变压吸附制氧机吸附器结构研究进展.doc

变压吸附制氧机吸附器结构研究进展化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2007年第26卷第11期变压吸附制氧机吸附器结构研究进展张辉,刘应书,刘文海,张德鑫,翟晖(北京科技大学机械工程学院,北京100083)摘要:介绍了变压吸附制氧机中吸附器的内部结构,分流板,分子筛布局与装填方式,压料部件与装配等内容,对影响制氧机性能的因素进行了剖析和论述,探讨了变压吸附制氧机设计中关键影响因素和技巧.关键词:变压吸附;制氧机;吸附器;分流板;分子筛中图分类号:TQ116.14文献标识码:A文章编号:10006613(2007)11160208ProspectofthestructureofoxygengeneratingadsorberbypressureswingadsorptionZHANGHui,LIUYingshu,LIUWenhai,ZHANGDexin,ZHAIHui(SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijng100083,China)Abstract:Theinnerstructureofadsorber,flowdistributor,arrangementandpackingstyleofmolecularsieve,impactingcomponentsofpackingbedareintroduced.Thefactorsthathaveeffectsontheperformanceofoxygengeneratingsystembypressureswingadsorptionareanalyzedanddiscussed,andsomekeyskillsandlessonsaresharedinthedesignoftheoxygengeneratingequipment.Keywords:pressureswingadsorption;oxygenconcentrator;adsorber;flowdistributionplate;molecularsieve自20世纪70年代以来,分子筛吸附性能的提高促进了变压吸附制氧的迅猛发展,使其在医疗保健,隧道施工,高原作业,航天航海,钢铁冶炼,有色冶金,石油化工,环境保护等各个领域发挥了重要的作用.由于变压吸附过程具有灵活,方便,自动化操作,投资少,能耗低等诸多优点,国际各大气体公司,如美国普莱克斯(Praxair)公司,美国空气制品与化学品公司(APCI),美国联碳公司(UCC),德国林德(Linde)公司,德国梅塞尔(Messer)公司,法液空(AirLiquide),日本酸素株式会社(NipponSansoCorporation),日本三菱重工(MitsubishiHeavyIndustries),中国天一科技股份有限公司等相继投入大量人力与物力,对变压吸附制氧工艺进行开发研究.变压吸附制氧技术正逐步向大规模化进军,在中小规模制氧领域有取代深冷法制氧的趋势.但是,随着制氧规模的不断扩大,分子筛性能的发挥受到了严重的影响,制氧机的能耗问题越来越严重,其主要影响因素是吸附器的结构.结构设计不合理,容易造成分子筛进水,气流分布不均,死空间,边流效应,吸附层提前"穿透",分子筛粉化等现象,使得分离效果下降,产氧浓度降低.因此,如何优化吸附器的结构,充分发挥分子筛的吸附分离性能已成为制氧界关注的焦点.本文作者将对变压吸附制氧机吸附器内部结构,导流器,分流板,分子筛装填方式,压料部件,装配等进行详尽的论述.1吸附器结构目前,化工企业和钢铁企业的中大规模制氧已趋向采用变压吸附流程,在吸附器结构方面,主要包括立式,卧式,径流式3种.而微型制氧吸附器结构形式较为灵活,立式和卧式结构对制氧效果影响不大,主要从体积和重量方面考虑改进吸附器内部结构.