空分空气纯化系统.docx
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空分空气纯化系统
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空分空气纯化系统
空气纯化系统
5.3.1空气纯化系统的任务
纯化系统的目的是通过分子筛清除空气中的水分、二氧化碳及碳氢化合物等杂质,保障空分装置的安全运行。
经分子筛吸附器纯化后的空气中的水含量≤5PPm、CO2≤1PPm。
5.3.2空气纯化系统主要设备
2台分子筛吸附器（D-5004A/B）
1台蒸汽加热器（E-5001）
1台气液分离器（D-5005）
5.3.3主要设备的工作原理与过程
5.3.3.1分子筛吸附器
分子筛主要成分是碱性硅铝酸盐,有一定的晶型和连接结构,能使一些特定的分子通过的物质。
液化设备通常都有用于净化流程空气的前置净化装置，2台分子筛吸附器（1台吸附，1台再生）交替使用，保证了其工作的连续性。
其目的是脱除空气中的水分和二氧化碳及C、H化合物（CO2在空气中的平均含量约400ppm）。
因为H2O与CO2的固化温度均高于设备的操作温度，这样，它们易沉积和浓缩，对冷箱内设备构成堵塞。
而过多的碳氢化合物在主冷凝蒸发器四周积累，会有发生爆炸的可能性。
分子筛吸附器采用卧式双层床结构（也有分子筛单层床结构），分子筛采用球形结构。
其中铝胶（活性氧化铝）床层占吸附器体积1/5（下部），重量为10250kg；分子筛床层占4/5（上部），重量为52000kg。
添加铝胶床层的目的：
增强吸附效果、延长使用时间、降低再生能耗、延长使用寿命的特点。
具体分析如下：
活性氧化铝对于含水量较高的空气，吸附容量比较大，而且对水分的吸附热也比分子筛小，其大量吸附水分后使空气温升较小，有利于后部分分子筛对二氧化碳的吸附，而且双层床纯化器净化空气的程度比单层床更高，空气的干燥程度可以由原来露点的-60℃降到-66～-70℃，净化后空气中的二氧化碳含量也更低；采用双层吸附床，可以延长纯化器的使用时间，经试验得出：
双层床结构的分子筛纯化器比单床层结构的有效工作时间可延长25～30％；活性氧化铝解吸水分容易，而分子筛较为困难，分子筛再生时其冷吹峰值需要达到120℃以上才能保证其再生完善，而活性氧化铝只需要达到80℃左右即可，这样一来就可以降低整个系统的再生温度，从而节省了再生能耗（对于双层床结构的分子筛纯化器一般将冷吹峰值控制在100℃以上，作为其再生完善的主要标志）；活性氧化铝颗粒较大，且坚硬，机械强度较高，吸水不龟裂、粉化，所以双层床的活性氧化铝可以减少分子筛粉化，延长分子筛寿命，活性氧化铝处于加工空气入口处，还可以起到均匀分配空气的作用；铝胶还具有抗酸性，对分子筛能起到保护作用。
5.3.3.2分子筛工作周期
吸附阶段：
240分钟
再生阶段：
卸压9分钟、热吹90分钟、冷吹120分钟、升压（9分钟）
5.3.3.3工作过程
由于切换工作频繁，切换过程的操作复杂，阀门较多，口径较大，为了减轻工作强度，避免误操作，采用了DCS自动程序控制。
①分子筛吸附阶段
吸附原理：
吸附是一种把气态和液态物质（吸附质）固定在固体表面（吸附剂）上的物理现象，这种固体（吸附剂）具有大量微孔的活性表面，吸附质的分子受到吸附剂表面引力的作用，从而固定在上面。
引力的大小取决于：
—吸附剂表面的构造（微孔率）
—吸附质的分压
—温度
吸附伴随着放热，是一种可逆的现象，类似于凝结：
—如果增加压力，吸附能力增加
—降低温度，吸附能力增加
因此，在吸附时，要使压力升到最高，温度降到最低。
解吸时，则要使压力降到最低，温度升到最高。
分子筛纯化器利用较低温吸附、高温解吸来达到连续净化空气的目的。
在这一交变过程中，特别需要对其进、出口温度加以监控，以掌握其使用情况。
