分子篩性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)體系建立研究

胡蘇陽(yáng)，花亦懷，曾偉平，李秋英(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

在分子篩性能篩選評(píng)價(jià)體系的研究中，由于影響因素眾多、且彼此有一定關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致指標(biāo)量在一定程度上有所重迭，研究樣本的分布規(guī)律也比較復(fù)雜。而層次分析法(AHP)可以將復(fù)雜的關(guān)聯(lián)情況簡(jiǎn)化，先通過(guò)綜合評(píng)價(jià)因子替代原來(lái)的指標(biāo)量，再按照不同權(quán)重將評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。這種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的處理對(duì)于研究分子篩的工程化應(yīng)用具有重要意義。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

針對(duì)分子篩吸附性能及脫附再生性能，大部分研究采用的主要性能研究指標(biāo)如下。

1.1 吸附容量

是評(píng)價(jià)吸附劑優(yōu)良與否的基礎(chǔ)指標(biāo)。大部分研究是以特定條件下(溫度、壓力)的吸附容量作為篩選吸附劑及吸附劑合成品質(zhì)優(yōu)良的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 吸附速率

在實(shí)際工程中有較大意義。吸附速率越高則可越快達(dá)到平衡，用于吸附的設(shè)備體量就越小，單位時(shí)間的原料氣處理量就越大。

1.3 吸附選擇性(分離系數(shù))

在實(shí)際工程中有較大意義。用來(lái)判斷某一吸附劑對(duì)原料氣中不同組分優(yōu)先吸附的能力。

1.4 化學(xué)穩(wěn)定性(熱穩(wěn)、水穩(wěn))

熱穩(wěn)定性：通過(guò)觀測(cè)高溫下的吸附劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

水穩(wěn)定性：大部分研究表明分子篩的吸附量會(huì)受相對(duì)濕度和吸附循環(huán)次數(shù)的影響。對(duì)原料氣中水分含量較大的研究意義較大。

1.5 抗壓強(qiáng)度(堆積密度研究)

對(duì)實(shí)際工程中的大型吸附容器具有較大研究?jī)r(jià)值，吸附劑抗壓強(qiáng)度越高就說(shuō)明其機(jī)械穩(wěn)定性越好，更適用于氣體處理設(shè)備中的大型容器。

1.6 吸附劑磨損率

受磨損的吸附劑其結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化，從而影響吸附性能。磨損率在移動(dòng)床及流化床吸附工藝中研究較多，以一段吸附時(shí)間過(guò)后吸附劑的損失質(zhì)量與原質(zhì)量比值進(jìn)行判斷。

1.7 吸附劑使用壽命(循環(huán)使用性)

目前大部分分子篩吸附劑壽命為4～5年，部分研究針對(duì)吸附劑的壽命進(jìn)行研究，以期開發(fā)出壽命更長(zhǎng)、能耗更低、成本更低的滿足工程實(shí)際需求的新型吸附劑[1]。

1.8 再生時(shí)間

再生時(shí)間可與吸附速率協(xié)同研究，吸附速率快再生時(shí)間短就可有效減小吸附容器體積，減少吸附劑用量。

1.9 再生度(解吸量)

品質(zhì)優(yōu)良的吸附劑必須滿足吸附量大、易再生且再生程度完全的要求。

根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行分子篩工業(yè)應(yīng)用性能指標(biāo)的選取，應(yīng)滿足能夠直接反映出分子篩吸附劑的吸附、脫附性能以及工業(yè)應(yīng)用所需滿足的性質(zhì)條件。吸附性能選取的指標(biāo)有吸附量和分離系數(shù)；再生性能選取的指標(biāo)有再生度和再生時(shí)間；應(yīng)用性能選取的指標(biāo)為磨損率和價(jià)格。

2 評(píng)價(jià)體系建立及權(quán)重確定

AHP法建立的評(píng)價(jià)體系靈活簡(jiǎn)便，可兼顧定性定量?jī)煞N分析方法處理各種評(píng)價(jià)指標(biāo)，迅速地在我國(guó)諸如工程計(jì)劃、性能評(píng)價(jià)、能源系統(tǒng)分析、經(jīng)濟(jì)管理、科研評(píng)價(jià)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

利用層次分析法對(duì)分子篩性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)并確定多指標(biāo)評(píng)價(jià)的權(quán)重，要先進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)層次的劃分。對(duì)分子篩性能篩選過(guò)程的評(píng)價(jià)指標(biāo)層次劃分如圖1所示。