合理的吸附器结构能够保证气流的均匀分布,最大限度地发挥分子筛的吸附性能;防止分子收稿日期2007一O53O:修改稿日期2007一O7一O6.第一作者简介张辉(1976一),男,博士,讲师.电话01062332751Emailzhanghui56meustb.edu.Cll.第l1期张辉等:变压吸附制氧机吸附器结构研究进展?1603?筛在周期性的气流波动下发生磨损粉化;同时,防止分子筛受到水分,气态酸,油气等的侵蚀.对于中大规模制氧机,合理的结构设计可以节约分子筛的用量,降低能耗,提高产品氧气浓度,为企业带来巨大的经济效益.吸附器内部结构的设计主要包括床层的确定和各种辅助结构,如导流器,分流板,床层布置,压料部件等.1.1立式轴向流结构立式轴向流结构是目前大部分中小型制氧机采用的气体分离方式,如图1所示.其结构简单,操作方便,床层中吸附剂机械磨损小,可在高温高压下操作.混合气由底部进入吸附器,经吸附剂分离后,高浓度的氧气由项部流出.它的主要优点在于能较好地使气体均匀流过吸附层,能够最大程度地利用吸附剂.分子筛活性氧化铝图1立式轴向流吸附床结构示意图立式吸附器结构主要受到两个制约因素的限制:气流速度;气流穿过整个吸附剂床层的压降¨.在设计立式变压吸附制氧机时,首先要确定床层允许的气流速度,然后才能确定吸附床的直径和高度.当床层中的气体流速低时,气体只是穿过静止的分子筛颗粒之间的空隙流动;当气速增大至一定程度时,颗粒又开始成流化状态,此流化气速决定了最小床层直径.即使气流速度低于流化速度的极限值,也会使吸附剂颗粒产生移动和磨损.因此实际设计中,气速取极限速度的70%左右【.压降是制约立式吸附器结构的另一重要因素,如果床层过厚,或者气流速度过快,会造成床层阻力增大,能耗增加.为了降低鼓风机和真空泵能量消耗,在吸附和解吸期间要求总压降最小,这就要求吸附器中分子筛的装填高度一般在23m.1.2卧式轴向流结构当空气处理量增大时,采用卧式结构能较好地解决床层高度问题,许多大型VSA设备,如宝钢,鞍钢,天津铁厂都采用这种吸附器.其结构如图2所示,卧式结构的床层截面过于庞大,气流分配和保持床层的平整是主要问题.分子筛易出现混层,边壁效应显着,气流很容易沿容器壁向上爬升,造成气流短路.某钢厂制氧车间采用卧式水平床吸附器,出现进塔空气压力和流量波动大,通过采用床层探位法,发现中央分子筛出现吸附饱和造成"穿透",将分子筛床层整成"一"形,使分子筛床层的厚度保持一致,问题得到解决J.氧图2卧式轴向流吸附器筛1.3立式双层径向流结构随着制氧机的大型化,分子筛吸附净化量增大,卧式吸附器占地面积大,气流难以均匀分配的缺点暴露无遗.针对这些缺点,世界各国气体行业开始致力于立式双层径向流结构的研究.径向流吸附器由于有较大的横截面积,从而可以大大降低气体的流动阻力.立式径向流吸附器由一个外壳,3个带有特殊开孔的中间圆柱体和中心筒组成,结构见图3.中间圆柱体和中心筒都包有专用的不锈钢丝网.外筒壳与第一中间圆柱体构成的环形空间是空气的入口腔和解吸气的排出腔.在第一和第二中间圆柱体之间的环形空间是活性氧化铝吸附区,在第二和第三中间圆柱体之间的环形区是分子筛吸附区.中心筒逸(b)(C)"兀"型向心流(d)"兀"型离心流图3立式双层径向流吸附器及气体流动方式圃丽_一f1一垩.,L一tf一一/竭一一一鲴翌篓一一一?1604?化工进展2007年第26卷不仅起着过滤器的作用,其中心特殊的结构能保证正向流空气或再生返流气在各截面都有相同的气速.外壳的上封头均匀地分布着若干个活性氧化铝和分子筛的加料口.中心筒流速分配器的设计对径向流吸附器至关重要.流速分配器使吸附层上,下压差保持一致,使吸附床沿轴向各部分的吸附速度和吸附量均匀一致,其吸附饱和时间也相同.空气从吸附器的底部进入,通过分配器均匀地进入最外层环形空间,然后均匀地通过活性氧化铝吸附层,空气中的水分被吸附后,进入分子筛吸附层,空气中的氮气被吸附后,氧气通过中心筒过滤网过滤后由顶部进入储气罐.解吸时,氮气通过中心过滤筒,分子筛和活性氧化铝后从底部排出,去消声器放空.