近五六年來，隨著國內(nèi)變壓吸附制氮技術(shù)的不斷成熟，其使用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，從開始的煤炭系統(tǒng)的井下氮封滅火、機(jī)電系統(tǒng)的氮氛氣熱處理、化工系統(tǒng)的原料加工提純氮封保護(hù)，到食品工業(yè)的食品果品保鮮、啤酒業(yè)的替補(bǔ)二氧化碳?xì)獾牟蛔愕龋⒔允艿搅擞脩舻臍g迎。為了讓更多的用戶了解變壓吸附制氮技術(shù)并使用變壓吸附制氮裝置，本篇就變壓吸附制氮裝置的設(shè)計(jì)、調(diào)試中出現(xiàn)的故障及使用中須注意的問題作一簡述。1變壓吸附制氮裝置的工作原理

　　變壓吸附制氮裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)是變壓吸附理論。吸附的基體為各類吸附劑，如：鋁膠、硅膠、活性炭及分子篩。在變壓吸附制氮裝置當(dāng)中，吸附劑大多采用各類分子篩(沸石分子篩、碳分子篩)，各類分子篩有其吸附的特定選擇性，如制氮吸氧常采用3A碳分子篩，而吸附H20、C02多選用13X沸石分子篩。變壓吸附制氮裝置的工作原理：潔凈的帶壓空氣(氧氮混合氣)通過某種碳分子篩，其中的大部分氧氣及剩余的微量水分被分子篩吸附，氮?dú)鈩t未能被吸附而排放出來，此為吸附制氮階段。而在壓力減低為大氣壓或負(fù)壓下，分子篩吸附氧的能力下降則解析出其在受壓狀態(tài)下所吸附的氧、水，此為解析再生(制氧)階段。解析后的分子篩又可以進(jìn)行下一周期的吸附制氮階段，循環(huán)反復(fù)，從而得到一定純度氮?dú)猓瑫r(shí)得到一定純度的富氧空氣。其裝置模塊圖見圖1。

　　2設(shè)計(jì)

　　根據(jù)變壓吸附技術(shù)，按照不同用戶的不同需要，設(shè)計(jì)制造出多種不同技術(shù)性能參數(shù)的變壓吸附制氮裝置。下面以石化系統(tǒng)某廠用于加氫白油工程的200m3／h、純度99.9%的制氮裝置為例(工藝流程見圖2)，對有關(guān)方面進(jìn)行簡單論述。2.1裝置主要技術(shù)參數(shù)

　　氮?dú)猱a(chǎn)魚：200m3／h(20℃、0.1MPa絕壓)；氮?dú)饧兌龋?9.9%(含氧量小于0.1%)；氮?dú)夤?yīng)壓力：0.6MPa。2.2分子篩的選擇及量的確定

　　根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)、各分子篩的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及裝置所要求的技術(shù)參數(shù)，該裝置選用德國BP公司的最新185型碳分子篩，其某工況下的性能數(shù)據(jù)：(1)整體密度：610~630g／1；(2)平均顆粒直徑：2.3~2.5mm；(3)PSA產(chǎn)氮量：99.9%N2時(shí)，大于115m3／h·t；(4)PSA提取率：大于27%N2／空氣。

　　以上幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)對加工空氣的壓力、露點(diǎn)、含油量皆有一定的要求。選用BF分子篩的理由為：如采用國產(chǎn)分子篩則所需分子篩量相應(yīng)較大，所配置的吸附筒容積也相應(yīng)增大，而且單級吸附也較難達(dá)到所需純度要求。參照分子篩的有關(guān)參數(shù)，通過比照就可以確定在所需壓力0.6MPa、純度99.9%N2時(shí)所配備的分子篩量Q1。

　　2.3空氣壓縮系統(tǒng)、冷干機(jī)系統(tǒng)的確定

　　由于分子篩對加工空氣的壓力、露點(diǎn)、含油量皆有較高的要求，因此常選用無油潤滑空壓機(jī)或油潤滑空壓機(jī)加多級油霧過濾器來保證對含油量的要求；選用冷干機(jī)來保證其對空氣的露點(diǎn)要求。在該裝置中，采用無油潤滑空壓機(jī)，其技術(shù)數(shù)據(jù)：加工空氣量10m3／h(Q2)、出口壓力0.8MPa。而冷干機(jī)所要求達(dá)到的壓力露點(diǎn)不大于5℃。

　　2.4吸附器系統(tǒng)的參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　吸附器系統(tǒng)是整套裝置的核心，其設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量直接影響到整套裝置的性能和壽命。而吸附器不同的參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，也有著其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。如何達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，制造商務(wù)有不同的看法。

