空分设备操作技术

空分设备操作技术第一页，共七十页，编辑于2023年，星期一

空气纯化系统原料空气纯化原理及设备主讲人:杭氧设计院林秀娜2011年5月第二页，共七十页，编辑于2023年，星期一目的：

分子筛纯化系统运行在最优化状态

—安全、节能。第三页，共七十页，编辑于2023年，星期一空气纯化系统介绍一、概述二、分子筛纯化原理三、流程和设备介绍四、事故案例分析第四页，共七十页，编辑于2023年，星期一空气纯化系统一、概述为了使空分设备长期、安全、可靠地运转，必须设置的纯化设备。用以清除空气中的水分和二氧化碳、乙炔等碳氢化合物发展动态：1950年后期--国外的小型空分设备已采用分子筛纯化流程。八十年代前—国内以切换式换热器自清除流程为主八十年代后期开始:国内空分设备开始采用分子筛纯化流程。分子筛纯化流程优点：具有纯产品提取量大、操作简便、运转周期长，使用安全可靠等诸多优点。它代表着空分发展的主导方向。第五页，共七十页，编辑于2023年，星期一空气纯化系统1.分子筛纯化流程作用：用吸附法清除原料空气中的水分、乙炔、二氧化碳及一些能吸附的碳氢化合物，保证空分设备的正常运行。2.、吸附系统功能组成：吸附-工作（较高压力~0.6MPa(A)下），解吸—再生[常压下~0.116MPa(A）]3、设备组成：分子筛吸附器、加热设备、消声器、阀门、仪电控第六页，共七十页，编辑于2023年，星期一第七页，共七十页，编辑于2023年，星期一空气纯化系统二、分子筛纯化原理1.空气成分及有害气体空分设备的原料气是空气。空气是多组分的混合气体。除氧、氮及稀有气体外，还含有水蒸汽、二氧化碳及碳氢化合物等，另外还有少量灰尘等固体杂质。2.有害气体危害这些杂质随空气进入空压机，继而进入空分设备是非常有害的。固体杂质会磨损机器运转零件，堵塞冷却设备。第八页，共七十页，编辑于2023年，星期一空气纯化系统水分和二氧化碳会随着空气温度的下降，从空气中析出，冻结和堵塞气体通道。乙炔和其它碳氢化合物在空分设备内积聚，在一定条件下还会引起爆炸。

3.空分设备有害气体的安全范围 水分吸附后达到-60℃以下，CO2小于1PPm,乙炔小于0.01PPm等。第九页，共七十页，编辑于2023年，星期一空气纯化系统分子筛流程第一次将净化空气部分分离出来，采用独立单元，因此分子筛流程的空分装置，主换热器已经基本是一个纯换热设备了，不再同时兼具净化空气的作用。第十页，共七十页，编辑于2023年，星期一用分子筛净化空气技术的发展历史：国外二十世纪五十年代末期---Linde公司中国二十世纪八十年代引进Linde公司技术发展起来空气纯化系统第十一页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛纯化系统目前空分采用分子筛纯化系统为主来纯化空气。吸附器内装填的吸附剂有：分子筛，活性氧化铝等。吸附原理介绍为了保证分馏塔的安全，我们需要对空气进行吸附处理。1.吸附剂的吸附原理吸附法净除空气中的杂质空气中的水分、乙炔、二氧化碳均可用叫做“吸附剂”的多孔物质吸附净除。吸附术语吸附力分类:吸附又可分为物理吸附和化学吸附两类。第十二页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛纯化系统物理吸附:也称为范德华吸附，它是由于分子间的弥散作用及静电作用等引起的；物理吸附热较低，接近液体的汽化或冷凝热，吸附和解吸速度都较快。化学吸附:是由于化学键作用所引起的。化学吸附由原子间反应生成了表面络合物，吸附热接近化学反应热，需要一定的活化能，其吸附和解吸速度都比物理吸附慢。”第十三页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛纯化系统吸附热:空分吸附中水分，CO2占主要时，物理吸附占主要，吸附热主要由水分，CO2冷凝潜热产生，所以产生了吸附器前后温度的升高。再生:(解吸或脱附)由于分子筛等吸附剂是固体，它的多孔吸附表面是有限的，所以不能连续操作，吸附容量饱和时，必须进行解吸。第十四页，共七十页，编辑于2023年，星期一固定床吸附原理再生:(解吸或脱附)“气体一固体”,这是不均匀界面吸附,已被吸附的原子或分子,返回到气相中,称之为解吸或脱附。(2)恒温恒压固定床吸附的基本原理当吸附质浓度为ye混合气体开始以恒定流速进入吸附器时，吸附质首先在靠近吸附器进口端的吸附剂入口上被吸附。并渐渐趋于饱和。第十五页，共七十页，编辑于2023年，星期一固定床吸附原理吸附平衡区：吸附剂上的吸附质浓度xe与进气浓度ye平衡，气体经过这一段吸附柱时浓度不再发生变化，这一区域称为吸附平衡区，传质区：在平衡区以上是正在进行吸附的传质区。未吸附区：传质区以上是未吸附区，继续进料，吸附器中传质区逐渐下移，平衡区慢慢扩大，未吸附区相应缩小，只要传质区还附在吸附柱内，气体经过吸附柱后吸附质浓度都应该是y0。第十六页，共七十页，编辑于2023年，星期一固定床吸附原理转效点：当传质区前缘移出吸附柱，则流出气体中吸附质浓度开始增加。当传质区的尾缘也离开了吸附柱的出口截面，这时整个吸附柱都达到饱和，对原料气的吸附质不再具有吸附能力，经过吸附柱后的气体中吸附质浓度仍为ye。当传质区前缘开始达到吸附器出口截面时，这一点即称为转效点，用τ表示时间，则τb为转效时间。（见图1）第十七页，共七十页，编辑于2023年，星期一固定床吸附原理吸附剂的吸附能力以吸附容量来表示。吸附容量分为静吸附容量和动吸附容量。静吸附容量：是在一定温度和被吸附组分浓度一定的情况下每单位重量或单位体积的吸附剂到达平衡时所能吸附物质的最大量，即吸附剂的吸附容量能达到的最大值（平衡值）。第十八页，共七十页，编辑于2023年，星期一动吸附容量动吸附容量：是吸附剂到达“转效点”时的吸附值（吸附器内单位吸附剂的平均吸附容量）。由于气体连续流过吸附剂表面，未达饱和就已流走，故动态吸附容量小于静态吸附容量。第十九页，共七十页，编辑于2023年，星期一1：吸附剂在不同温度下对水分的静吸附容量温度℃255075100125150250分子筛