在吸附过程中，空气进、出纯化器的两条温度变化曲线被称为“吸附温度曲线”。
在再生过程中，污氮气进、出纯化器的两条温度变化曲线被称为“再生温度曲线”。
空气在经过纯化器后，温度会有所升高。
这是因为空气中的水分和二氧化碳被分子筛吸附，而吸附是个放热过程。
对于全低压流程空分设备而言，空气进纯化器压力在（G）左右，空气进纯化器温度约为12.5℃。
在这种情况下，空气进出纯化器温度之差约为4～6℃，本装置的出口温度为℃。
如果空气进纯化器温度升高，则温差也相应会有所增大，这是因为空气温度升高使得空气中水含量增多。
如果在纯化器使用过程中（刚开始使用的一段时间除外），出纯化器空气温度突然升高，而进纯化器温度和压力却较为稳定，这种情况往往显示空气已经将空冷塔的水带入分子筛纯化器。
在分子筛纯化器由再生转为使用，吸附工作刚开始的一段时间内，空气出纯化器温度较高，这时出口温度要比进口高出20℃以上。
这种现象除了是由于再生过程中的冷吹不彻底造成的以外，还由于纯化器在切换至使用前的升压过程中释放吸附热所造成的。
在空分设备中用于吸附水分和二氧化碳的分子筛，除对极性分子如水和二氧化碳等具有吸附能力外，对非极性的氮气和氧气也有一定的吸附作用。
升压过程是一个压力上升的过程，随着压力升高，分子筛的静吸附容量增大，更多的氮气和氧气被分子筛所吸附。
而这个过程同样是个放热的过程，这种放热使得分子筛床层温度升高。
当升压后的纯化器转为使用时，空气将分子筛床层的热量带出来，从而引起出口温度的升高。
由于这种现象不单单因为冷吹不彻底引起，所以无法通过延长冷吹时间来解决。
于是有的空分设备中，采用增加一个“两组分子筛并行运行”的步骤，用来减少这种温度波动对主换热器的不利影响。
②分子筛再生阶段
相对于较为简单的吸附温度曲线而言，再生温度曲线要复杂一些。
典型的再生温度曲线如图2所示。
卸压阶段（A－B）：
分子筛纯化器在较高工作压力下（以上）完成吸附任务，而在较低的压力下（有时常压）进行脱附再生。
在纯化器由吸附转为再生时，首先将纯化器内的压力降下来。
压力下降时，分子筛静吸附容量减小，原来被吸附的气体分子或水分子，便有部分会从分子筛中解吸出来。
与吸附过程的放热效应相对应，脱附再生过程是个需要吸收热量的过程。
在卸压阶段，脱附所需热量只能来自于分子筛床层本身，因而使得床层温度下降。
受此影响，空气进口（污氮气出口）和空气出口（污氮气入口）温度同时开始下降（因为卸压阀在分子筛进口处，故卸压阶段空气出口温度较空气进口温度下降的幅度更大）。
加热阶段（B－C）：
加热阶段开始后，虽然污氮气进口温度迅速升高，但出口温度还会继续下降，最多可下降至－10℃左右，然后才会逐渐升高。
经蒸汽加热器加热过的高温污氮气，在由上而下通过分子筛床层时，首先使得床层上部的分子筛温度升高并对上部的分子筛进行再生。
在此过程中，污氮气的热量一方面传递给了上部的分子筛，另一方面被解吸出来的二氧化碳和水分带走了，故污氮气本身的温度迅速下降，到达纯化器底部时，温度已经很低了，所以污氮气出口温度不会很快升高。
加热阶段需要加以监控的主要是污氮气进口温度，它和污氮气流量、加热时间等一起体现了带入纯化器中的热量的多少。
污氮气进口温度主要由蒸汽加热器的运行状况以及再生污氮气的实际流量等因素所决定。
一般来说，加热阶段主要解吸的是分子筛床层的中上部，并且将热量贮存在分子筛床层中。
冷吹阶段（C－D）：
在冷吹阶段，一方面利用加热阶段贮存在分子筛床层中的热量继续解吸下部的活性氧化铝，另一方面将床层中的热量带出来，从而为再次投入使用作准备。
冷吹开始后，污氮气进口温度迅速下降，但出口温度还会继续上升，一直达到某个最高点后，才会逐渐下降。
冷吹阶段的污氮气出口温度变化曲线（以下简称冷吹曲线）特别重要。
冷吹曲线上的最高温度点称为“冷吹峰值”，它是再生过程是否完善的主要标志。
床层中的分子筛在再生过程中温度自上而下是递减的，所以最底层的分子筛总是再生得最不彻底。