立式双层径向吸附器中央下部的锥形导流器主要起到布气的作用.Boton等【4采用CFD和电阻断层成像实验方法对径向流场中流体的速度进行了模拟和验证.结果发现,流体沿径向流动的速度不等,随着流体由外径环流向中心,流体的速度在不断加快;从不同位置处流向中心的流体速度也不相同,从入口端流向中心的流体径向速度梯度变化较大,到达中心区时,这一变化更加明显,而从靠近出口端流向中心区时,流体速度明显低于入口端.这充分说明,在径向吸附器的中央位置设一锥形导流器可以起到调节吸附器上,下流体流速的作用.在径向流吸附器结构设计方面,根据气流沿径向和轴向流动方向,可以分为4种类型.当气流从吸附器中心流向四周时,为离心流,反之,为向心流;当进气流与出气流沿轴向流动方向一致时,为"z"型流动,反之,当进气流与出气流沿轴向流动方向相反时,为"兀"型流动.因此,可以将上述流动组合成如图3中(a),(b),(c),(d)所示的"Z"型向心流,"Z"型离心流,"兀"型向心流和"兀"型离心流4种方式.气体在径向吸附器中的流动由于所处位置截面积不同导致流速差别较大,如在中心处流速大,在床层中流速小,进而影响到床层的压力降.Kareeri等【5研究发现,当中心管的横截面积与外圆环横截面积之比小于1时,"兀"型离心流方式会得到均匀的气体流动和低的压力降;通过降低中心管壳和床层的孔隙度也可以增加流场的稳定性,但会增加吸附床层压力降,运行成本提高;反之,将中心管壁的开7L#n大可以降低吸附床层压力降,但会使气体流场稳定性下降.多层径向填充床是径向流吸附器的又一种新的设计方式.为了研究气流在径向床层中流动时的阻力和压降,Heggs等【oJ对径向吸附床层进行了数值模拟和实验验证,根据气流在床层中流动时受到的阻力不同,将床层分为割成10小层,如图4所示.不同层填充不同的材质,如炭分子筛,固体小颗粒,填充层之间保持有一定间隔,即保持无填充状态,各同心圆板上开有不同孔隙度的小孔.该理论模型也充分考虑了气体流动的4种方式,对炭分子筛吸附层的位置进行了计算.当吸附层靠近外径时,如果气流采用向心流动,则压力损失较小;但气流从内向外流动,即采用离心流动方式时,在分子筛床层的压力降较大,这主要受气流入口处尺寸的影响.由于气流由中心向外流动,中心截面积的微小变化都会影响吸附床层的压力降.通过调整中间各层孔板上孔眼的总面积,可以改变气流在床层中的压力变化,从而保证稳定的气流流场分布.图4.,.',l|.,.,_0.0.ooo=o00=0oo=0't',t'vtt't't'U/J/A/'''tvt''立式径向流双层床的优点在于:吸附层压差小,死空间小,吸附和解吸时流动方向有利,吸附剂充填稳定.有利的流动方向是在吸附和解吸时使气体流量改变的结果:在吸附阶段,气体流量在从外向里流动时减少;而在解吸阶段,气体流量在从里向外流动时增加,这是吸附和解吸氮的结果.而径向流吸附器的流动截面积正是从外到里逐步减少的,因此其流速要I:LIF式容器或者立式容器均匀得多,这就改善了吸附剂床层的利用,也降低了压力降.但径向流吸附器的优点有时也是和容器成本较高相联系的.法国液化空气集团经过多年研究,1981年在法国MOISSY首次使用了立式双层径向流吸附器,并进行推广.1995年,由法国液化空气集团计算,设计,四川空分设备厂制造的40000m/h变压吸附空分装置在渭河化肥厂投入运行.1996年,同样由法国液化空气集团设计,由液化空气(杭州)有限公司制造的35000m/h变压吸附制氧装置在马鞍山钢铁公司正式投产.目前,这种吸附器已有近150套在世界各地运行.德国林德公司已将径向流吸附器成功地用于低温空分装置中的空气干燥器.第一第l1期张辉等:变压吸附制氧机吸附器结构研究进展e1605?台利用径向流吸附器的VSA制氧装置已于1997年投入运转J.近年来,中国空分设备公司也开始致力于立式双层床径向流分子筛吸附器的开发研究.2005年7月,由中国空分设备公司自主设计,研制的立式双层床径向流分子筛吸附器首次应用于江阴兴澄特钢公司20000m/h空分设备上,并获得成功.1.4微型制氧机结构吸附器结构两端空隙对微型PSA制氧机产品气浓度的影响显着,有研究表明9J:在一定变化范围内,上板距离的改变较下板距离的改变对产品氧气浓度影响更为明显.