空分設(shè)備中吸附器結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計應(yīng)用

裴紅珍

(開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院，河南開封 475002)

工業(yè)上分離可吸附氣體的氣體混合物時，吸附操作具有顯著的優(yōu)越性。目前，由于吸附技術(shù)的發(fā)展和新型吸附劑的出現(xiàn)，吸附工藝在深冷空分裝置以及常溫變壓吸附空氣制氧、制氮設(shè)備中的應(yīng)用已屬常規(guī)選擇。在深冷空分中，分子篩吸附器應(yīng)用于空氣的純化系統(tǒng)，使空氣中的CO2＜1×10-6，水＜5×10-6;采用分子篩常溫變壓吸附由空氣中制富氧和氮?dú)獾墓に囈渤蔀榱硪环N空氣分離裝置。

吸附器結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理性，則決定了整套裝置的能耗高低、總投資多少及使用操作中的故障率，是考核裝置性能的關(guān)鍵要素之一。結(jié)合在實(shí)際工程中的設(shè)計經(jīng)驗，就深冷空分(ASU)與常溫變壓吸附(PSA)兩種工藝空分裝置中的吸附器設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1 深冷空分裝置吸附器結(jié)構(gòu)型式

按照裝置等級的大小，深冷空分裝置的吸附器結(jié)構(gòu)可分為以下三種型式。

1.1 立式軸向流吸附器

立式軸向流吸附器見圖1。

圖1 立式軸向流吸附器Fig.1 Vertical axial-flow adsorber

這是一種簡單實(shí)用的分子篩吸附器。容器內(nèi)設(shè)置分子篩格柵，分子篩格柵之間為分子篩吸附層，用于放置分子篩?？諝鈴奈狡飨路竭M(jìn)入，由分子篩將空氣中的水分、CO2以及碳?xì)浠衔锏任?，最后從吸附器上部的?nèi)置過濾裝置由出氣口送出露點(diǎn)可達(dá)-70℃的干燥潔凈空氣。按照工藝流程的要求，單只吸附器四個小時的切換周期，在滿足分子篩裝填量以及運(yùn)輸限制下，這種結(jié)構(gòu)型式的吸附器主要用于深冷空氣分離設(shè)備(ASU)中氧產(chǎn)量10 000 Nm3/h以下等級的裝置。如KDON-10000/10000空分裝置，空氣處理量59 000 Nm3/h，吸附器的內(nèi)徑已達(dá)到Φ4000 mm。公路運(yùn)輸超高限制一般為4.2 m高，限制了吸附器的直徑。立式軸向流吸附器的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，氣流均布容易;缺點(diǎn)就是處理氣量較小。

1.2 臥式徑向流吸附器

臥式徑向流吸附器見圖2。

圖2 臥式徑向流吸附器Fig.2 Horizontal radial-flow adsorber

此結(jié)構(gòu)型式常用于深冷空氣分離設(shè)備(ASU)中氧產(chǎn)品大于10 000 Nm3/h以上等級的裝置空氣預(yù)處理系統(tǒng)。隨著空分裝置規(guī)模的擴(kuò)大，分子篩的填充量增加，為了不高于工藝要求的壓力降，分子篩的吸附層高都要有限制，所以，只能增大吸附層截面。由于立式吸附器吸附層截面的限制，因此能相對增大吸附層截面、可以多裝填分子篩量的臥式吸附器應(yīng)運(yùn)而生。例如，氧產(chǎn)品五萬等級空分設(shè)備中的吸附器，筒體直徑達(dá)4.6 m、長度將近20 m，處理氣量276 000 Nm3/h。由于吸附劑床層的層面過于龐大，有氣流分配和保持床層的平整、降低處理和再生氣體進(jìn)氣時對分子篩床層的沖擊、減少超長筒體進(jìn)氣口的數(shù)量等等的要求。針對這些問題，采用彌漫式分布器，也就是進(jìn)氣口處使用平鋪孔板加絲網(wǎng)型式的分布板，使氣體能均勻通過分子篩床層，克服氣體附壁效應(yīng)，防止氣流短路，充分利用每一處的吸附劑。吸附器的工作溫度范圍大(-10～180℃)，床層支撐承受很大的熱交變應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用移動式床層支撐結(jié)構(gòu)，防止了絲網(wǎng)的破壞和分布器、筒體的變形。

