關(guān)于立式徑向流吸附器具體結(jié)構(gòu)的討論

潘 明，吳一峰，阮利程，王 波

(中國空分設(shè)備有限公司，浙江杭州310051)

隨著國內(nèi)石油化工、煤化工采用生產(chǎn)工藝的多樣性以及規(guī)模不斷趨于大型化，與之配套的空分裝置特別是內(nèi)壓縮空分裝置亦隨之產(chǎn)品規(guī)格多樣化、規(guī)模等級大型化。現(xiàn)代大型空分裝置中主要組成系統(tǒng)之一的空氣純化系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作，是保證空分裝置長期連續(xù)穩(wěn)定運行的先決條件。其中，分子篩吸附器出口加工空氣中二氧化碳含量超標(biāo)對空分裝置影響很大，長期超標(biāo)對空分裝置的運行會造成安全隱患。因此，如何確保分子篩吸附器出口空氣二氧化碳含量穩(wěn)定不超標(biāo)，是整個純化系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。

空分純化系統(tǒng)一般是由兩臺分子篩吸附器、再生加熱器(熱源為蒸汽加熱或電加熱)、切換閥組、消音器以及相應(yīng)工程管道等組成。

現(xiàn)代分子篩吸附器一般有兩種型式:臥式水平床吸附器、立式徑向流吸附器。前者最主要特點是:作為吸附劑的分子篩、鋁膠(Al2O3)分別以水平方式上下層置放，吸附劑層不限位，可浮動。后者最主要特點是:吸附劑分別置于三層垂直圓筒形格柵(篩網(wǎng))之間，由外到里1～2層之間置放鋁膠、2～3層之間置放分子篩，吸附劑受格柵限位為固定狀態(tài)。其它有關(guān)兩種吸附器型式結(jié)構(gòu)、使用性能比較、各自適用場合以及能耗對比等都有比較多的相關(guān)評論文章發(fā)表過，在此就不再贅述。

目前，大型空分裝置中兩種型式吸附器都在使用，國外廠家如:法液空公司、林德公司都較早在各種規(guī)模空分裝置均有使用，國內(nèi)廠家在2萬～4萬(均指氧氣小時立方米產(chǎn)量，下同)及以上空分裝置有使用。本文主要針對立式徑向流吸附器相關(guān)具體結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行一些探索討論。

1 立式徑向流吸附器的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計理念及控制要點

國內(nèi)各空分裝置制造廠家生產(chǎn)的吸附器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，具體結(jié)構(gòu)大同小異。如圖1所示，正常工作時，正流加工空氣從底部入口引入，由外向里流動通過吸附劑后進(jìn)入內(nèi)置中心筒，然后由上部出口引出。返流污氮自上部入口引入內(nèi)置中心筒，由里向外流動通過吸附劑然后在底部出口引出。中心筒具有氣流分布作用，能使氣流更均勻的通過吸附劑。此種吸附器主要優(yōu)點是氣體流向都是周向垂直于三層格柵(篩網(wǎng))流動，使氣流在內(nèi)部更均勻通過各層吸附劑，從而減少吸附劑使用量。一直以來各制造廠對氣流通過格柵流線(流速)流動場不斷模擬調(diào)整，通過不斷改善格柵開孔形狀、排列方式、軸向開孔率變化以及采用增加中心特殊形狀結(jié)構(gòu)內(nèi)置物等措施，目的是使得正流加工空氣和返流污氮氣沿軸向轉(zhuǎn)徑向垂直通過格柵層在整個床層高度上都有一定大小不變的流速。這就從機(jī)理上保證了正流加工空氣通過吸附器床層各個部位吸附速度和吸附雜質(zhì)量均勻一致，因而各個部位吸附劑達(dá)到飽和時間也是相同的。同樣情況，返流污氮氣加熱、冷吹各個部位吸附劑雜質(zhì)解吸所需時間也是相同的。

圖1 立式徑向流吸附器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Vertical radial flow adsorber structure diagram

大型空分裝置都配置兩臺分子篩吸附器切換使用，一般采用4 h正流加工空氣吸附凈化，4 h返流污氮氣加溫、冷吹解吸雜質(zhì)，8 h為一個循環(huán)工作周期。

