分子篩吸附系統是化工類工業中的核心工藝系統，用于吸附、置換、催化等操作。但是由于工業工藝的不穩定性，分子篩的生產、安裝、使用又分別歸屬于不同的專業和公司，技術銜接中經常出現各類問題。在實際生產應用中，分子篩的事故往往與分子篩的核心吸附能力無關，而大多是由于三方技術人員對吸附器的底層設計數據不了解導致。

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際問題，以及基于計算機仿真數值分析，系統全面地梳理了分子篩吸附設備的各類工程特征，并對部分工程處理量化解析。讓不同專業間有一個統一的認識，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備或國標查詢數據，解析數據不代表全部類型吸附設備應用情況下的數值，但是其結論對所有應用環境具有參考價值。 

1．吸附器的應力與變形。

1．1．臥式床的附加應力。

臥式床結構中，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生的橫向拉應力。其實此拉應力才是導致臥式床故障率高的核心要素。

在設備安裝之初的調試階段，這種拉應力可以忽略；但是分子篩吸附器處于長期的溫度和受力交變情況下，設備慢慢產生一定程度的變形。在設備運行后期，圓柱外殼發生扁塌，隨著床層橫向拉力的不斷增大，床層受力情況發生變化。絕大多數分子篩更換的施工人員文化基礎差，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。最終導致“床層撕裂破損”。

ANSYS仿真數據顯示：臥式床在外殼剛度降低，發生扁塌形變后，局部應力集中點的拉應力是未發生變形時剪應力的數十倍。如上圖所示案例中，假設罐體線變形1‰（1mm／1M線彎曲撓度），最中心處工字鋼焊縫受力增大約15倍（拉應力和剪應力之和）。超過了幾乎全部常用鋼材的最大許用應力。

吸附器設備蠕變，剛度失效導致床層內部應力增加，是臥式床發生泄漏的第一誘因。但在已知的各類分子篩事故案例中都不關注這一底層誘因，而是簡單地認定為分子篩更換團隊的“施工水平不行”。

1．2．立式徑向流的多應力交錯現象。

立式床結構中，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“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的板層孔豎向布置，承受全部的分子篩顆粒重量，豎向拉應力為8MPa±10%，變形量約為1.7mm/M（線變形1.7‰，材質估算材質為壓容鋼），幾乎已經達到了選材的應力和變形極限。應力集中點出現在上下兩條環焊縫中，其中底層環焊縫由于同時受到剪切應力作用，焊縫故障率較高。

受氣流和顆粒壓力的雙重影響，外層隔離網承受交變的周向拉應力，內層隔離網承受交變的周向壓應力，交變值通常為＋5KPa～－15KPa之間。這幾乎達到了薄壁筒體設計變形極限的25%左右（100%時筒體扁塌）。

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計，徑向變形比為0。上下變形比相差極大，導致底層焊縫在承受數百噸物料重量時，還要承受變形產生的剪切應力，以及氣流變化產生的交變應力。此處焊縫包含三種極限狀態下的應力狀況（過載、剪切、交變），包含三種材質和厚度的物料交匯（底板12-20mm熱鍛制鋼、豎板6-8mm冷軋鋼、內紗網1mm銅質），因此底層焊縫極易發生損傷，而且損傷發生后形成的連鎖反應也非常嚴重。

2．分子篩顆粒的狀態。

2．1．臥式床的顆粒漂浮現象。

在臥式床中，氣流上下往復流動。氣流自下而上吹動時，分子篩顆粒受氣流影響而產生一定的懸浮。尤其是底層隔離網附近的氧化鋁顆粒，整體呈現懸浮狀態。通常情況下，50%～110%重力被氣流吹起（實際生產中受控，不會大面積懸浮，而是局部噴涌），產生類似于“流沙”的流動態，床層頂部局部噴流而呈現環形坑痕跡。相反地氣流自上而下流動情況下，底層隔離網承受150%～200%的顆粒重量。