為了保證分子篩層面不隨氣流波動，每隔1.5 m距離設(shè)置隔板，保證裝填分子篩時其層面的平整，以免影響吸附效果。

特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，制造也不復(fù)雜，但容器尺寸較大，空氣死空間較多，需要額外增加分子篩裝填量，吸附器占地面積較大。

以上兩種用于深冷空分裝置的吸附器常規(guī)結(jié)構(gòu)，考慮工藝特點(diǎn)，其氣體進(jìn)氣對分子篩床層產(chǎn)生的“沸騰”現(xiàn)象，可以通過切換閥門的開啟速度以及切換程序進(jìn)行控制，無需必要的分子篩壓緊要求。而主要需要解決的關(guān)鍵部位就是在于氣體進(jìn)氣分配器與反吹氣分配器的結(jié)構(gòu)，其主要功能就是控制進(jìn)入吸附器的氣體對分子篩吸附層的直吹以及均勻地分布?xì)饬鳎苊庠斐煞肿雍Y吸附層產(chǎn)生“短路”及“凹坑”等現(xiàn)象。

1.3 立式徑向流吸附器

為滿足分子篩裝填量，可以通過臥式吸附器增大吸附層截面來實(shí)現(xiàn)，但是，無限制地增大截面是不現(xiàn)實(shí)也不可能的。由于占地面積、運(yùn)輸以及氣流分布均勻的限制，臥式容器的直徑和長度都會有所限制。為了滿足生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)囊螅霈F(xiàn)一種新型結(jié)構(gòu)型式的吸附器——立式徑向流吸附器。相對于臥式吸附器，立式徑向流吸附器，其分子篩床層為筒形，與吸附器軸線同心，氣流徑向穿過吸附層，隨著空分裝置規(guī)模的增大，在保證吸附層厚度不變的情況下，可以增加高度，而不是直徑的無限擴(kuò)大，這樣在工廠內(nèi)可以進(jìn)行吸附器的組裝制作，既可運(yùn)輸又可保證設(shè)備的裝配質(zhì)量。容器可以直立安裝，減少了占地面積。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過在進(jìn)氣口處設(shè)置球冠形氣體分布器、控制分子篩床層孔板上無孔區(qū)的位置、以及筒體中心設(shè)置氣體收集導(dǎo)流筒等方式，強(qiáng)制空氣由筒體的徑向流動穿過吸附床層。

立式徑向流吸附器改變了傳統(tǒng)吸附器床層的設(shè)計方法，主要優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，防止分子篩流態(tài)化、流量調(diào)節(jié)范圍大、外殼不需要保溫、筒體沒有熱應(yīng)力、床層厚度薄壓力降小，分子篩利用率高。缺點(diǎn)則是制造精度要求高、制作成本較高。

同樣兩套氧產(chǎn)品5萬等級的低溫空分裝置，表1為兩種結(jié)構(gòu)的吸附器實(shí)際參數(shù)的比較。

顯而易見，臥式吸附器的分子篩單位處理氣量是1700 m3/h·t，而立式徑向流吸附器的則是3000 m3/h·t，臥式吸附器的占地面積也是立式徑向流吸附器的4倍以上。

圖3 立式徑向流吸附器Fig.3 Vertical radial-flow adsorber

表1 兩種不同結(jié)構(gòu)吸附器的實(shí)際參數(shù)比較Table 1 Actual data comparison between two different-structured adsorbers

2 PSA裝置中的吸附器型式

用于空氣分離制取氮?dú)夂脱鯕獾腜SA裝置，其中制氮裝置的吸附壓力一般在0.8 MPa，解吸壓力為常壓，工作周期為2 min左右。在吸附器工作時，分子篩必須交替工作在兩種壓力狀態(tài)下，這種壓力變化平均每分鐘就要發(fā)生一次，空氣進(jìn)氣與高壓泄壓時必然會對分子篩吸附層產(chǎn)生沖擊。使用一段時間后，不可避免地造成分子篩下沉，也就是與容器之間產(chǎn)生了間隙。隨著較高頻率的壓力變化，分子篩在容器內(nèi)上下劇烈竄動。這種竄動大大降低了分子篩的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致了它的粉化，同時也造成了極不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，使得分離效率大大降低。因此，吸附器主要解決的問題是要有效阻止分子篩(吸附劑)的上下竄動，使吸附劑可在相對靜止?fàn)顟B(tài)下完成吸附和解吸，減少分子篩之間的摩擦。分子篩裝入吸附器時，一般無法真正裝填得很結(jié)實(shí)。因此需要在氣體出口和分子篩之間加裝或充填鎮(zhèn)壓分子篩的壓緊裝置。

