关于新型分子筛在吸附器床层结构改造中的应用

关于新型分子筛在吸附器床层结构改造中的应用

张炳帅 1 王振 2 王文涛 3

1 开封市质量技术监督检验测试中心 河南省开封市 475000

2 河南省开元空分集团有限公司 河南省开封市 475000

3 开封市质量技术监督检验测试中心 河南省开封市 475000

摘要：要想10000m³/h的空分设备的单层床分子筛吸附器具有良好吸附效果，需要常年运用冷冻机，但是这会造成严重的能源浪费，也将对空分设备安全、稳定运行产生影响。应用新型的分子筛能够使双层床结构来代替分子筛吸附器之中原本的单层床结构，能够将分子筛的纯化系统稳定程度提高，工作时间随之延长，并且运行费用也会不断降低，由此节省成本。

关键词:空分设备；新型分子筛；吸附器；床层结构

在空分设备中分子筛纯化系统属于前端净化系统，空分设备运行安全性会在一定程度上受到其净化性能效果影响，后期工序运行稳定性也会受此影响。使用新型分子筛来改造其吸附器床层，能够使空分设备运行更具稳定性以及可靠性，并且可由此实现成本减少和节能降耗的目的。因此应该在分子筛吸附器的床层结构改造中合理应用新型分子筛，掌握分子筛的应用现状，研究改造吸附器床层结构应用新型分子筛的目的与意义，分析其主要技术，并提出其具体改造方案。

一、分子筛吸附器的工作现状

本文主要分析一台10000m³/h的空分设备，该设备的分子筛吸附器运用的单床层结构为立式形态，其每个吸附筒内可以容纳13t的13X型分子筛。为了获得良好吸附效果，应该将分子筛吸附的温度降低，空冷塔的空气出口温度需控制在10℃以下。在空气预冷系统中所应用的冷冻机需要常年运行，冷冻机如果有故障问题出现将会对分子筛吸附器工作产生直接影响，对空分设备运行安全性产生威胁。本文多研究的10000 m3/h空分设备在多年运行中经常出现冷冻机跳车问题，使得空分设备减产，严重时会出现停车故障。另外，因为冷冻机运行会产生较高的费用，在消耗电费方面每年大约之处60万元。

二、研究改造吸附器床层结构中应用新型分子筛的目的与意义

分子筛吸附器在空分设备之中能够发挥出吸附水、二氧化碳以及碳氢化合物的作用。通常吸附器工况分为两种：（1）吸附工况。该工况下操作压力为0.4MPa（G）-0.5MPa（G），而工作时需要保证温度在12～17℃间。（2）再生工况。该工况的操作压力为0.01MPa，而工作时需要保证温度在160℃～180℃间。通常在4～8个小时进行一次两种工况间的切换。工况在长时间使用和频繁切换情况下，加上温度具备周期性变化，这时改造吸附器的床层需要对以下几项因素进行考虑：（1）床层属于分布器，因此应保证其分布效果良好。（2）床层上装填分子筛吸附剂以及氧化铝，控制高度在1200mm～1700mm间，并保证床层的承重能力。（3）床层受周期性温度影响存在热胀冷缩等问题，为应对这一情况，需要保证床层结构为活动的，有足够活动空间，防止热胀扩大占用空间。（4）床层应长时间运行，对设备长期运行加以考虑，同时保证床层耐用性能。目前市场上没有分子筛吸附器床层结构能够满足上述要求，实际应用中经常会出现一些意外状况。分子筛吸附器在空分设备中是非常主要的部件，如果有问题发生将会导致整套设备停机，造成的经济损失达到几十万，甚至是几百万元。因此，需要研究、开发出一种能够长期可靠应用的分子筛吸附器，这需要进行吸附床层结构，改造过程中可应用新型分子筛，改造出防漏型的分子筛吸附器。