空分裝置運行中，兩臺分子篩吸附器工作是否穩(wěn)定正常，一般操作中最主要的控制工藝指標(biāo)為:首先是吸附器正流加工空氣在4 h吸附凈化后，在出口處CO2含量是否始終穩(wěn)定在(0.4～1)×10－6(一般為＜0.4×10－6);其次是同一臺吸附器返流污氮氣在4 h加熱及冷吹過程中進(jìn)出口溫度曲線是否正常(與歷史記錄曲線相比較)。切換使用中的兩臺吸附器同時滿足以上兩項指標(biāo)，則可認(rèn)為整個純化系統(tǒng)工作是正常穩(wěn)定的。

2 運行中立式徑向流吸附器結(jié)構(gòu)存在的缺陷

筆者接觸到的多套2萬～4萬等級空分裝置在立式徑向流吸附器的設(shè)計中，設(shè)計者采取成熟的設(shè)計、計算方法，包括上節(jié)所述使正流加工空氣(返流污氮氣)沿吸附器軸向轉(zhuǎn)徑向穿過吸附劑流線(流速)盡可能一致的設(shè)計理念，各個制造廠在這些方面都做了很多工作。但實際情況是，裝置建成投產(chǎn)一段時間后(時間長短不一)，吸附器使用情況也良好，具體表現(xiàn)在前一節(jié)所提到的吸附器運行中最主要控制工藝指標(biāo)都合乎要求，但是裝置分別會在投運后幾個月、半年或者一年多，甚至幾年后(期間經(jīng)過幾次大加溫)，在吸附器吸附末期，經(jīng)常出現(xiàn)出口空氣中CO2含量超標(biāo)現(xiàn)象，對裝置進(jìn)行大加溫后短期內(nèi)情況好轉(zhuǎn)，但同樣的問題仍會重復(fù)出現(xiàn)，往往不能從根本上徹底消除。

在以上裝置運行操作中，二氧化碳含量出現(xiàn)超標(biāo)情況下，此時返流污氮氣加熱、冷卻曲線往往變化并不大。一旦此情況出現(xiàn)，采取如下一些常規(guī)的處理措施:檢查吸附劑粉化情況并增補吸附劑;縮短吸附器切換間隔時間;減少加工空氣量;以及加大再生氣量與再生溫度等措施也都效果不明顯。經(jīng)過反復(fù)試驗并對吸附器具體結(jié)構(gòu)細(xì)致分析，認(rèn)為可以排除設(shè)計、參數(shù)選取以及操作運行不當(dāng)?shù)确矫娴脑颍詈髲脑O(shè)備結(jié)構(gòu)方面尋找原因，認(rèn)為矛盾集中在吸附器頂部局部結(jié)構(gòu)設(shè)計存在固有缺陷。

圖2 吸附器局部示意圖Fig.2 Adsorber local map

為了分析討論方便，對圖1中框圖A放大，見圖2:吸附器局部示意圖。對圖2中框圖B放大，見圖3:吸附器頂端局部流線變化示意圖。

如圖2所示:立式徑向流吸附器頂部懸掛有三層同心圓筒形格柵，三層格柵之間外圈填鋁膠，內(nèi)圈填分子篩。為了承重需要(鋼結(jié)構(gòu)重量及吸附劑重量)以及防止吸附劑粉化下沉產(chǎn)生未經(jīng)吸附凈化的加工空氣直接“短路”進(jìn)入到已經(jīng)凈化后的空氣中，吸附器頂部有三層(分別與三層筒形格柵對應(yīng)焊接連接)加厚無孔氣流阻斷圓筒形鋼圈(高度大概1 m)，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，正是由于這一結(jié)構(gòu)設(shè)置，在三層有孔圓筒形格柵與三層無孔圓筒形鋼圈連接處，正流加工空氣與返流污氮氣的流線(流速)發(fā)生變化(相對正常設(shè)計流線而言)，這一變化直接導(dǎo)致出分子篩吸附器的加工空氣CO2含量超標(biāo)。

如圖3中，吸附器頂端局部流線變化示意圖。有孔格柵與無孔鋼圈連接處上下附近，正、返流流體流線都發(fā)生了變化，由a流線(正常設(shè)計流線)向上漸次變化為b流線，進(jìn)而向上愈近吸附器頂部流速漸小并趨于不流動狀態(tài)。

