會大面積懸浮，而是局部噴涌），產(chǎn)生類似于“流沙”的流動態(tài)，床層頂部局部噴流而呈現(xiàn)環(huán)形坑痕跡。相反地氣流自上而下流動情況下，底層隔離網(wǎng)承受150%～200%的顆粒重量。
中間層隔離網(wǎng)通常為軟材質(zhì)網(wǎng)，裝填時(shí)上下層之間不受力。但是在吸附生產(chǎn)過程中，隔離網(wǎng)被下層氧化鋁頂起，整體承受向上的橫向撕裂力。與大多數(shù)工程人員的理解不同，中間層隔離網(wǎng)的作用并不是防止顆粒下漏的，而是阻止顆粒上流。中間隔離網(wǎng)的作用是防止下層懸浮狀態(tài)的流體顆粒流入上層分子篩；同時(shí)束縛下層氧化鋁的擾動，均衡各處不穩(wěn)定、不平衡的氣流。在很多施工中，經(jīng)常出現(xiàn)對中間網(wǎng)的作用理解錯誤，導(dǎo)致鋪設(shè)過于隨意，多塊隔離網(wǎng)之間沒有相互縫合，起不到隔離效果，最終影響分子篩裝填效果。
底層隔離網(wǎng)通常為軟硬結(jié)合的雙層網(wǎng)（硬骨架網(wǎng)和軟隔離網(wǎng)縫合）。活化時(shí)氣流自上而下，骨架網(wǎng)承受數(shù)十噸的顆粒重量和氣流壓力。吸附時(shí)氣流自下而上，軟隔離網(wǎng)承受氣流吹力，進(jìn)而軟硬兩層網(wǎng)相互分離。在裝填施工時(shí)，施工人員不了解兩層網(wǎng)之間的受力關(guān)系，經(jīng)常只是簡單拼接鋪設(shè)，而不是將軟硬隔離網(wǎng)相互縫合加固。最終容易在軟隔離兩層網(wǎng)受相反力后，軟硬網(wǎng)相互分離進(jìn)而撕裂，導(dǎo)致泄漏現(xiàn)象發(fā)生。
2．2．立式床的顆粒裝填量的選取。
立式吸附器的物料顆粒呈豎直布置，氣流與分子篩裝填方向垂直，這樣沒有了顆粒懸浮的氣流問題，但是對于裝填量有了新的要求。在立式吸附器的頂端通常設(shè)置有1.5米左右的封閉區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)的顆粒不參與置換，稱為“不流通死區(qū)”。同時(shí)由于該區(qū)域顆粒不能進(jìn)行活化反應(yīng)，經(jīng)常發(fā)生吸濕粉化現(xiàn)象。
實(shí)際生產(chǎn)中，八成以上的用戶不知道最佳裝填高度，而是“盡量裝滿”（多數(shù)用戶即使知道裝填高度限制，依舊選擇裝滿。潛意識里認(rèn)為裝滿是最好的）。由于頂端“不流通死區(qū)”的存在，其實(shí)裝的越多粉化問題越嚴(yán)重。
針對這一問題，我用Fluent仿真分析系統(tǒng)，還原不同裝填高度下分子篩顆粒的流通情況。仿真分析數(shù)據(jù)顯示：頂端的不流動死區(qū)的大小程度，僅與相對裝填高度有關(guān)。與區(qū)域?qū)挾取㈩w粒大小、氣流速度等關(guān)系較小。當(dāng)裝填過線高度ΔH約為裝填寬度T的0.92倍時(shí)（ΔH≈0.92T），頂部空腔氣流流速最低。當(dāng)相對裝填高度低于0.5時(shí)，局部氣流增大而出現(xiàn)“懸浮短路”風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)相對裝填高度高于1.3時(shí)，死區(qū)內(nèi)氣流基本靜止，“吸濕粉化”風(fēng)險(xiǎn)增大。
參考顆粒沉降比例，推薦相對裝填過線高度定為1.3倍（ΔH＝1.3T）。（已查詢的設(shè)備裝填標(biāo)準(zhǔn)均遵循此數(shù)值設(shè)定，如果哪家單位的裝填高度有自己的規(guī)定，請聯(lián)系作者microslim，我們更新你們專門仿真模型分析。此仿真模型使用了二維正方形網(wǎng)格、多孔材質(zhì)球形粒度4mm、介質(zhì)為常溫1bar空氣。）
