分子篩再生過程節(jié)能優(yōu)化方案

姜長泓，王靜

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春130012）

分子篩再生過程節(jié)能優(yōu)化方案

姜長泓，王靜

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春130012）

針對以往空分裝置分子篩再生周期初期設(shè)定的情況，本文提出分子篩再生周期應(yīng)具有針對性，即綜合考慮分子篩吸附過程的結(jié)果、再生氣流量、溫度等因素調(diào)整分子篩再生周期。同時建立了分子篩再生過程的能量模型，通過計算確定不同分子篩再生時所需的能量，避免不必要的能源浪費。

分子篩；再生；能量模型

近幾年，隨著冶金工業(yè)、石油化工、煤化工等行業(yè)的迅猛發(fā)展，空分設(shè)備技術(shù)也得到了快速發(fā)展，規(guī)模大型化、運行成本低、設(shè)備操作穩(wěn)定可靠等成為發(fā)展方向。特大型空分設(shè)備數(shù)量越來越多?？辗衷O(shè)備用戶的市場競爭也日益激烈，如何降低運行成本就顯得尤為重要，同時，國家也積極倡導(dǎo)節(jié)能減排[1]。如何節(jié)能亦成為空分裝置研究的熱點問題。就空分設(shè)備純化裝置而言，在分子篩再生過程中就存在一定的能源浪費。目前，國內(nèi)幾乎所有純化裝置中的分子篩在再生時都按照預(yù)先設(shè)定的加熱時間及N2吹掃時間進行再生，這種既不考慮分子篩在上一周期的吸附結(jié)果，又不考慮當(dāng)下吹掃氮氣的流量及溫度等因素的再生過程勢必導(dǎo)致部分能源做了無用功。這種不必要的能源浪費通過對分子篩吸附程度及再生過程中各能量結(jié)構(gòu)的分析是完全可以避免的。

1基本概念

1.1 分子篩的吸附飽和度

分子篩的吸附程度可以用分子篩的吸附飽和度來表示。針對氧化鋁和分子篩雙層床結(jié)構(gòu)的分子篩純化器,它的切換時間取決于Al2O3和分子篩吸附飽和的時間。Al2O3的最長循環(huán)時間可以根據(jù)當(dāng)前空氣溫度、濕度、Al2O3對水的吸附能力及氧化鋁的填充量計算得到。根據(jù)分子篩填充量、分子篩的吸附能力、空氣流量、床層高度等計算出分子篩達到吸附飽和時所需的時間tms，選取tal、tms中較小的作為分子篩純化器切換周期tc。

對每一時間增量，分子篩吸附能力減少：dtms/tc,則吸附飽和度[2]：

分子篩吸附飽和度也是分子篩再生過程中的一個重要參數(shù)，它決定分子篩在再生過程中所需的加熱時間。

分子篩距離飽和時間：

1.2 分子篩的再生過程

分子篩的再生過程是吸附的逆過程，又被稱為解析。解析的過程是一種物理反應(yīng)過程，即采用低壓高溫的N2對分子篩床層進行吹掃，使附著在分子篩篩孔內(nèi)及表面的吸附質(zhì)分子（CO2、H2O等）通過吸收周圍環(huán)境的熱量離開分子篩表面的同時被N2帶出分子篩吸附器的過程。且由可知再生氣量、再生溫度和再生時間都需合理分配才能使再生達到理想效果[3]。

2純化系統(tǒng)再生過程計算模型

2.1 純化系統(tǒng)再生能量模型

在這里只截取再生溫度曲線加熱階段（BC）、冷吹階段（CD）的曲線為研究對象，見圖1。

圖1 分子篩吸附溫度曲線Fig.1Molecular sieve adsorption temperature

污N2進口溫度曲線函數(shù)為f（t1），污N2出口溫度曲線函數(shù)為f（t2）。分子篩在再生過程中所要經(jīng)歷的加熱時間為tj，冷吹時間為tl=t0-tj。分子篩在再生過程中需要的總熱量為Q，其熱量構(gòu)成有四個部分：吸附器本身顯熱（Q1）、分子篩顯熱（Q2）、水和CO2的吸附熱（Q3）及熱損失（Q4，可取再生熱的20%）。

所以再生所需總熱量：

Q1、Q2可以通過熱量計算公式得到，Q3根據(jù)分子篩上一個吸附周期的H2O、CO2的累積吸附量來計算，假設(shè)只要給分子篩純化器相當(dāng)?shù)臒崃?，分子篩就可以完全解析。

理論上，分子篩再生過程在加熱階段，加熱器加熱功率一定、吸附飽和度不同時經(jīng)過時間tj，污N2代入純化系統(tǒng)的熱量恰好滿足再生所需熱量，在冷吹階段經(jīng)過時間tl，系統(tǒng)內(nèi)剩余熱量剛好滿足分子篩正常吸附工作時的顯熱。這一過程不僅使分子篩充分解析，而且加熱、冷吹時間的控制使系統(tǒng)避免了不必要的能源浪費。下面我們根據(jù)分子篩動態(tài)吸附過程中的一些參數(shù)計算分子篩再生的參考加熱及冷吹時間。

2.2 再生過程參考加熱時間

水在上一周期的累積吸附量[4]：

其中db=Ps/Pair-Ps，為空氣中水含量百分比；Rair：進純化器空氣流量，m3·h-1。Pair：入口空氣表壓，bar；Ps為水蒸汽分壓，bar；ρH2O:水的密度，0.80376kg·m-3。