吸附器下端空间的主要作用在于平均分配原料气体,防止产生流动死空间,同时阻止由下至上的原料气由于压力过大未经吸附直接穿透床层而降低产品气纯度.吸附器上端空间储存着具有一定压力的高浓度氧气,相当于一储氧罐,在吸附与解吸的过程中,高浓度氧在上部空间与分子筛之间反复流动,增加了能耗,同时还会影响产品气纯度.固定床近壁区比中心具有更高的孔隙率,使近壁气流通过比同一截面上中心部分大得多,造成了近壁区气体穿透大大提高的现象.以往的研究表明,床径,粒径比小于3O时壁面效应较大,受吸附器高度影响较小.但也有研究发现,当床径,粒径比大于9O时,壁面效应仍然突出,并且随吸附容器高度变化显着【l川.壁面效应对床层,穿透时间有明显影响,随高径比降低,壁面效应增大,壁面穿透时间早于中心穿透时间,导致的死层高度增加,吸附容量损失加大.可见,在吸附器体积较小时,尤其是微型变压吸附制氧机,存在着较大的壁面效应,气流容易从壁面穿透.常用的解决方法是在固定床内壁加圆环,加焊螺旋线,包裹薄层橡胶皮,涂抹强力胶等,由于气流流过壁面时受阻作曲线运动,可增强活性炭层内气流的径向混合,从而消除壁面效应.对于直径较大的床层,该方法的应用效果不显着.另外,对于常温吸附器,还可采用内壁面粘涂活性炭颗粒的方法Il卜J.专利ZL200410039514.4提出了套筒式吸附器结构的变压吸附制氧机(见图5).吸附器由两个同心圆筒构成,在吸附器上端内外筒之间的部分留有供气流均匀一致的空间,其高度为,;向下是干燥剂,长度为,其余部分填充制氧分子筛.内筒壁的底部均匀分布相同直径的通气孔,供气流从内筒和外简夹层之间进入内筒.内筒里也装有分子筛,内筒上端高度为的空间起到为产品氧气流出之前缓冲气流的作用.套筒式吸附器结构具有体积小,重量轻,结构紧凑的优点,可以最大限度地利用分子筛,降低压缩机的输出功率.产品气原料气图5微型套筒式吸附器结构示意图wuYan等131采用套筒式吸附器进行了数值模拟和实验验证,原料气由下部进入外筒,经上部空问后又进入内筒,产品气从底部流出.模拟与实验结果表明,当入口压力为0.7MPa,氧气产量为2OL/min时,氧浓度达到87%(出口压力为0.34MPa左右).刘忠宝IlJ也对该种结构的制氧机进行了模拟计算分析,预测了有关参数对氧纯度的影响规律.可见该种结构吸附器在微型制氧,机载制氧上具有广阔的发展空间.美国克里夫顿公司自1951年创立以来,在机载制氧技术方面一直保持着国际领先水平,该公司生产的机载分子筛制氧机就是采用两床套筒式结构进行制氧,缩短了吸附床高度,结构更加紧凑,产氧浓度达到95%左右,先后装配了Av.8B,F.18,TAV.8B,S-3A,B.1B,B.2,F.22等战机,充分体现了分子筛制氧机在微型结构上的优越性,大大提高了飞机的作战半径和地勤保障,成为各国机载制氧的发展新趋势.英国NGL公司在引进美国克里夫顿公司机载两床分子筛制氧技术的基础上,将分子筛床的个数增至3个,大大缩短了产氧间隙.为了进一步缩小体积,减轻重量,NGL公司将3个分子筛床的剖面分别设计成方形,三角形和圆形,圆形又分为三圆束状,三圆扇状和三圆同心圆状,经过优化设计后得出结论:3层同心圆状分子筛方案最佳.三床分子筛除结构较为复杂外,其性能明显优于两床分子筛制氧机,产品气压力没有明显的波动,中间不会出现产氧的间隙,省去了储氧罐,产品氧纯度均匀,输出量大.该方案不仅可以抵御外力的作用,保证其内部不受损害,而且在产氧性能不变的前提下,重量减轻了30%,体积减小了40%50%】.目前,该种结构的制氧机已经在猎人GR5飞机上服役.?1606?化工进展2007年第26卷2布气设施布气是变压吸附制氧技术的核心,气流不稳,流速不定,流场不匀都会影响分子筛的性能发挥,降低产氧率和产氧纯度.导流器和分流板是实现轴向流固定床内流体均匀分布的重要手段和必要措施【l6.2.1导流器由空压机或鼓风机压入的气体压力较大,如果不进行缓冲或分流,对床层冲击太大,底部的分子筛很容易粉化,堵塞进气口.