中間層隔離網通常為軟材質網，裝填時上下層之間不受力。但是在吸附生產過程中，隔離網被下層氧化鋁頂起，整體承受向上的橫向撕裂力。與大多數工程人員的理解不同，中間層隔離網的作用并不是防止顆粒下漏的，而是阻止顆粒上流。中間隔離網的作用是防止下層懸浮狀態的流體顆粒流入上層分子篩；同時束縛下層氧化鋁的擾動，均衡各處不穩定、不平衡的氣流。在很多施工中，經常出現對中間網的作用理解錯誤，導致鋪設過于隨意，多塊隔離網之間沒有相互縫合，起不到隔離效果，最終影響分子篩裝填效果。

底層隔離網通常為軟硬結合的雙層網（硬骨架網和軟隔離網縫合）。活化時氣流自上而下，骨架網承受數十噸的顆粒重量和氣流壓力。吸附時氣流自下而上，軟隔離網承受氣流吹力，進而軟硬兩層網相互分離。在裝填施工時，施工人員不了解兩層網之間的受力關系，經常只是簡單拼接鋪設，而不是將軟硬隔離網相互縫合加固。最終容易在軟隔離兩層網受相反力后，軟硬網相互分離進而撕裂，導致泄漏現象發生。

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置有1.5米左右的封閉區域，在該區域內的顆粒不參與置換，稱為“不流通死區”。同時由于該區域顆粒不能進行活化反應，經常發生吸濕粉化現象。

實際生產中，八成以上的用戶不知道最佳裝填高度，而是“盡量裝滿”（多數用戶即使知道裝填高度限制，依舊選擇裝滿。潛意識里認為裝滿是最好的）。由于頂端“不流通死區”的存在，其實裝的越多粉化問題越嚴重。

針對這一問題，我用Fluent仿真分析系統，還原不同裝填高度下分子篩顆粒的流通情況。仿真分析數據顯示：頂端的不流動死區的大小程度，僅與相對裝填高度有關。與區域寬度、顆粒大小、氣流速度等關系較小。當裝填過線高度ΔH約為裝填寬度T的0.92倍時（ΔH≈0.92T），頂部空腔氣流流速最低。當相對裝填高度低于0.5時，局部氣流增大而出現“懸浮短路”風險；當相對裝填高度高于1.3時，死區內氣流基本靜止，“吸濕粉化”風險增大。

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）。（已查詢的設備裝填標準均遵循此數值設定，如果哪家單位的裝填高度有自己的規定，請聯系作者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格、多孔材質球形粒度4mm、介質為常溫1bar空氣。）

3．熱腐蝕現象與選材問題。

與施工導致的故障相似，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．隔離網的“漏”與“補”。

床層發生泄漏后，通常由于生產工藝限制，無法及時完整修復，只能采取局部修補方案。修補中常見的錯誤為“必須堵嚴實了”，用一塊更密實的網或鐵板隔離出一個大的區域，以防泄漏擴大。

由上文我們知道，封堵位置附近會存在一個“不流通死區”，這個區域內的分子篩顆粒容易吸濕粉化。實際案例中顯示的工程風險遠不止于此，粉化區域的“高濕”和“高溫”產生一個復合環境：熱腐蝕。

3．2．“熱腐蝕”現象。

市場上的紗網，通常看起來為“黃銅網”或者“不銹鋼網”。但是實際情況是：黃銅脆性大，不適合編織；不銹鋼為碳基材料，不適合冷加工。這導致嚴格的“黃銅”和“不銹鋼”幾乎不能快速機械化加工，也很難出現批量的網材。通常市場上的這兩種常見材質：八成以上為合金材質，選材純度都達不到要求。（純度合格的隔離網由于成本高，大多需要專門訂制。）