圖1 分子篩性能評(píng)價(jià)層次劃分圖

如圖1所示，將分子篩性能評(píng)價(jià)層次分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層三種。其中目標(biāo)層G為最高層，內(nèi)容為期望達(dá)到的目標(biāo)，這個(gè)目標(biāo)要求是唯一的，即篩選出綜合性能最優(yōu)的分子篩吸附劑。

準(zhǔn)則層中采用的準(zhǔn)則元素即為評(píng)判分子篩性能的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，上層準(zhǔn)則層A中包括吸附性能、再生性能和經(jīng)濟(jì)成本；下層準(zhǔn)則層B中包括吸附量、分離系數(shù)(吸附選擇性)兩個(gè)評(píng)價(jià)吸附性能的指標(biāo)因素，再生時(shí)間和再生度(解吸量)兩個(gè)評(píng)價(jià)再生性能的指標(biāo)因素，以及價(jià)格這一經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)因素。準(zhǔn)則層B中的所有元素分別劃歸為準(zhǔn)則層A元素的下屬，可由前期調(diào)研以及進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)的探究得到。

為達(dá)到從各種分子篩中選出性能最優(yōu)分子篩的目的，層次劃分的基層為方案層，包括可供選擇的所有不同種類、型號(hào)的分子篩。

本次建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，在比較吸附性能、再生性能及經(jīng)濟(jì)成本的重要程度時(shí)，考慮到吸附性能會(huì)直接影響分子篩吸附CO2的吸附效果，而再生性能關(guān)乎工藝中分子篩穩(wěn)定循環(huán)利用的效果，因此將兩者放在近似相等的重要程度上。經(jīng)濟(jì)成本也是分子篩篩選中重要的考量標(biāo)準(zhǔn)，目前市場(chǎng)上的分子篩出廠條件均有所差異，且當(dāng)分子篩的經(jīng)濟(jì)成本被攤銷到實(shí)際工藝的使用周期中，在總的成本中所占的比重并不起決定作用，且相對(duì)于傳統(tǒng)胺法脫酸工藝相比，其工藝成本也已經(jīng)大大降低，因此更重要的是考慮吸附性能和再生性能這兩個(gè)直接影響工藝效果的因素，經(jīng)濟(jì)成本與性能相比重要程度稍低。

對(duì)于第三評(píng)價(jià)層次，吸附性能中有吸附量和分離系數(shù)兩個(gè)元素，由于所評(píng)價(jià)的分子篩選擇的是不同種類及型號(hào)的產(chǎn)品，其本身的吸附量和分離系數(shù)均有很大的不同，對(duì)分子篩的吸附效果產(chǎn)生直接影響，因此認(rèn)為兩者具有同等重要程度，而吸附選擇性直接關(guān)系到分子篩能否適用于天然氣脫碳，因此認(rèn)為分離系數(shù)比前者的重要程度稍高。再生性能中有再生度和再生時(shí)間兩個(gè)元素，分子篩再生后的最終效果關(guān)系整體循環(huán)工藝的下一次的吸附脫碳效果，要比再生的時(shí)間重要，因此認(rèn)為再生度比再生時(shí)間的重要程度稍高。經(jīng)濟(jì)成本對(duì)應(yīng)的元素只有價(jià)格，其重要程度完全傳遞給了這一個(gè)元素。

3 構(gòu)建評(píng)價(jià)模型

綜合評(píng)價(jià)需要通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值量化，這樣被評(píng)價(jià)對(duì)象才能有較為全面的評(píng)價(jià)，常用的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型有：線性加權(quán)法、非線性加權(quán)法、增益型線性加權(quán)法，以及理想點(diǎn)法。

其中，增益型線性加權(quán)法是首先針對(duì)無(wú)量綱化的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)造增益函數(shù)，再在此基礎(chǔ)上構(gòu)建具有增益作用的線性加權(quán)評(píng)價(jià)函數(shù)。該方法能夠利用各段的增益體現(xiàn)指標(biāo)的梯級(jí)價(jià)值，評(píng)價(jià)值與指標(biāo)值不呈線性關(guān)系，可以避免線性加權(quán)容易產(chǎn)生的指標(biāo)偏廢的問(wèn)題，與吸附劑篩選中的部分指標(biāo)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)一致。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)AHP法建立了分子篩性能篩選所用的評(píng)價(jià)方法。首先選擇了有關(guān)分子篩性能的原始評(píng)價(jià)指標(biāo)；其次通過(guò)層次分析法劃分了分子篩性能評(píng)價(jià)的層次；最后構(gòu)建適用于分子篩性能篩選的評(píng)價(jià)模型，為最優(yōu)分子篩的性能篩選奠定了理論方面的基礎(chǔ)。