三、防漏型的分子筛吸附器类型

（1）支撑栅格使用螺栓连接筒体，两端分别使用的是圆型螺栓孔以及长圆螺栓孔，将一层粗丝网和细丝网铺在栅格上。丝网和栅格包扎，连接丝网及筒体，并在其边缘处涂抹一定量的密封胶。该分子筛吸附器缺点是长时间使用后，涂抹的密封胶将脱落，缝隙处将会有分子筛以及氧化铝漏出；长时间下来，丝网受热胀冷缩影响，加上氧化铝将会和分子筛摩擦，最终使其断裂，缝隙中将有分子筛以及氧化铝漏出；连接多条板条形成栅格，使用螺栓孔来连接两段，很难合理控制其水平度，水平度差将会加快磨损速丝网的速度。（2）支撑选择工字钢，应用螺栓来固定工字钢以及筒体两端。控制两个工字钢间距在1000mm～1500mm，沿着设备长度方向来布置，保证其均匀性，两个工字钢间需安装不锈钢孔板，并在其中设置细丝网，需要丝网和圆形孔板包扎。工字钢与两块孔板连接处密封要求如下图1所示。这一此分子筛吸附器的缺点为长时间使用后涂抹的密封胶将老化脱落，氧化铝、分子筛会在缝隙中流出；长时间下来，丝网受热胀冷缩影响，加上氧化铝将会和分子筛摩擦，最终使其断裂，缝隙中将有分子筛以及氧化铝漏出；有着复杂的结构以及较高制作难度；孔板、丝网为不锈钢材质，将使用很多不锈钢材料，产生较高的成本。

图1 工字钢与两块孔板连接处密封示意图

四、工况调整以及改造方案确定

目前所研究的制氧车间有2套20000m³/h等级的空分设备，为了能够灵活调节氮气压缩，空分设备之中的低压氮气管网采用一根母管来连接，因为减少了氮气消耗，空分设备水冷塔将会有更富余的氮气进入。只有7月和8月水冷塔出水温度不在17℃左右。针对这一情况，进行工艺调节时，需要将10000 m³/h空分设备吸附温度提升，不再使用冷冻机生产工艺。在相关言多以及工艺调整下，可知吸附器入口温度低于12℃，空分设备还可以正常运行，当超出12℃时分子筛吸附器运行后期将会有分子筛吸附饱和的情况出现，在切换之前会有提升二氧化碳含量的情况出现。从而可知，增加入口空气温度后，分子筛吸附能力与工艺要求不符，则不可选用该方案。因此可考虑吸附器结构不改变的情况，在其下层装有氧化铝，并在上层装有分子筛，但是这没有足够的分子筛填充空间。容器的整体填充高度极限是2 m，当采取双床层结构时，吸附剂床层将超出容器设计限制，难以现。10000m³/h空分设备之中的分子筛经过长期使用，其吸附器切换后期会有二氧化碳含量高的情况存在，为了能够促进空分设备运行稳定性，对分子筛进行全部更换。通过目前研究和试验可知，13X APGⅢ型分子筛有着良好的吸附性能，相较于普通型分子筛，二氧化碳的吸附容量提高了70%，这可为改造吸附器结构创造相应条件，实际使用这一新型分子筛后，吸附器单层床结构课改造为双层床结构，同时能够降低再生能耗。

结束语

改造分子筛吸附器床层结构中应用13X APGⅢ型分子筛可发挥重要作用，能够将空分设备实际运行费用减少，还能够将空气净化系统运行的稳定性提升，为定期检修保养冷水机组提供相应条件，并且有利于空分设备的氮气联合调节，在处理分子筛纯化系统故障时提供更多时间。

结束语

[1]边峰,袁成义,薛振岐.42000 Nm~3/h空分设备分子筛吸附器出口空气中CO_2含量超标的分析与处理[J].山东化工,2020,49(07):267-268.

[2]王军成.一起分子筛吸附器阀门故障的分析与处理[J].铜业工程,2020(06):86-88.