因此,在吸附器进气口必须设一导流器,一般为圆筒,球形或伞形,在外面包有不锈钢丝网,目的是更好地保证气流的均布和防止粉末堵塞管路J.2.2分流板对大,中型空分的吸附器来说,工作性能优劣的至关重要的问题就是气流分配和气流速度,两者主要受气流分流板本身的结构和气流分流板与气流进口间相对位置的影响.分流板位于吸附器底部进气端,对于双层床,一般位_lJ:氧化铝下部,在氧化铝与分子筛之间.对于气流进气口在吸附器中央的情况,分流板承担着布气的主要任务.其结构设计主要从以下几个方面考虑.2.2.1分流板孔眼的大小在孔眼大小设计方面,分流板在不同工艺流程上也体现了不同的特色,大型制氧机多采用直径几毫米的孔眼;但是小型或微型制氧机分流板的孔眼可以小到微米量级,大大增加了布气效果,降低了床层的死空间,提高了产氧量和产氧浓度.常用的分流板是在钢板上开均匀分布的小孔,小孔的总面积不超过钢板面积的40%,这样做主要是为了保证钢板的支撑强度.孔眼均匀分布的分流板可以保证面流速较均匀,主要是由于均匀孔板分布器并没有特意改变流体分布,仅是因孔板使流体渗流起到均匀分配的目的.在保持孔面积相同的情况下,孔眼直径的大小对气流均匀分布影响显着,如果孔眼过大,会造成分流板背向气流流动方向一侧的分子筛死空间加大.目前,某种型号的小型制氧机分流板采用多孔的膨体聚四氟乙烯(ePTFE),这种材料膨展开后在每平方英寸有90亿个小孔.这些小孔比一个水蒸气分子要大700倍,不仅可以使气体均匀分布,还能保持一一定的支撑强度.采用粉末冶金制作的锡锌青铜透气饼或冶金炉用的透气砖也可以起到相同的作用.这些材料在孔眼大小方面较大型制氧机中的分流板有本质的区别,可以达到0.05mm.气流从进气口进入吸附器后,不会对分子筛造成冲击,而是在进气端空间形成一湍流区,形成稳定的正压,利于气流的均匀分布,防止气流冲击床层而造成分子筛粉化.2.2.2分流板孔眼的布局对于相同孔径的分流板,其布局也有很大的差别.一种方式是均匀分布孔眼;另一种是分流板中间孔径小,边缘孔径大,其出口当量截面积呈不均匀分布,正好符合流体的分配特征,较小的孔径可使流体受到较大阻力,从而使四周孔中流过的流体增多.四周较大的孔径保证了分流来的流体顺利通过,有效改善了流体的分配特性,这一点在小型医'用制氧机的试验中已得到证明,采用CFD模拟也得到了相同的结论ll.考虑到小型或微型制氧机吸附器内径较小,壁面光滑的特点,在压力周期性波动的情况下,壁面附近的分子筛容易松动,形成边流效应.因此,针对这种情况,将分流板设计成中央和边缘孔眼总面积小,中间环形区面积大的结构,也可以起到一定的作用.2.2.3分流板材质分流板由于受到分子筛床重力的作用,首先要有一定的承重作用,因此,在材质选取上主要是依据实际情况而定.如果吸附器直径较大,高度增加,则分流板使用钢质材料较好,可以承载上面分子筛的重量;如果是小型或微型制氧机,则主要从布气来考虑,可以使用聚乙烯,薄钢片,透气砖,粉末冶金制作的铜饼等.2.2.4钢网的布置钢网在吸附器中主要用来防止不同粒径的分子筛混层和缓解气流压力变化对床层的冲击,通常采用不锈钢网,孔眼大小在40100目范围.钢网的位置很有讲究,一般同时放于分流板上,下层,根据分流板两侧分子筛孔径大小来决定.分子筛孔径较小时,靠近分子筛一侧就要采用孔径较小的钢网;反之,分子筛孔径较大时,如氧化铝脱水剂,则要使用孔径较大的钢网.2.2.5分流板的支撑体分流板往往具有一定的重量,即使是轻质分流板在工作状态下也会随压力周期性改变而上下浮动.因此,对于吸附压力波动较大的流程,如PSA,VPSA常采用弹簧钢丝外套胶管或是氧气管作为卡箍置于分流板的下部用来支撑分流板,上部有分子筛自身重量挤压,分流板在两者之间能够稳定工作,第11期张辉等:变压吸附制氧机吸附器结构研究进展?1607?降低了分子筛的粉化机率,保证床层不会出现翻滚现象.3分子筛布局与装填方式3.1分子筛布局吸附器中分子筛的布局至关重要,主要表现为3个方面:保护制氧分子筛床层;缓冲稳定高压气流;均匀分布气流.