对于双层床分子筛纯化器，如果冷吹峰值达到100℃，则说明纯化器内上部的分子筛和下部的活性氧化铝都已再生好了（靠近筒体的边缘区因存在散热问题除外）。
影响冷吹峰值的因素主要是加热阶段进纯化器的再生污氮气的温度高低、流量大小以及加热时间的长短等等。
此外，如果在上一个使用周期中分子筛吸附了太多的水分和二氧化碳（即吸附饱和），而在再生时也没有增加再生热量，则冷吹峰值会下降，如果分子筛在使用过程进水，则冷吹峰值也会显着下降。
如果冷吹曲线上会出现多个峰值，则说明分子筛床层不平整。
良好的分子筛床层，在任何一个水平截面上的温度梯度应该较小，这样的床层在再生过程中，最底层的分子筛各处温度差不多始终相等，温度变化曲线也相同。
而仪表所记录下的是各处出来的气体混合在一起后的温度变化曲线，可以认为是一系列的波形曲线综合在一起后所形成的曲线。
由于这一系列的波形曲线均相同且无相位差，故综合成的曲线形状不会有所改变。
在另一种情况下，当分子筛床层厚薄不均匀时，较薄处分子筛量少而流过的气量多，分子筛温度变化得就比较快，而较厚处情况正好相反。
这样最底层的各处不是同时达到峰值，综合而成的波形曲线中就有可能出现两个甚至三个峰值。
一般来说，分子筛床层不平整时，冷吹曲线的形状也会变得“矮”和“胖”一些。
冷吹结束时的污氮气出纯化器温度是另一个需要加以控制的指标，该温度如果过高，则纯化器由再生转为使用时空气就会将这一部分热量带入主板式换热器，近而对其工作状况产生不良影响。
该温度主要由冷吹时间、再生气流量以及加热过程中带入热量多少等因素决定。
一般来说，分子筛床层不平整时，冷吹到指定温度需要更长的时间。
升压阶段（D－E）：
升压阶段的纯化器内压力是增加的，前面已经叙述过，这是空气中杂质被分子筛吸附，而床层温度升高的过程。
受床层温度升高以及保温层中残余热量的影响，污氮气进出口温度都会上升。
5.3.3.4分子筛吸附器的正常维护
①按时检查记录出纯化气中二氧化碳，水的含量，再生气中水含量如果超标应及时查找原因，并采取措施。
②经常检查纯化系统中自动切换程序各步时间，切换阀动作顺序，开关状态是否符合程序控制的要求。
③严格控制好再生气的流量、温度在工艺指标范围内。
④向分子筛吸附器装填的分子筛必须时非受潮的，设备经过一段时间运转后，吸附剂中的分子筛会下沉，应及时添加，添加吸附剂时要注意吸附创面的平整。
⑤经过长期运转（3-15年），分子筛吸附能力下降或严重破损，需要重新更换分子筛。
5.3.4蒸汽加热器与气液分离器
蒸汽加热器要求采用高效节能紧凑式,立式圆筒结构,管程为蒸汽,壳程为污氮。
设计压力，利用、195℃的低压蒸气作为热介质加热返流的污氮气。
气液分离器主要收集蒸汽加热器中的蒸汽冷凝液，在此要注意的是气液分离器内的蒸汽冷凝液排放温度不得高于80℃。
13XAPG-1分子筛
工业上主要用于大中型空分装置原料气的净化（同时去除水和二氧化碳）以及部分碳氢化合物。
一、产品技术指标
指标项目
单位
球状
条状
直径（D）
mm
2-3
3-5
5-8
静态水吸附
≥mg/g
270
270
270
270
270
吸附CO2
≥mg/g
185
185
185
185
185
堆积密度
≥g/ml
抗压强度
≥N
40
90
120
35
60
磨耗率
≤%wt
包装含水最
≤%wt
二、再生
13XAPG-1分子筛可在提高温度的情况下吹扫或抽真空而再生重新使用，再生（脱水）的程度则视吹扫的湿度与温度而定。
三、储存
1．室温相对湿度不大于90%；
2．不宜直接暴露于空气中；
3．避免水、酸、碱的。
四、包装
25kg（10加仑）密封钢桶包装
125kg（条状，55加仑）密封钢桶包装
140kg（55加仑）密封钢桶包装
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