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    分子篩純化器溫度曲線的觀察與分析

       2013-01-08 中國空分網孫全海
    核心提示:揚子石化公司烯烴廠空分車間,江蘇南京市大廠區,210048【摘要】本文通過仔細觀察分子篩純化器在吸附和再生過程中溫度變化所形成的
     揚子石化公司烯烴廠空分車間,江蘇南京市大廠區,210048
    【摘要】本文通過仔細觀察分子篩純化器在吸附和再生過程中溫度變化所形成的曲線,分析了形成各種形狀的原因,并特別指出在冷吹階段出現“二次峰值”現象是分子篩床層不平整的典型特征。圖3。
     
     
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     關鍵詞:分子篩純化器 吸附 再生 溫度曲線 分析
        目前空分設備中大多采用分子篩純化器來吸附空氣中的水分和二氧化碳,而且絕大部分采用的是“變溫吸附”(TSA)工藝。分子篩純化器在使用過程中,通常需要對其進口和出口溫度加以監控。在吸附過程中,由空氣進出純化器溫度的變化所形成的兩條曲線被稱為“吸附溫度曲線”;在再生過程中,由污氮氣進出純化器溫度的變化所形成的兩條曲線被稱為“再生溫度曲線”。
        分子篩純化器運行狀況的好壞,都會在其溫度曲線上有所體現。因而,在分子篩純化器的運行過程中,認真檢杳和分析溫度曲線,具有很重要的實際意義。
    1 吸附溫度曲線
        典型的吸附溫度曲線如圖I所示。一般情況下,只要空氣頇冷系統正常.空氣進純化器溫度就不會變化,因而溫度曲線是一條水平的直線。而空氣出純化器溫度除剛開始的一段時間較高外,以后變化也極小,因而也近似是一條直線。
     