圖3 吸附器頂端局部流線變化示意圖Fig.3 The top of the adsorber local schematic flow change

這一現(xiàn)象說明，在吸附器頂部三層無孔鋼圈之間吸附劑在4 h正流加工空氣通過氣量偏少，吸附雜質(zhì)總量也是偏少的;同樣道理，在4 h返流污氮氣流量也是偏少的，用于加熱所需的總熱量也是偏少的。加熱后溫度始終達(dá)不到完全解吸所需溫度，因此三層無孔鋼圈之間吸附劑所吸附雜質(zhì)雖少，但達(dá)不到充分解吸，CO2殘存在吸附劑中，三層無孔鋼圈之間的吸附劑雜質(zhì)達(dá)到飽和含量并不斷向頂部上移，最后形成少量未經(jīng)吸附劑吸附的加工空氣“短路”進(jìn)入到已經(jīng)吸附的正流空氣中?！岸搪贰边M(jìn)入的空氣量大到一定程度，則加工空氣出吸附器處CO2含量將會超標(biāo)。

上面提到的多套空分設(shè)備雖然屬于不同的制造廠家，吸附器規(guī)模等級、局部結(jié)構(gòu)有所不同，但都存在經(jīng)過一段時間使用后，遲早都會出現(xiàn)如圖3中a流線與b流線曲線之間或者b流線曲線與頂部之間形成未經(jīng)吸附加工空氣直接“短路”混入已經(jīng)吸附后加工空氣中。顯而易見，這種結(jié)構(gòu)缺陷隨吸附器切換使用次數(shù)增加以及使用時間加長，最終都會不可避免出現(xiàn)加工空氣出口的CO2升高超過1×10－6甚至更高，無非是時間長短而已。

3 在用立式徑向流吸附器結(jié)構(gòu)改造

通過以上分析，本文所提及的純化系統(tǒng)中，如圖2吸附器結(jié)構(gòu)，在吸附器頂部形成局部“死腔”，三層無孔鋼圈段吸附劑在4 h返流污氮通過氣量少，且達(dá)不到該段吸附劑中雜質(zhì)解吸所需溫度。由下而上漸次達(dá)到飽和，日積月累形成少量未經(jīng)吸附的加工空氣“短路”進(jìn)入經(jīng)吸附主加工空氣中，最終導(dǎo)致CO2含量超標(biāo)。這就是此類故障的癥結(jié)所在。故障癥結(jié)找到了，下面就可以就此類問題實施針對性改進(jìn)措施。

筆者接觸到的已投運多套空分裝置中，有多家用戶已經(jīng)采用將吸附器頂部的4～6個鋁膠裝填口上法蘭各焊接Φ50短管，然后將各短管接入較大口徑形狀環(huán)管，較大口徑環(huán)管上引出接管連接新增加污氮放空調(diào)節(jié)閥，用以污氮直接放空使用。4～6個分子篩裝填進(jìn)料口也以同樣方式接污氮放空閥一只，直接放空使用。兩臺吸附器同樣改造。

每臺吸附器新增加兩只調(diào)節(jié)閥工作方式:所增加調(diào)閥兩只分別與本臺吸附器的加熱返流污氮氣進(jìn)口調(diào)節(jié)閥同步開啟同步關(guān)閉。如此局部改造的目的是加大通過三層無孔鋼圈段吸附劑的返流污氮氣流量(直接排放大氣，壓差較大，氣量充足)，保證該區(qū)域吸附劑能徹底解吸。從而保證吸附器長期穩(wěn)定運行。

正在設(shè)計制造中的立式徑向流吸附器若仍采用圖2所示吸附器結(jié)構(gòu)，特別是頂部結(jié)構(gòu)未采取其他特殊優(yōu)化措施情況下，建議采用上面提及的改進(jìn)措施。目前掌握情況還沒有其它更好的措施從設(shè)備設(shè)計上進(jìn)行完全避免。

4 結(jié)束語

在工業(yè)企業(yè)中空分裝置在運行中會不斷暴露出各種問題，只有對出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效的處理，裝置運行才能不斷的優(yōu)化，實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。以上討論內(nèi)容定存不當(dāng)之處，請各制造廠家及設(shè)計者指正。