吸附器内分子筛的布置通常可分为水平和垂直两种方式,层数有单层,双层和多层.图6为垂直分布分子筛填料的布局示意图.吸附剂层数的选取是根据布气和对制氧分子筛的保护原则来确定的.一般在进气口,为了布气均匀,常将不同粒径的分子筛分层布置,靠近入口处粒径较大,由下向上粒径逐渐缩小;靠近出气口时,粒径又逐渐增大.这样可以保证气流在吸附器内的稳定过渡,当到达吸附床层时,气流已均匀分布.为了防止气流的边壁效应和中心穿透现象,分子筛在纵向也可以分层布置,在边缘和中心位置处放入粒径较小的分子筛,两者之间分布粒径较大的分子筛.Yuwen191在分析小型制氧机工艺参数时,将吸附器内部分成3层,由中央向外逐渐扩大分子筛粒径,依次为1.6mill,2.0mill和2.5mm,取得了较好的结果.图6分子筛填料方式布局示意图制氧机内部一般采用双层结构,第一层为活性氧化铝,第二层为沸石分子筛.对于卧式吸附器【3】,也有采用三层填料的,如山西某钢厂制氧车间空分设备配套的分子筛纯化系统即为卧式吸附器.吸附器填料顺序从最下层到最上层依次为810mill的惰性氧化铝,35mill的活性氧化铝和1/16"UOP13X条形分子筛.3层填料中间由两层不锈钢丝网隔开,避免混层.活性氧化铝有非常好的吸水能力,其机械强度也不会因水存在而受影响,在解吸时可以降低床层的温度,但沸石分子筛吸水后,其多孔结构会破坏,容易粉化.而且活性氧化铝具有两性,可以阻止大气中气态酸和碱的侵入,有效地保护了制氧分子筛.如果采用单层分子筛,其寿命仅为5年,加入活性氧化铝保护后,可延长寿命至10年以上20】.双层床相对于单层床也有缺点,如:双层床压力降大;不同尺寸和密度的两层吸附剂装在同一吸附床中,隔离层的热膨胀问题较难解决;双床层再生时有可能有水析出,沉积至床底.3.2装填方式装填吸附剂时,应尽量减少吸附剂之间的空隙.主要方式有撞击,暴风雪式,定时扒平,抽真空,振动频率渐次衰减等,均可达到堆密度最大的目的,几种方式联合使用效果更佳.撞击方式就是在吸附剂装填过程中,不断地用枕木装置撞击吸附剂界面部位.暴风雪式填料可以保证吸附床层空隙度保持一固定值,床层填充密实度较均匀.定时扒平是指在装填过程中每加入一定量吸附剂后,人工将锥体颗粒扒平,夯实吸附剂间隙.抽真空装填是在装填过程中,利用真空泵从塔底不断地抽吸附剂,利用气体对吸附剂的压力压实吸附剂.振动频率渐次衰减是利用衰减器控制振动装置的振动频率,当装填结束时,振动频率渐次衰减,使得分子筛在吸附器内部能够充分夯实,结果表明,该方法效果很好,某公司制氧机采用该方法实现了批量填料生产.吸附剂密相装填技术的应用,大大增加了吸附剂的装填密度,减少了粉化的几率.4压料部件与装配变压吸附制氧是利用压力周期性涨落来实现气体分离.在吸附塔内,随着往复气流的循环冲击,吸附剂蠕动,磨耗会出现小的空隙,产生跳动的空间,从而加剧了吸附剂磨耗,磨耗造成粉末流出使吸附剂空隙越来越大,空隙越大越给更大的跳动创造了条件,就这样恶性循环,久而久之,吸附剂出现大面积粉化.实践经验证明,吸附剂粉化的主要原因是由吸附剂的蠕动造成的,其它因素给吸附剂的蠕动提供了条件或加剧了吸附剂的蠕动.受设计工艺和装填方式的限制,吸附剂装填后多少都会留下一定的死空间,这给吸附剂的蠕动提供了更大的机会.一些工艺流程和误操作也会加剧吸附剂的粉化,如:均压方式和吸附时序的设计缺陷,使均压次数少,压力变化梯度过大,超过了吸附剂的承受限度而造成粉化;在开停车或检修时,由于阀门故障导致气体高压逆放或均压时间设置不合理等高压力等级切换,导致吸附剂粉化【2¨.解决吸附剂粉化的主要对策是最大程度地降低?1608?化工进展2007年第26卷吸附剂蠕动的机会.一般主要靠压料部件和装配来实现,比较典型的压料部件包括:弹簧,瓷球,气囊,气缸和自补偿压紧装置等.装配主要依靠丝杆和法兰来实现.弹簧和气囊均是利用弹性原理来实现吸附剂压紧,吸附剂产生问隙后,利用弹力压吸附剂上的筛板自动填补产生的空间.