在空氣進(jìn)氣口安置一個旋風(fēng)板及篩板，可以有效地改變氣流的速度和方向。氣流的這種運(yùn)動方式減少了塔內(nèi)死空間的出現(xiàn)，同時減小了吸附器的氣體分配空間、改善氣流分布效果、提高分子篩的利用率;也改變氣流速度和方向，避免高壓氣流對分子篩的沖擊，防止分子篩在吸附器內(nèi)沸騰，減少分子篩的粉化;提高了分子篩的吸附性能，降低能耗，延長了分子篩的使用壽命。

在吸附器頂部設(shè)置分子篩氣缸壓緊裝置，設(shè)有棕墊、壓緊板，壓緊板與氣缸連接;氣缸內(nèi)設(shè)有報警裝置。壓緊裝置起到穩(wěn)定作用，吸收或消除交變應(yīng)力，從而延長分子篩的使用壽命。

這種氣缸壓緊裝置的方式，適合我公司設(shè)計的1000 Nm3/h以上的PSA制氮裝置，因為其不足之處就是需要額外的氣缸制作，并且氣缸的使用需要引入額外的儀表氣，使用期間需要保證氣缸的密封性，以免儀表氣漏入吸附器中影響產(chǎn)品氣的純度;有一定的故障率。

通過改進(jìn)設(shè)計，可以采用如圖5結(jié)構(gòu)的分子篩壓緊方式——壓緊裝置與氣體分布器一體化：即省掉氣缸壓緊，利用分子篩裝填孔的法蘭蓋壓緊力，在法蘭蓋與分子篩之間設(shè)置棕墊、壓緊板，這樣，減小了分子篩鎮(zhèn)壓面積，相應(yīng)的也就減小了壓實(shí)裝置的大小;可以盡可能多地裝填分子篩，減小吸附器的體積;錐形孔板起到均勻分布?xì)怏w的作用;錐形孔板同時能有效均勻地收集產(chǎn)品氣，省卻產(chǎn)品氣收集器。這樣，空間利用率高、減少制造環(huán)節(jié)、降低設(shè)備成本、設(shè)備使用安全系數(shù)增高、減少維修量。

公司兩套600 Nm3/h PSA制氮裝置，其吸附器的實(shí)際參數(shù)見表2。

表2 PSA裝置中兩種不同壓緊裝置尺寸與重量比較Table 2 Dimension＆weight comparison between two different pressing equipment in PSA unit

可以看出，改進(jìn)后的吸附器單只重量能減少300 kg，這樣，整套裝置的總體投資也相應(yīng)減少。

3 結(jié)論

由于13X分子篩的吸附性能，可以長周期的對空氣中H2O和CO2進(jìn)行吸附，其吸附屬于平衡分離型，因此，對切換閥門開啟速度以及切換程序的控制，深冷空分裝置中的吸附器無需進(jìn)行壓緊裝置的設(shè)計;PSA裝置吸附屬于速度分離型，根據(jù)碳分子篩對空氣中N2和O2吸附速度的差別，通過快速的切換周期進(jìn)行空氣分離，制取產(chǎn)品，所以，其吸附器則需要通過壓緊裝置阻止高壓空氣對分子篩的沖擊。

通過對上述兩種不同的空分工藝流程中吸附器結(jié)構(gòu)的比較以及實(shí)際數(shù)據(jù)的比較，對于吸附器的設(shè)計需要根據(jù)各自的工藝特點(diǎn)、需要制取產(chǎn)品氣的不同以及切換周期的長短來有針對性的進(jìn)行設(shè)計，以便延長分子篩的使用壽命及提高其利用率，努力降低設(shè)備的投資，做到簡單實(shí)用。