　　2.4.1吸附器的參數(shù)設(shè)計(jì)

　　①吸附器最小直徑D0的確定

　　吸附器的設(shè)計(jì)首先考慮的是吸附器的空塔速度V0，不同性能的吸附劑其允許的空塔速也各有差別。根據(jù)加工空氣量Q2與空塔速度V0就可以計(jì)算出吸附器最小直徑D0。

　　②吸附器容積V的確定

　　吸附器容積V由三部分組成：裝填分子篩Q1所需的容積V1，相關(guān)結(jié)構(gòu)件所占的容積V2以及其它緩沖、均布穩(wěn)定氣流所需的容積V3；即V=V1+V2+V3；其中V，由參數(shù)設(shè)計(jì)確定，V2、V3由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　2.4.2吸附器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　①吸附器高徑比的確定

　　吸附器高徑比決定了吸附器是矮胖型還是細(xì)長型。采用矮胖型低床層設(shè)計(jì)，分子篩利用率高，吸阻小，壓損少，而器體制造相對困難。采用細(xì)長型高床層設(shè)計(jì)，吸阻大，但能使氣流沿吸附器軸向均勻擴(kuò)散達(dá)到等溫吸附，以及較高的純度吸附要求。

　　②吸附器數(shù)量的確定

　　吸附系統(tǒng)按吸附器的數(shù)量可分為單塔、雙塔及多塔系統(tǒng)，考慮到整個(gè)裝置的實(shí)際情況，如壓縮機(jī)供氣的經(jīng)濟(jì)性、排氣的連續(xù)性、所需設(shè)備的復(fù)雜程度以及制造成本的高低，常取雙塔和三塔流程，而雙塔流程在制氮裝置中尤為多見，其整個(gè)裝置包括兩只吸附器和一只緩沖容器。

　　③吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括床層的確定和各種輔助結(jié)構(gòu)，如上下過濾器、導(dǎo)流器、壓緊機(jī)構(gòu)、氣體均布器等的設(shè)計(jì)。吸附器通常可分單層床和雙層床，結(jié)構(gòu)見圖3，兩種結(jié)構(gòu)上下通氣口皆設(shè)有過濾器、氣體分布器。

　　單層床結(jié)構(gòu)在分子篩吸附劑上設(shè)有絲網(wǎng)孔板、氣缸壓緊裝置，在吸附器工作時(shí)，氣缸活塞受壓差產(chǎn)生一個(gè)下推力并通過絲網(wǎng)孔板把分子篩壓緊，避免了因氣流過大而造成的分子篩沸騰流化、過濾器絲網(wǎng)被沖擊破損現(xiàn)象，從而延長分子篩的壽命，保證吸附器的正常運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)簡單可靠，在氣缸活塞允許的行程內(nèi)，能很好地克服分子篩沸騰粉塵現(xiàn)象。而雙層床結(jié)構(gòu)設(shè)置了雙層填料，在分子篩上部增添了壓緊填料，兩者之間通過絲網(wǎng)隔開，在吸附器工作時(shí)，依靠壓緊填料的重量壓緊絲網(wǎng)分子篩，同樣起到單層床壓緊裝置的作用，并不受以上所說的行程限制，但該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)或裝配不當(dāng)?shù)那闆r下，運(yùn)行時(shí)中會發(fā)生中間絲網(wǎng)傾斜造成分子篩和壓緊填料相混合的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致分子篩的加劇磨損。

　　④動(dòng)作閥的選擇

　　雙塔流程當(dāng)中兩只吸附器的周期性交替工作，是通過由程序控制器控制的電磁(氣動(dòng))閥來完成的。由于切換周期短、閥的動(dòng)作頻繁，因此要求所選用的閥壽命在50萬次以上，并且某些閥須有雙向通氣的功能。確定了閥的類型之后，再根據(jù)各閥所通過的氣量及一般所采用的流速確定該閥的通徑和規(guī)格。如該裝置選用了本公司自制的DN50、DN80、DNl00電磁氣動(dòng)蝶閥，壽命長，密封性好。

　　2.5產(chǎn)品氣緩沖罐的設(shè)計(jì)及產(chǎn)量測定系統(tǒng)的選用

　　由于采用雙塔流程，產(chǎn)品氣的排出有較大的壓力波動(dòng)性，選用一定容積的緩沖罐對改善吸附器的工作狀況和產(chǎn)品氣的穩(wěn)定供出皆有較大的好處。緩沖罐容積的大小與裝置氣體產(chǎn)量有關(guān)，每個(gè)周期產(chǎn)生的脈動(dòng)氣量對緩沖罐壓力不致引起太大的波動(dòng)是緩沖罐容積選取的原則，一般壓力波動(dòng)△p不超過0.1MPa。