        空氣在經過純化器后,溫度會有所升高。這是因為空氣中的水分和二氧化碳被分子篩吸附,而吸附是個放熱的過程。對于全低壓流程空分設備而言,空氣進純化器壓力在o.6MPa(G)左右。如果空氣預冷系統配有冷凍機,則空氣進純化器溫度約為10℃左右。在這種情況下,空氣進出純化22溫度之差約為4℃。
        如果空氣進純化器溫度升高,則溫差也相應會有所增大,這是因為空氣溫度升高使得空氣中水含量增多。如果在純化器使用過程中(剛開始使用的一段時間除外),出純化器空氣溫度突然升高,而進純化器溫度和壓力卻較為穩定,這種情況往往顯示空氣已經將空冷塔的水帶入分子篩純化器了。
        在分子篩純化器由再生轉為使用,吸附工作剛開始的一段時間內??諝獬黾兓鳒囟容^高,這時出口溫度要比進口高出近20℃。這種現象在大多數情況下并不是由于再生過程中的冷吹不徹底造成的,而是由于純化器在切換至使用前的充壓過程造成的。
        在空分設備中用于吸附水分和二氧化碳的13X分子篩,除對極性分子如水和二氧化碳等具有較強的吸附能力外,對非極性的氮氣和氧氣也有一定的吸附作用。充壓過程是一個壓力—上升的過程,隨著壓力升高,分子篩的靜吸附容量增大,更多的氮氣和氧氣被分子篩所吸附。而這個過程同樣是個放熱的過程,這種放熱使得分子篩床層溫度升高。當充壓后的純化器轉為使用時,空氣將分子篩床層的熱量帶出來,從而引起出口溫度的升高。
        由于這種現象并非因冷吹不徹底引起,所以無法通過延長冷吹時間來解決。有的空分設備中,采用增加一個“混合”步驟,可以減少這種溫度波動對主換熱器的不利影響。“混合”步驟是指剛再生過的純化器投入使用后,原在吸附工作的純化器繼續使用,并列運行一段時間。這樣由于從原使用的純化器中出來的空氣溫度是較低的,混合在一起的空氣溫度也就不至于會象單獨使用一個純化器那樣高了。
    2 再生溫度曲線
        相對于較為簡單的吸附溫度曲線而言,再生溫度曲線要復雜一些。典型的再生溫度曲線如圖2所示。
    2.1 卸壓階段
        分子篩純化器在較高的工作壓力下(O.5MPa以上)完成吸附任務,而在較低的壓力下(10kPa左右)進行脫附再生。在純化器由吸附轉為再生時,首先將純化器內的壓力降下來。壓力下降時,分子篩靜吸附容量減小,原來被分子篩所吸附的氣體分子或水分子,便有部分會從分子篩中解吸出來。
        與吸附過程的放熱效應相對應,脫附再生過程是個需要吸收熱量的過程。在卸壓階段,脫附所需熱量只能來自于分子篩床層本身,因而使得床層溫度下降。受此影響,空氣進口(污氮氣出口)和空氣出口(污氮氣進口)溫度已開始下降。見圖2AB段。
    2.2 加熱階段
        加熱階段開始后,雖然污氮氣進口溫度迅速升高,但出口溫度還會繼續下降,一直可達到—10%左右,然后才會逐漸升高。經再生加熱器加熱過的高溫污氮氣,在由上而下通過分子篩床層時,首先使得床層上部的分子篩溫度升高并對上部的分子篩進行再生。在此過程中,污氮氣的熱量一方面傳遞給了上部的分子篩,另一方面被解吸出來的二氧化碳和水分帶走了,故污氮氣本身的溫度迅速下降,到達底部時,已經很低了,所以污氮氣出口溫度不會很快升高。
        加熱階段需要加以監控的主要是污氮氣進口溫度,它和污氮氣流量、加熱時間等一起體現了帶入純化器中的熱量的多少。污氮氣進口溫度主要由加熱蒸汽的壓力和溫度以及污氮氣的流量等因素所決定。有時,加熱器后的疏水2S出現故障,冷凝水不能被及時排除,因加熱器內的有效換熱面積減少,污氮氣進純化器溫度就會下降。
        一般來說,加熱階段主要解吸的是分子篩床層的中上部,并且.將熱量貯存在分子篩床層中。見圖2BC段。
    2.3 冷吹階段
        在冷吹階段,一方面利用加熱階段貯存在分子篩床層中的熱量繼續解吸下部的分子篩,另一方面將床層中的熱量帶出來,從而為再次投入使用作準備。冷吹開始后,污氮氣進口溫度迅速下降,但出口溫度還會繼續上升,一直達到某個最高點后,才會逐漸下降。見圖2CD段。
        冷吹階段的污氮氣出口溫度變化曲線(以下簡稱冷吹曲線)特別重要。冷吹曲線上的最高溫度點稱為“冷吹峰值”,它是再生過程是否徹底的主要標志。床層中的分子篩在再生過程中溫度自上而下是遞減的,所以最底層的分子篩總是再生得最不徹底。如果冷吹峰值達到160℃,則說明純化器內的所有分子篩都已經在此溫度之上再生過(靠近筒體的邊緣區因存在散熱問題除外)。
        影響冷吹峰值的因素主要是加熱階段進純化器污氮氣的溫度高低、流量大小以及加熱時間的長短等。此外,如果在上一個使用周期中分子篩吸附了更多的水分和二氧化碳,則冷吹峰值會下降。如果分子篩進水,冷吹峰值會顯著下降。
        有時,冷吹曲線上會出現兩個峰值,我們稱之為“二次峰值”現象,如圖3所示。根據我們使用分子篩純化器十幾年來的經驗,這種“二次峰值”現象是分子篩床層不平整的典型特征。
        良好的分子篩床層,在任何一個水平截面上的溫度梯度應該較小,這樣的床層在再生過程中,最底層的分子篩各處溫度差不多始終相等,溫度變化曲線也相同。而儀表所記錄下的是各處出來的氣體混合在一起后的溫度變化曲線,可以認為是一系列的波形曲線綜合在一起后所形成的曲線。由于這一系列的波形曲線均相同且無相位差,故綜合成的曲線形狀不會有所改變。
        在另一種情況下,當分子篩床層厚薄不均勻時,較薄處分子篩量少而流過的氣量多,分子篩溫度變化得就比較快,而較厚處情況正好相反。這樣最底層的各處不是同時達到峰值,綜合成的波形曲線中就有可能出現兩個甚至三個峰值。一般來說,分子篩床層不平整時,冷吹曲線的形狀也會變得“矮”和“胖”一些。
        冷吹結束時的污氮氣出純化器溫度是另一個需要加以控制的指標,它主要由冷吹時間、再生氣流量以及加熱過程中帶入熱量多少等因素決定。一般來說,分子篩床層不平整時,冷吹到指定溫度需要更長的時間。
    2.4 充壓階段
        充壓階段的純化器內壓力是增加的,前面已經敘述,這是空氣中雜質被分子篩吸附,而床層溫度升高的過程。受床層溫度升高以及保溫層中殘余熱量的影響,污氮氣進出口溫度都會上升。見圖2DE段。
    * 孫全海,男,1965年3月生.1985年1月南京化工學校無機工藝專業(中專)畢業,現為揚于石化公司烯烴廠空分車間工藝技術員,助理工程師。
     
     
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