这些方法的特点是设计之初必须考虑到底网的承载能力,否则顶部施加压力时,底网容易压溃.单个弹簧适于直径较小的吸附器,对于直径较大的吸附器,一般采用多个弹簧分布式结构,也可以起到压紧的效果.气囊不仅具有压紧功能,还可以减少死空间,但设备较为复杂.气缸是利用开车后对气缸冲气加压,维持一定压力的压紧方式,而自补偿方法是利用分子筛的重力将分子筛填充至空隙,当分子筛表面与上丝网之间形成小空隙时,分子筛能自动将其充满从而使分子筛无跳动的空间,达到固定分子筛的目的.这种方式不仅适用于旧吸附器改造,也适用于新设计的吸附器,主要特点是不对底网增加负荷,#bDn分子筛比较方便.气缸压紧方式不能向吸附器加入分子筛,随着分子筛的粉化,上部空间增大;而靠分子筛重力自补偿方式又不能施加太大的压力.因此,将两者结合起来,采用气缸中空布分子筛方式压紧,即在气缸的中间设计一小口径通孔,上部用法兰密封,下面设有标尺,当料面下降较多时,打开法兰,装满分子筛,重新密封,起动增压装置,将料面重新压回原始水平线.缺料较多时,可以通过反复加入分子筛来实现.瓷球压紧装置是在吸附剂的上面铺设一定量的瓷球,利用瓷球本身的重量自动补偿吸附剂减少的空间.铺设瓷球可以保证床面的平整,不会发生短路现象.如果铺设素瓷球,要注意防止受潮吸水饱和,破碎粉化和黏结.这种方法与气缸等补偿方式相比,有投资少,设计简单等优点,但死空间较大,为了保证产品气纯度,回收率有一定程度的降低.丝杆压紧主要用于实验制氧装置机或家用制氧机,丝杆承受的压力较小,可以从吸附器中间插入或是呈三角,四方形分布.丝杆从中间插入的结构较简单,制作方便,但会造成分子筛装填困难,难于压实,气流容易沿丝杆短路.因此,对于市售制氧机产品,一般采用三角或四方形分布的丝杆来压紧分子筛.法兰结构一般用在吸附塔直径较小的装置.吸附塔封头处采用法兰结构,封头下截面安装筛板,吸附剂装填时略高于法兰面,在吸附剂表面铺设4080目丝网各一层和起过滤作用的椰壳垫.利用螺栓的力量将高出的吸附剂压入塔内,从而减少了吸附剂之间的空隙,可减缓吸附剂的粉化.此外,刮平机构也属于压料部件的一种,对料面进行调节,这个机构设置的主要目的是装入分子筛后将其床面刮平,在运行中若气流分配不均造成床面起伏凹凸,形成沟流而影响吸附效果时也可以由刮平机构随时刮平.但是6000m/h空分设备的吸附器刮平机构质量就约150kg,零部件约20余件,成本较高.另外,刮平机构的操作需要在筒壁开孔伸向外部,作为压力容器来讲,在吸附器上应尽量减少不必要的开孔.5结语随着变压吸附制氧在空气分离领域中地位的不断提升,吸附器内部结构的优化和设计显得日益迫切,对于提高效益,降低能耗具有重要的意义.(1)对于大型变压吸附制氧机,采用立式径向流结构是节能和提高产氧能力的发展趋势;(2)采用套筒式结构是微型制氧发展的新方向,可以大大缩短吸附器高度,对于航空用氧和便携制氧具有重要的参考价值;(3)吸附器内部分子筛的填充采用径向分层和轴向分层相结合是提高吸附器空间利用率的有效方式;(4)分流板孔眼的大小和分布以及采用新型的微孔眼材料分流板是解决气流在吸附器中均匀流动,减小死空间的关键;(5)分子筛床层压紧机构可以很好地防止分子筛的粉化和边流效应.参考文献【1】季宗升变压吸附制氮装置的设计fJ1.深冷技术,1999(4):24-27.【2】朱学军,郭彤,两床变压吸附制氧工艺的研究【J1'低温与特气,2001,19(11:18-21.【3】李伟,王青龙,张槐槐.采用床层探位法解决分子筛吸附器空气偏流问题【J1.深冷技术,2006(6):5-7.【4】BoltonGT,HooperCW,MannR,eta1.FlowdistributionandvelocitymeasurementinaradialflowfixedbedreactorusingelectricalresistancetomographyJ.ChemicalEngineeringScience,2OO4,59:1989.199751KareeriAA,ZughbiHD,AlAhHH.SimulationofflowdistributioninradialflowreactorsJ.Ind.Eng.Chem.Res.,2006,45.