　　對于中小型的裝置，、其產(chǎn)量測定常采用法蘭孔板形式，氣流通過孔板產(chǎn)生的壓差通過差壓變送器轉(zhuǎn)換成某一電流信號，再通過二次儀表把這電流信號以流量單位顯示出來。通過該結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到自動(dòng)控制產(chǎn)品流量在所需值的目的。

　　2.6過濾系統(tǒng)

　　根據(jù)用戶的產(chǎn)品氣(氮?dú)?的使用環(huán)境，過濾系統(tǒng)有時(shí)是必不可少的。在該裝置上，配備了粗、細(xì)兩種過濾器，粗過濾器為帶反吹的切換型結(jié)構(gòu)，細(xì)過濾器選用一次性可換芯的精過濾器，過濾精度達(dá)0.01μm。

　　2.7控制系統(tǒng)

　　碳分子篩有其顯著的特性：第一，受水分影響時(shí)，對其它氣體的吸附性減弱，表面硬度下降，表現(xiàn)在整機(jī)性能上就是純度下降，產(chǎn)品氣夾帶粉末，導(dǎo)致動(dòng)作閥故障。第二，受油分影響后，由于對油分未能進(jìn)行解析再生，分子篩最終失效。為了使分子篩發(fā)揮其正常性能、保證吸附器的正常工作，在各機(jī)組的常規(guī)控制保護(hù)基礎(chǔ)上，裝置視情況的不同布置有進(jìn)吸附器空氣溫度設(shè)定連鎖，冷干機(jī)的冷凝水排出故障報(bào)警，產(chǎn)品純度超標(biāo)報(bào)警等措施，以及動(dòng)作閥的程序自動(dòng)控制和中控室的信號顯示控制。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　3調(diào)試中常見故障及主要原因

　　在現(xiàn)場調(diào)試中，除了不諳流程而誤操作外，比較常見的故障現(xiàn)象有：

　　(1)各配套運(yùn)動(dòng)機(jī)組的故障現(xiàn)象：①空壓機(jī)的供氣量不足或供氣壓力過低；②冷干機(jī)除水不正常或與整個(gè)裝置不匹配。(2)吸附器組的故障現(xiàn)象：①吸附器組的有關(guān)壓力指示不正常；②動(dòng)作閥切換緩慢或不動(dòng)作；③產(chǎn)品氣、解析放空氣當(dāng)中有粉末夾帶。(3)產(chǎn)品氣分析指示系統(tǒng)故障現(xiàn)象：①分析系統(tǒng)指示純度偏低；②流量未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　以上幾個(gè)故障的發(fā)生原因，經(jīng)分析為：設(shè)計(jì)選型不合理、本身機(jī)組或儀表存在故障；動(dòng)作閥關(guān)閉密封不嚴(yán)；電磁閥存在故障或粉末引起動(dòng)作閥故障；吸附器床層發(fā)生流化現(xiàn)象，造成分子篩摩擦沖擊嚴(yán)重產(chǎn)生粉末；進(jìn)水、油分嚴(yán)重引起分子篩硬度減低加劇粉化或分子篩失效；運(yùn)行周期各階段時(shí)間設(shè)置不當(dāng)?shù)鹊取?/P>

　　4使用中應(yīng)注意的問題

　　調(diào)試交付后，用戶除了會使用操作外，會維護(hù)并了解裝置的原理流程是很必要的。在掌握各配套機(jī)組的使用性能后，為了維護(hù)使用好吸附器這個(gè)核心裝置，以下幾點(diǎn)是值得考慮的：前面已經(jīng)講到，分子篩忌水、忌油、怕磨損，因此在裝置運(yùn)行當(dāng)中要特別注意空氣的質(zhì)量(含水、油量)，在日常操作中經(jīng)常檢查空壓機(jī)是否上油、濾油系統(tǒng)是否正常、冷干機(jī)制冷除水是否正常。還要經(jīng)常檢查產(chǎn)品氣排出過濾器和解析氣放空口，是否有堆積或夾帶過多的分子篩粉末；定期檢查吸附器內(nèi)分子篩的磨損量，并確定是否須增添等等，如有以上現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)解決。如能正常操作和維護(hù)，使用壽命將會大大延長。作者簡介：季宗升男，工程師，1966年12月出生，1988年浙江大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)本科畢業(yè)，現(xiàn)在杭州制氧機(jī)(集團(tuán))公司軍品廠從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。