变压吸附制氮装置的设计知识

　　近五六年来，随着国内变压吸附制氮技术的不断成熟，其使用领域也不断扩大，从开始的煤炭系统的井下氮封灭火、机电系统的氮氛气热处理、化工系统的原料加工提纯氮封保护，到食品工业的食品果品保鲜、啤酒业的替补二氧化碳气的不足等，并皆受到了用户的欢迎。为了让更多的用户了解变压吸附制氮技术并使用变压吸附制氮装置，本篇就变压吸附制氮装置的设计、调试中出现的故障及使用中须注意的问题作一简述。1变压吸附制氮装置的工作原理

　　变压吸附制氮装置的设计依据是变压吸附理论。吸附的基体为各类吸附剂，如：铝胶、硅胶、活性炭及分子筛。在变压吸附制氮装置当中，吸附剂大多采用各类分子筛(沸石分子筛、碳分子筛)，各类分子筛有其吸附的特定选择性，如制氮吸氧常采用3A碳分子筛，而吸附H20、C02多选用13X沸石分子筛。变压吸附制氮装置的工作原理：洁净的带压空气(氧氮混合气)通过某种碳分子筛，其中的大部分氧气及剩余的微量水分被分子筛吸附，氮气则未能被吸附而排放出来，此为吸附制氮阶段。而在压力减低为大气压或负压下，分子筛吸附氧的能力下降则解析出其在受压状态下所吸附的氧、水，此为解析再生(制氧)阶段。解析后的分子筛又可以进行下一周期的吸附制氮阶段，循环反复，从而得到一定纯度氮气，同时得到一定纯度的富氧空气。其装置模块图见图1。

　　2设计

　　根据变压吸附技术，按照不同用户的不同需要，设计制造出多种不同技术性能参数的变压吸附制氮装置。下面以石化系统某厂用于加氢白油工程的200m3／h、纯度99.9%的制氮装置为例(工艺流程见图2)，对有关方面进行简单论述。2.1装置主要技术参数

　　氮气产鱼：200m3／h(20℃、0.1MPa绝压)；氮气纯度：99.9%(含氧量小于0.1%)；氮气供应压力：0.6MPa。2.2分子筛的选择及量的确定

　　根据以往的经验、各分子筛的实验数据及装置所要求的技术参数，该装置选用德国BP公司的最新185型碳分子筛，其某工况下的性能数据：(1)整体密度：610~630g／1；(2)平均颗粒直径：2.3~2.5mm；(3)PSA产氮量：99.9%N2时，大于115m3／h·t；(4)PSA提取率：大于27%N2／空气。

　　以上几个方面的数据对加工空气的压力、露点、含油量皆有一定的要求。选用BF分子筛的理由为：如采用国产分子筛则所需分子筛量相应较大，所配置的吸附筒容积也相应增大，而且单级吸附也较难达到所需纯度要求。参照分子筛的有关参数，通过比照就可以确定在所需压力0.6MPa、纯度99.9%N2时所配备的分子筛量Q1。

　　2.3空气压缩系统、冷干机系统的确定

　　由于分子筛对加工空气的压力、露点、含油量皆有较高的要求，因此常选用无油润滑空压机或油润滑空压机加多级油雾过滤器来保证对含油量的要求；选用冷干机来保证其对空气的露点要求。在该装置中，采用无油润滑空压机，其技术数据：加工空气量10m3／h(Q2)、出口压力0.8MPa。而冷干机所要求达到的压力露点不大于5℃。

　　2.4吸附器系统的参数、结构设计

　　吸附器系统是整套装置的核心，其设计、制造质量直接影响到整套装置的性能和寿命。而吸附器不同的参数、结构设计方法，也有着其各自的优缺点。如何达到最佳设计，制造商务有不同的看法。

　　2.4.1吸附器的参数设计

　　①吸附器最小直径D0的确定

　　吸附器的设计首先考虑的是吸附器的空塔速度V0，不同性能的吸附剂其允许的空塔速也各有差别。根据加工空气量Q2与空塔速度V0就可以计算出吸附器最小直径D0。

　　②吸附器容积V的确定

　　吸附器容积V由三部分组成：装填分子筛Q1所需的容积V1，相关结构件所占的容积V2以及其它缓冲、均布稳定气流所需的容积V3；即V=V1+V2+V3；其中V，由参数设计确定，V2、V3由结构设计确定。#p#分页标题#e#

　　2.4.2吸附器的结构设计

　　①吸附器高径比的确定

　　吸附器高径比决定了吸附器是矮胖型还是细长型。采用矮胖型低床层设计，分子筛利用率高，吸阻小，压损少，而器体制造相对困难。采用细长型高床层设计，吸阻大，但能使气流沿吸附器轴向均匀扩散达到等温吸附，以及较高的纯度吸附要求。

　　②吸附器数量的确定

　　吸附系统按吸附器的数量可分为单塔、双塔及多塔系统，考虑到整个装置的实际情况，如压缩机供气的经济性、排气的连续性、所需设备的复杂程度以及制造成本的高低，常取双塔和三塔流程，而双塔流程在制氮装置中尤为多见，其整个装置包括两只吸附器和一只缓冲容器。