-2862-2874.61HeggsPJ,EllisDI,IsmailMS.Predictionofflowdistributionsand第11期张辉等:变压吸附制氧机吸附器结构研究进展pressurechangesinmultilayeredannularpackedbedsJ.Gas.Sep.Purif,1995,9(4):243252.7张敏.立式双层床径向流吸附器的研制J】l深冷技术,2006(2):8l1.8GrahlM,LeitgebP_变压吸附生产氧气J】.深冷技术,2001(5):17.21.9赵治,刘应书,乐恺,等.微型PSA制氧机吸附器结构试验研究J】l深冷技术,2004(2):1316.10Tobis'J,VortmeyerD.Thenear-wallchannelingeffectonisothermalconstantpatternadsorptionJ.ChemicalEngineeringScience,1988,43(6):1363.1369.11宁平,陈亚雄.边流效应对固定床吸附容量的影响J】.环境科学,1998,19(5):6971.12宁平,谷俊杰.BartHJ,等.边流效应对固定床吸附器穿透曲线的影响J】.化工,1998,49(6):678682.13WuYan,LinGuiping,ModelingandnumericalsimulationofonboardmolecularsieveoxygengenerationsystemJ.TransactionsofNamingUniversityofAeronauticsAstronautics,2004,2l(1):47'52?14刘忠宝.分子筛氧气浓缩器性能模拟预测模型及分析【J】.设计制造,2001(1):14.16.15肖华军.英国机载三层同心圆型分子筛制氧系统J】l国际航空,1994(1):6061.16钟思青,陈庆龄,陈智强,等.轴向流固定床内流场的数值模拟与实验验证J】l化工,2005,56(4):632636.【l7】季阿敏,李杰,张君.立式轴向流吸附器优化设计J1.哈尔滨商业大学,2003(6):714715,18田津津,张玉文,王锐.变压系统气流分布器结构的数值模拟计算及分析J】.低温工程,2005(4):4564.19ZYuwen,WYuyuan,GJianying,eta1.TheexperimentalstudyontheperformanceofasmallscaleoxygenconcentrationbyPSAJ.SeparationandPurificationTechnology,2005,42:123127.20杨学申.立式双层床径向流吸附器J.深冷技术,1999(2):1619.21范志涛.吸附剂粉化的原因分析和控制J】.低温与特气,2005,23(3):1820.t,-,-.t2.t2.t2,?征订启事?欢迎订阅2008年现代塑料加工应用(双月刊)现代塑料加工应用是经国家科委批准,由中国石化集团公司塑料加工应用情报中心站和扬子石油化工股份有限公司研究院出版,中国石化集团扬子石油化工股份有限公司和中国石化扬子石油化工有限责任公司主办,国内外公开发行的专业技术性期刊,是全国中文核心期刊,美国化学文摘(CA)收录期刊,江苏省双十佳期刊.该刊重点报道塑料行业的新工艺,新技术,新设备,新产品和市场发展新动向,是全国塑料加工行业中最具影响力的杂志之一,多年来深受广大读者的欢迎!主要栏目:论坛,试验研究,工业技术,助剂,机械与模具,分析测试,综述,市场分析,国内外信息等.读者对象:从事塑料加工行业的领导,专家,科技人员,营销人员,生产管理人员及高等院校的师生.现代塑料加工应用为双月刊,双月20日出版,CN32-1326/TQ,ISSN100