CO2在上一周期的累積吸附量：

式中GCO2為入口空氣中CO2含量；ρCO2為CO2的密度，1.963kg·m-3。

設(shè)解析1kg H2O及1kg CO2所需熱量分別為q2、q1，則

再生所需總熱量[5]：

式中mg：分子篩填充質(zhì)量，㎏；cg：分子篩比熱容；ms：吸附器本身質(zhì)量，㎏；cs吸附器比熱容。

由再生溫度曲線計算的加熱過程污N2帶入系統(tǒng)熱量：

式中RN2：再生N2流量，m3·h-1；CN2：N2比熱容，0. 31kCal。

令Q*=Q,即當(dāng)上一周期累計的H2O、CO2解析所需總熱量等于再生溫度曲線加熱階段所能提供的熱量時，停止加熱，得到分子篩再生的加熱時間tj。

2.3 再生過程參考冷吹時間

若系統(tǒng)經(jīng)冷吹時間tl后，系統(tǒng)剩余熱量正好滿足分子篩下次正常工作的溫度要求，則冷吹效果最佳。由系統(tǒng)內(nèi)的熱量構(gòu)成可知，冷卻時需要帶出系統(tǒng)的熱量為：

1m3N2在t（t∈（tj，tl））時刻隨溫度變化所吸收的熱量：

在冷吹時間tl內(nèi)再生污N2帶出系統(tǒng)的熱量為：

令Q°=QC，即吸附器及分子篩本身剩余的熱量等于冷吹氮氣帶出系統(tǒng)的熱量時，冷吹完畢，進而求得分子篩再生的冷吹時間tl。

2.4 純化過程溫度曲線

以某廠20000m3·h-1空分設(shè)備為例，再生污N2流量為27000m3·h-1。通過擬合可得到分子篩進口溫度曲線為:

分子篩出口溫度曲線：

通過以上熱量計算模型計算得到，此時得到再生過程吸附床層內(nèi)部溫度分布見圖2。

圖2 再生過程吸附床層內(nèi)溫度分布Fig.2Regeneration of adsorbent bed temperature distribution

由圖2可以看出，在分子篩加熱階段曲線逐漸平滑，即加熱N2所供給系統(tǒng)的熱量與解析時H2O、CO2所吸收的熱量逐漸達到一種平衡狀態(tài)。利用純化系統(tǒng)再生過程的計算模型分別得到了分子篩的加熱時間與分子篩的冷吹時間，再生周期結(jié)束后，純化器內(nèi)溫度在20～30℃之間。

3結(jié)論

通過以上研究可知，分子篩純化系統(tǒng)的節(jié)能可從分子篩再生時的過解析或解析不徹底入手。針對這兩方面問題，本文提出的利用吸附飽和度計算吸附時間以及分子篩再生時再生系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系，在理論上分子篩應(yīng)該可以完全解析，且再生N2所提供的熱量與吸附質(zhì)解析所需熱量恰好相等，此時，分子篩既解析完全，又不存在多余的能量浪費。另外根據(jù)累計吸附的H2O、CO2量提供恰好的解析熱量，并最終冷吹結(jié)束時，系統(tǒng)內(nèi)剩余熱量正好滿足分子篩下一周期正常工作時的溫度要求大概在20℃左右。同時，通過純化器內(nèi)時間-溫度曲線可以直觀的看到在加熱、冷吹過程中純化器內(nèi)的溫度變化，方便隨時調(diào)整純化器進口N2溫度以提高分子篩再生效率。如果實際生產(chǎn)過程中，排除空氣壓力、溫度、空氣流速等因素的干擾，實現(xiàn)上述再生時的能量控制，在能量充分利用的同時避免了不必要的浪費。

［1］張振友.從分子篩純化系統(tǒng)的設(shè)計及操作談空分設(shè)備節(jié)能［J］.深冷技術(shù),2012.

［2］童國宇，趙純意.分子篩純化系統(tǒng)切換控制自動優(yōu)化研究［J］.深冷技術(shù),2008.

［3］林秀娜.大中型空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)的節(jié)能降耗設(shè)計［J］.杭氧科技,2006.

［4］李申.壓縮空氣凈化原理及設(shè)備［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2007.

［5］王曉蕾.空分用立式徑向流分子篩吸附性能研究［D］.浙江大學(xué)，2013:17-28.

Optimization scheme of molecular sieve regeneration process energy saving

JIANG Chang-hong，WANG Jing
（College of Electric and Electronic Engineering According to Changchun University of Technology,Changchun 130012，China）

According to the air separation plant molecular sieve regeneration cycle is set at the beginning of the situation,this paper presented molecular sieve regeneration cycle should be targeted.The consideration of molecular sieve adsorption process results,then angry factor flow,temperature was put into adjusting molecular sieve regeneration cycle.An energy model of molecular sieve regeneration process was set up,through the model we can be sure of the different molecular sieve regeneration energy to avoid unnecessary waste of energy.

molecular sieve；regeneration；energy model

TQ116.11

A

1002-1124（2014）02-0064-03

2013-11-08

姜長泓（1969-），男，教授，博士，2006年畢業(yè)于吉林大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)。

王靜（1986-），女，碩士研究生，長春工業(yè)大學(xué)，測試計量技術(shù)及儀器在讀。