　　③吸附器内部结构的设计

　　吸附器内部结构的设计包括床层的确定和各种辅助结构，如上下过滤器、导流器、压紧机构、气体均布器等的设计。吸附器通常可分单层床和双层床，结构见图3，两种结构上下通气口皆设有过滤器、气体分布器。

　　单层床结构在分子筛吸附剂上设有丝网孔板、气缸压紧装置，在吸附器工作时，气缸活塞受压差产生一个下推力并通过丝网孔板把分子筛压紧，避免了因气流过大而造成的分子筛沸腾流化、过滤器丝网被冲击破损现象，从而延长分子筛的寿命，保证吸附器的正常运行。该结构简单可靠，在气缸活塞允许的行程内，能很好地克服分子筛沸腾粉尘现象。而双层床结构设置了双层填料，在分子筛上部增添了压紧填料，两者之间通过丝网隔开，在吸附器工作时，依靠压紧填料的重量压紧丝网分子筛，同样起到单层床压紧装置的作用，并不受以上所说的行程限制，但该结构在设计或装配不当的情况下，运行时中会发生中间丝网倾斜造成分子筛和压紧填料相混合的现象，从而导致分子筛的加剧磨损。

　　④动作阀的选择

　　双塔流程当中两只吸附器的周期性交替工作，是通过由程序控制器控制的电磁(气动)阀来完成的。由于切换周期短、阀的动作频繁，因此要求所选用的阀寿命在50万次以上，并且某些阀须有双向通气的功能。确定了阀的类型之后，再根据各阀所通过的气量及一般所采用的流速确定该阀的通径和规格。如该装置选用了本公司自制的DN50、DN80、DNl00电磁气动蝶阀，寿命长，密封性好。

　　2.5产品气缓冲罐的设计及产量测定系统的选用

　　由于采用双塔流程，产品气的排出有较大的压力波动性，选用一定容积的缓冲罐对改善吸附器的工作状况和产品气的稳定供出皆有较大的好处。缓冲罐容积的大小与装置气体产量有关，每个周期产生的脉动气量对缓冲罐压力不致引起太大的波动是缓冲罐容积选取的原则，一般压力波动△p不超过0.1MPa。

　　对于中小型的装置，、其产量测定常采用法兰孔板形式，气流通过孔板产生的压差通过差压变送器转换成某一电流信号，再通过二次仪表把这电流信号以流量单位显示出来。通过该结构，可以达到自动控制产品流量在所需值的目的。

　　2.6过滤系统

　　根据用户的产品气(氮气)的使用环境，过滤系统有时是必不可少的。在该装置上，配备了粗、细两种过滤器，粗过滤器为带反吹的切换型结构，细过滤器选用一次性可换芯的精过滤器，过滤精度达0.01μm。

　　2.7控制系统

　　碳分子筛有其显著的特性：第一，受水分影响时，对其它气体的吸附性减弱，表面硬度下降，表现在整机性能上就是纯度下降，产品气夹带粉末，导致动作阀故障。第二，受油分影响后，由于对油分未能进行解析再生，分子筛最终失效。为了使分子筛发挥其正常性能、保证吸附器的正常工作，在各机组的常规控制保护基础上，装置视情况的不同布置有进吸附器空气温度设定连锁，冷干机的冷凝水排出故障报警，产品纯度超标报警等措施，以及动作阀的程序自动控制和中控室的信号显示控制。#p#分页标题#e#

　　3调试中常见故障及主要原因

　　在现场调试中，除了不谙流程而误操作外，比较常见的故障现象有：

　　(1)各配套运动机组的故障现象：①空压机的供气量不足或供气压力过低；②冷干机除水不正常或与整个装置不匹配。(2)吸附器组的故障现象：①吸附器组的有关压力指示不正常；②动作阀切换缓慢或不动作；③产品气、解析放空气当中有粉末夹带。(3)产品气分析指示系统故障现象：①分析系统指示纯度偏低；②流量未达到设计指标。

　　以上几个故障的发生原因，经分析为：设计选型不合理、本身机组或仪表存在故障；动作阀关闭密封不严；电磁阀存在故障或粉末引起动作阀故障；吸附器床层发生流化现象，造成分子筛摩擦冲击严重产生粉末；进水、油分严重引起分子筛硬度减低加剧粉化或分子筛失效；运行周期各阶段时间设置不当等等。

　　4使用中应注意的问题

　　调试交付后，用户除了会使用操作外，会维护并了解装置的原理流程是很必要的。在掌握各配套机组的使用性能后，为了维护使用好吸附器这个核心装置，以下几点是值得考虑的：前面已经讲到，分子筛忌水、忌油、怕磨损，因此在装置运行当中要特别注意空气的质量(含水、油量)，在日常操作中经常检查空压机是否上油、滤油系统是否正常、冷干机制冷除水是否正常。还要经常检查产品气排出过滤器和解析气放空口，是否有堆积或夹带过多的分子筛粉末；定期检查吸附器内分子筛的磨损量，并确定是否须增添等等，如有以上现象，应及时解决。如能正常操作和维护，使用寿命将会大大延长。作者简介：季宗升男，工程师，1966年12月出生，1988年浙江大学化工机械专业本科毕业，现在杭州制氧机(集团)公司军品厂从事产品设计工作。