3．熱腐蝕現(xiàn)象與選材問題。
與施工導(dǎo)致的故障相似，幾乎所有的事故都涉及選材錯誤問題。這是一個容易忽視又很重要的問題。
3．1．隔離網(wǎng)的“漏”與“補(bǔ)”。
床層發(fā)生泄漏后，通常由于生產(chǎn)工藝限制，無法及時(shí)完整修復(fù)，只能采取局部修補(bǔ)方案。修補(bǔ)中常見的錯誤為“必須堵嚴(yán)實(shí)了”，用一塊更密實(shí)的網(wǎng)或鐵板隔離出一個大的區(qū)域，以防泄漏擴(kuò)大。
由上文我們知道，封堵位置附近會存在一個“不流通死區(qū)”，這個區(qū)域內(nèi)的分子篩顆粒容易吸濕粉化。實(shí)際案例中顯示的工程風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)不止于此，粉化區(qū)域的“高濕”和“高溫”產(chǎn)生一個復(fù)合環(huán)境：熱腐蝕。
3．2．“熱腐蝕”現(xiàn)象。
市場上的紗網(wǎng)，通常看起來為“黃銅網(wǎng)”或者“不銹鋼網(wǎng)”。但是實(shí)際情況是：黃銅脆性大，不適合編織；不銹鋼為碳基材料，不適合冷加工。這導(dǎo)致嚴(yán)格的“黃銅”和“不銹鋼”幾乎不能快速機(jī)械化加工，也很難出現(xiàn)批量的網(wǎng)材。通常市場上的這兩種常見材質(zhì)：八成以上為合金材質(zhì)，選材純度都達(dá)不到要求。（純度合格的隔離網(wǎng)由于成本高，大多需要專門訂制。）
經(jīng)過實(shí)際選材測試和合金比例估算，最常見的軟材質(zhì)“20目黃銅合金網(wǎng)”，熱退火溫度僅約為550℃左右；存在冷加工痕跡的“不銹鋼網(wǎng)”屬于馬氏體類不銹鋼合金，熱退火溫度約為600℃左右（中國市場的常見網(wǎng)材測試，溫度按照合金比例估算，無法試驗(yàn)驗(yàn)證。該結(jié)論不代表部分高規(guī)格訂制網(wǎng)材的性質(zhì)）。
550℃和600℃的退火溫度特性，使得這兩種選材對溫度和腐蝕較為敏感，進(jìn)而容易在溫度不高情況下出現(xiàn)“熱腐蝕現(xiàn)象”。即：設(shè)備的工藝溫度明明不高，濾網(wǎng)卻呈現(xiàn)顯著的灼燒痕跡。如下圖，隔離網(wǎng)被燒毀穿透的“熱腐蝕”照片。
3．3．隔離網(wǎng)的選材。
在中國市場中，由于隔離網(wǎng)普遍存在“合金”情況，因此在隔離網(wǎng)的耗材選擇上需要增加一項(xiàng)———灼燒，將購置的濾網(wǎng)放在燃?xì)鉅t上灼燒10分鐘。
十分鐘后，黃銅網(wǎng)表面擦拭后依舊為黃銅本色即為合格，發(fā)生裂、斷、黑等即可認(rèn)定為合金銅。不銹鋼網(wǎng)焰色為黃色，擦拭后光亮為合格；焰色發(fā)綠、發(fā)紅，材質(zhì)發(fā)生裂、斷、黑等即可認(rèn)定為合金，不宜使用。
3．4．隔離網(wǎng)“補(bǔ)丁”的選擇。
隔離網(wǎng)發(fā)生泄漏后，選擇合適的“補(bǔ)丁”是必要的。但是介于以上分析，隔離網(wǎng)的補(bǔ)丁應(yīng)遵循以下原則。
3．4．1．同目數(shù)或低目數(shù)原則。選擇補(bǔ)丁時(shí)，嚴(yán)格限制所選擇的補(bǔ)丁網(wǎng)的目數(shù)，盡可能選擇低網(wǎng)眼密度的稀疏網(wǎng)。網(wǎng)層不易多層折疊使用。