經過實際選材測試和合金比例估算，最常見的軟材質“20目黃銅合金網”，熱退火溫度僅約為550℃左右；存在冷加工痕跡的“不銹鋼網”屬于馬氏體類不銹鋼合金，熱退火溫度約為600℃左右（中國市場的常見網材測試，溫度按照合金比例估算，無法試驗驗證。該結論不代表部分高規格訂制網材的性質）。

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，進而容易在溫度不高情況下出現“熱腐蝕現象”。即：設備的工藝溫度明明不高，濾網卻呈現顯著的灼燒痕跡。如下圖，隔離網被燒毀穿透的“熱腐蝕”照片。

3．3．隔離網的選材。

在中國市場中，由于隔離網普遍存在“合金”情況，因此在隔離網的耗材選擇上需要增加一項———灼燒，將購置的濾網放在燃氣爐上灼燒10分鐘。

十分鐘后，黃銅網表面擦拭后依舊為黃銅本色即為合格，發生裂、斷、黑等即可認定為合金銅。不銹鋼網焰色為黃色，擦拭后光亮為合格；焰色發綠、發紅，材質發生裂、斷、黑等即可認定為合金，不宜使用。

3．4．隔離網“補丁”的選擇。

隔離網發生泄漏后，選擇合適的“補丁”是必要的。但是介于以上分析，隔離網的補丁應遵循以下原則。

3．4．1．同目數或低目數原則。選擇補丁時，嚴格限制所選擇的補丁網的目數，盡可能選擇低網眼密度的稀疏網。網層不易多層折疊使用。

3．4．2．充分考慮彈性余量。隔離網的補丁在氣流沖擊下是不停抖動的，受力也在頻繁變化中。這就需要隔離網的補丁需要充分考慮變形余量，在隔離網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。主要為了減小補丁后的流通死區。

3．4．4．硬骨架網和軟隔離網縫合處理。由于受力的形式不同，兩層隔離網分離是泄漏事故的原因之一。用鋼絲縫合兩層網能盡可能地減少事故復發幾率。

3．4．5．隔離網的紋理與應力變形方向呈一定角度。隔離網鋪設時，隔離網額外承受應力變形是重要的損傷原因之一。隔離網的交錯鋪設使得網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，客戶經常對裝填的方式提出各類要求，如：物料面必須嚴格平整、6個孔要同時同量裝填、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。本文通過計算的方式，給每一個操作一個量化的結論。并不是讓施工人員用量化的原則和客戶爭論對錯，而是讓我們在執行每一項操作時都能有一個心底的尺度。哪一個原則必須堅持？哪一項操作習慣其實并不重要，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。不會對系統穩定性產生影響。

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，產生的最大徑向力Fmax僅為50～60KN。相比之下氣流產生的徑向力為450～600KN。對筒體產生變形（1‰）的最小力Bmin約為1.2～1.8MN。

由此可以看出，裝填的偏差對設備的影響力是很微弱的。

5．內部施工時的幾點易忽略常識。

5．1．金屬網絲是可燃物。

與常識不相同。不銹鋼和銅質的細絲網，由于其絮狀結構，其本質上是一種極易燃燒的可燃物。吸附器內的任何切割和焊接都是極具風險的操作，需要嚴格的防護措施。

5．2．分子篩顆粒可長時間貯存氮氣。

分子篩顆粒具有極高的氣體貯存效果。即使經過長時間置換，施工人員進入吸附器內后也會存在很高的缺氧風險。抽風機連續抽風是不可缺少的操作。

5．3．分子篩顆粒是流體。

與施工人員的常識不同，分子篩顆粒不應理解為沙灘的沙子。它是流動性很強的流體。尤其是在氣流流動、設備振動情況下，分子篩的流動性尤為明顯。施工人員操作時一旦發生泄漏，被顆粒掩埋的風險極大，逃生的時間也很短暫。同時分子篩的密度小于人體，一旦掩埋事故發生，顆粒的流動性會使受困人員陷入最底層，施救難度大。