NW-Ⅲ新型分子篩在空分裝置上的應(yīng)用

張 虎， 荀志偉

(靈石中煤化工有限責(zé)任公司，山西 靈石 031303)

引 言

空分裝置通常均有前置式空氣凈化裝置。其目的是脫除空氣中的水分和二氧化碳(CO2在空氣中含量為400×10-6),因為H2O和CO2的凝固點均高于空氣分離的液化溫度，所以他們的凝固會堵塞冷箱的換熱設(shè)備，而吸附凈化則是一種安全有效的方法。

1 分子篩吸附器的吸附原理與吸附劑

1.1 吸附原理

吸附是一種把氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì)(吸附質(zhì))固定在固體表面(吸附劑)上的物理現(xiàn)象[1]。這種固體(吸附劑)具有微孔的活性表面，吸附質(zhì)的分子受到吸附劑引力的作用，從而固定在上面。

引力的大小取決于：吸附劑表面的構(gòu)造(微孔率)、吸附質(zhì)的分壓、溫度。吸附伴隨著放熱，是一種可逆的現(xiàn)象，類似于凝結(jié)。如果增加壓力，吸附能力增加，再降低溫度，吸附能力繼續(xù)增加。因此，在吸附時，壓力升高，溫度降低有利于吸附。反之，壓力降低，溫度升高有利于解吸。

1.2 吸附劑

吸附劑有分子篩、活性氧化鋁。一般把僅使用分子篩吸附的叫單層床吸附器。而把使用分子篩、氧化鋁兩種吸附劑的吸附器叫雙層床吸附器。

空分上的分子篩目前使用較多的是13X-APG型分子篩。利用其顆粒內(nèi)部多孔性，以及對極性分子具有較強(qiáng)的親和力，有選擇地吸附水分、乙炔、二氧化碳等雜質(zhì)，可以使空氣得到純化[2]。由于空氣中的有害物質(zhì)，如二氧化硫、氯化氫、氯和一氧化氮等，同時也會被分子篩吸附，會生成酸性腐蝕物質(zhì)，直接與分子篩發(fā)生反應(yīng)，在遇水的情況下，使分子篩內(nèi)部晶格遭到破壞，從而影響分子篩的使用壽命[3]。故大中型空分設(shè)備在分子篩純化系統(tǒng)前設(shè)置空氣預(yù)冷系統(tǒng)，對空氣中的酸性組分、氨氣等進(jìn)行洗滌凈化，并對空氣進(jìn)行降溫，以提高分子篩的使用壽命和吸附容量。

活性氧化鋁具有抗壓強(qiáng)度高、磨耗率低、不粉化、不爆裂等特點。其抗冷、熱的突變性也很強(qiáng)[4]。在空氣飽和含水量高時有較好的吸水性，而且與分子篩等高度的床層下，阻力也更低。

活性氧化鋁價格相對較低，所以一般在處理空氣溫度較高(15 ℃～20 ℃左右)、飽和含水量較大時，通常在吸附床層空氣進(jìn)口均設(shè)置活性氧化鋁，利用它對空氣進(jìn)行初步干燥，更經(jīng)濟(jì)，節(jié)能。所以現(xiàn)在大中型空分中選擇雙層床吸附器較為普遍。

2 新型分子篩和普通分子篩對比

結(jié)構(gòu)上普通13X-APG分子篩和新型分子篩NW-Ⅲ均屬于13X型分子篩，關(guān)鍵是將結(jié)構(gòu)中的硅鋁比降低(從1.2降到接近1)硅鋁比越接近1，分子篩的低分壓下吸附CO2的能力就越好。

由第159頁圖1可見，在低二氧化碳分壓下，NW-Ⅲ比13X-APG高出約70%的吸附容量，這樣的特性對新裝置設(shè)計和既有裝置改造均有好處。

圖1 低CO2分壓下不同型號分子篩的吸附容量

1) 升級到新型分子篩NW-Ⅲ可使既有空分裝置達(dá)到以下幾種情況。

①大氣中CO2濃度不變的情況下，可以處理更多的空氣量。

②大氣中CO2濃度不變的情況下，可以處理進(jìn)氣溫度更高的空氣。

③大氣中CO2濃度不變的情況下，吸附時間可以延長，這樣減少分子篩的再生頻次，降低分子篩的老化速率，延長分子篩的使用壽命，可以節(jié)省再生能耗，尤其是以電加熱器為主加熱源的。切換頻次的降低也會對閥門的使用壽命延長。

④大氣中CO2濃度明顯上升的情況下，可以提供更多的吸附余量，保證在一定的吸附時間下出口空氣質(zhì)量達(dá)到空分要求。

2) 新空分裝置在設(shè)計時采用高效分子篩NW-Ⅲ，可以達(dá)到以下兩種情況。

①在保證一定的吸附時間條件下，純化器的尺寸以及加熱器的功率都可以減少，從而降低制造成本。

②在保證一定的吸附時間條件下，進(jìn)氣溫度要求可以提升，從而可以降低冷水機(jī)組的功率。

3 應(yīng)用實例

靈石中煤化工有限責(zé)任有限公司空分裝置分子篩吸附器為立式雙層床，下部為活性氧化鋁型號為3-5A，裝填量為2×1.6 t，裝填高度0.4 m。上部為分子篩型號為13X-APG 4×8目，裝填量為2×8 t，裝填高度1.5 m。活性氧化鋁與分子篩使用周期為5年半。2018年3月利用大修對其更換為新型分子篩。活性氧化鋁型號為NW-301 3 mm～5 mm，裝填量為2×1.5，裝填高度0.3 m。新型分子篩型號為NW-Ⅲ4×8目，裝填量為2×8.8 t，裝填高度1.85 m。

實際運行結(jié)果如下。①將分子篩切換再生周期由4 h延長為6 h。②增加加溫及冷吹時間。經(jīng)估算分子篩吸附器再生電耗年可以節(jié)約22萬元。見表1。

表1 新舊分子篩運行數(shù)據(jù)對比表

4 結(jié)論

分子篩吸附器是影響空分裝置長周期運行的關(guān)鍵設(shè)備之一，分子篩目前使用較多的是13X-APG型分子篩。利用其顆粒內(nèi)部多孔性，以及對極性分子具有較強(qiáng)的親和力，有選擇地吸附水分、乙炔、二氧化碳等雜質(zhì)，可以使空氣得到純化。目前分子篩吸附性能也在不斷提高。近年來，有些公司已經(jīng)開發(fā)出第二代、第三代分子篩，其吸附容量大幅提高。不僅有利于節(jié)省設(shè)備的投資，節(jié)省再生能源。在國家提倡節(jié)能減排的大環(huán)境下，新型分子篩在空分裝置上的應(yīng)用勢必將越來越普遍。