3．4．2．充分考慮彈性余量。隔離網(wǎng)的補(bǔ)丁在氣流沖擊下是不停抖動的，受力也在頻繁變化中。這就需要隔離網(wǎng)的補(bǔ)丁需要充分考慮變形余量，在隔離網(wǎng)的緊固壓緊裝置中留有足夠的彈性余量。
3．4．3．壓緊裝置盡可能選擇窄條。主要為了減小補(bǔ)丁后的流通死區(qū)。
3．4．4．硬骨架網(wǎng)和軟隔離網(wǎng)縫合處理。由于受力的形式不同，兩層隔離網(wǎng)分離是泄漏事故的原因之一。用鋼絲縫合兩層網(wǎng)能盡可能地減少事故復(fù)發(fā)幾率。
3．4．5．隔離網(wǎng)的紋理與應(yīng)力變形方向呈一定角度。隔離網(wǎng)鋪設(shè)時(shí)，隔離網(wǎng)額外承受應(yīng)力變形是重要的損傷原因之一。隔離網(wǎng)的交錯鋪設(shè)使得網(wǎng)格具有一定的變形承受力，緩和吸附器變形引起的撕裂損傷。
4．裝填方式的選擇。
在分子篩裝填中，客戶經(jīng)常對裝填的方式提出各類要求，如：物料面必須嚴(yán)格平整、6個孔要同時(shí)同量裝填、第1個孔裝填30秒裝填第2個孔，等等。
對于如上要求，我們通常盡量滿足。本文通過計(jì)算的方式，給每一個操作一個量化的結(jié)論。并不是讓施工人員用量化的原則和客戶爭論對錯，而是讓我們在執(zhí)行每一項(xiàng)操作時(shí)都能有一個心底的尺度。哪一個原則必須堅(jiān)持？哪一項(xiàng)操作習(xí)慣其實(shí)并不重要，可以通過其它方式緩和矛盾？
4．1．顆粒的流動性。
分子篩顆粒通常為球形，球形顆粒堆成的錐型堆，最大靜置錐角僅為25°至30°，振動或氣流擾動情況下錐角僅為5°至8°（長條顆粒分別為35°～40°和10°～15°）。這樣的流動性，即使裝填孔不均勻裝填，系統(tǒng)開啟后各個孔的最大高度差僅為0.2米。
吸附器在氣流影響下，床層移位變形約為為5mm/M，0.2米的偏差會在兩個置換周期后消失。不會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
4．2．顆粒對筒體的徑向力。
在徑向流床體中，顆粒裝填不均衡，產(chǎn)生的最大徑向力Fmax僅為50～60KN。相比之下氣流產(chǎn)生的徑向力為450～600KN。對筒體產(chǎn)生變形（1‰）的最小力Bmin約為1.2～1.8MN。
由此可以看出，裝填的偏差對設(shè)備的影響力是很微弱的。
5．內(nèi)部施工時(shí)的幾點(diǎn)易忽略常識。
5．1．金屬網(wǎng)絲是可燃物。
與常識不相同。不銹鋼和銅質(zhì)的細(xì)絲網(wǎng)，由于其絮狀結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)上是一種極易燃燒的可燃物。吸附器內(nèi)的任何切割和焊接都是極具風(fēng)險(xiǎn)的操作，需要嚴(yán)格的防護(hù)措施。
5．2．分子篩顆粒可長時(shí)間貯存氮?dú)狻?/p>
分子篩顆粒具有極高的氣體貯存效果。即使經(jīng)過長時(shí)間置換，施工人員進(jìn)入吸附器內(nèi)后也會存在很高的缺氧風(fēng)險(xiǎn)。抽風(fēng)機(jī)連續(xù)抽風(fēng)是不可缺少的操作。
5．3．分子篩顆粒是流體。
與施工人員的常識不同，分子篩顆粒不應(yīng)理解為沙灘的沙子。它是流動性很強(qiáng)的流體。尤其是在氣流流動、設(shè)備振動情況下，分子篩的流動性尤為明顯。施工人員操作時(shí)一旦發(fā)生泄漏，被顆粒掩埋的風(fēng)險(xiǎn)極大，逃生的時(shí)間也很短暫。同時(shí)分子篩的密度小于人體，一旦掩埋事故發(fā)生，顆粒的流動性會使受困人員陷入最底層，施救難度大。
