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、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，氮氣則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氣，同時得到一定純度的富氧空氣。其裝置模塊圖見圖1。

　　2設(shè)計

　　根據(jù)變壓吸附技術(shù)，按照不同用戶的不同需要，設(shè)計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)

　　氮氣產(chǎn)魚：200m3／h(20℃、0.1MPa絕壓)；氮氣純度：99.9%(含氧量小于0.1%)；氮氣供應(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、各分子篩的實驗數(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，大于115m3／h·t；(4)PSA提取率：大于27%N2／空氣。

　　以上幾個方面的數(shù)據(jù)對加工空氣的壓力、露點、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時所配備的分子篩量Q1。

　　2.3空氣壓縮系統(tǒng)、冷干機系統(tǒng)的確定

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

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

　　吸附器系統(tǒng)是整套裝置的核心，其設(shè)計、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)計方法，也有著其各自的優(yōu)缺點。如何達(dá)到最佳設(shè)計，制造商務(wù)有不同的看法。

　　2.4.1吸附器的參數(shù)設(shè)計

　　①吸附器最小直徑D0的確定

　　吸附器的設(shè)計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)計確定，V2、V3由結(jié)構(gòu)設(shè)計確定。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　2.4.2吸附器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　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，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，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)，考慮到整個裝置的實際情況，如壓縮機供氣的經(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

　　吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計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、壓緊機構(gòu)、氣體均布器等的設(shè)計。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，氣缸活塞受壓差產(chǎn)生一個下推力并通過絲網(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，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)計或裝配不當(dāng)?shù)那闆r下，運行時中會發(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)閥來完成的。由于切換周期短、閥的動作頻繁，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電磁氣動蝶閥，壽命長，密封性好。

　　2.5產(chǎn)品氣緩沖罐的設(shè)計及產(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)，每個周期產(chǎn)生的脈動氣量對緩沖罐壓力不致引起太大的波動是緩沖罐容積選取的原則，一般壓力波動△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(氮氣)的使用環(huán)境，過濾系統(tǒng)有時是必不可少的。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，對其它氣體的吸附性減弱，表面硬度下降，表現(xiàn)在整機性能上就是純度下降，產(chǎn)品氣夾帶粉末，導(dǎo)致動作閥故障。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，冷干機的冷凝水排出故障報警，產(chǎn)品純度超標(biāo)報警等措施，以及動作閥的程序自動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)各配套運動機組的故障現(xiàn)象：①空壓機的供氣量不足或供氣壓力過低；②冷干機除水不正常或與整個裝置不匹配。(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動作閥切換緩慢或不動作；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)計指標(biāo)。

　　以上幾個故障的發(fā)生原因，經(jīng)分析為：設(shè)計選型不合理、本身機組或儀表存在故障；動作閥關(guān)閉密封不嚴(yán)；電磁閥存在故障或粉末引起動作閥故障；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；運行周期各階段時間設(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。在掌握各配套機組的使用性能后，為了維護(hù)使用好吸附器這個核心裝置，以下幾點是值得考慮的：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)常檢查空壓機是否上油、濾油系統(tǒng)是否正常、冷干機制冷除水是否正常。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)化工機械專業(yè)本科畢業(yè)，現(xiàn)在杭州制氧機(集團(tuán))公司軍品廠從事產(chǎn)品設(shè)計工作。