222118.515963.5活性氧化铝

1062.5〈3〈10

注：上表在水蒸汽分压力0.1KPa的实验数据

第二十页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附剂(3)吸附剂种类吸附剂:一切固体都有吸附能力,但并不都是吸附剂.吸附剂必须具备适当的表面结构、表面积、孔隙大小和分布，使其具有很强的吸附力。常用的吸附剂:空分设备中为纯化空气有分子筛、活性氧化铝、硅胶等。

第二十一页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛

a分子筛

分子筛经加热失去结晶水，晶体内形成许多孔穴，其孔径大小与被吸附气体分子直径相近，且非常均匀。它能把小于孔径的分子吸进孔隙内，把大于孔径的分子挡在孔隙外。因此，它可以根据分子的大小，把各种组分分离，“分子筛”亦由此得名。

第二十二页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛类型:分子筛是人工合成泡沸石，硅铝酸盐的晶体，呈白色粉末，加入粘结剂后可挤压成条状、片状和球状。在空分上常用分子筛13X-APG，1.球状有4X8目，(φ4mm)2.球状有8x12目,(φ2.38mm)3.条状有1/16”,(φ1.6mm,L=3-6mm)现有些厂家有新开发的分子筛,吸附能力提高(10%),可降低能耗或延长工作时间第二十三页，共七十页，编辑于2023年，星期一第二十四页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛分子筛的化学通式为：

Mex/n[(AlO2]]x(SiO2)y]mH2OMe——阳离子，主要是Na+、Ca++、K+；X/n——能置换原子价n的阳离子数;式中n——金属离子的价数；x——AlO2分子数；y——SiO2的分子数；m——结晶水的分子数。第二十五页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛

13X型的分子筛化学通式Na86[(AlO2)86·(SiO2)106].mH2O能吸附临界直径<10艾的分子。1艾=10(-10)米特点:分子筛无毒、无味、无腐蚀性，不溶于水及有机溶剂，但能溶于强酸和强碱。

第二十六页，共七十页，编辑于2023年，星期一第二十七页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛分子筛作为吸附剂有下列特点:①有极强的吸附选择性由于其孔径大小均匀，只能吸附小于其孔径的分子而不吸附大于其孔径的分子，被吸附的分子大小愈接近孔径，它与碳原子之间相互吸引力就愈大，发生的吸附就愈牢。第二十八页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛它对极性分子，特别是水分子(2.8Å)有极大的亲合力,易于吸附,而氢分子(2.4Å)是非极性分子,它虽能通过孔口,进入孔穴,但也不易被吸附,仍可以从分子筛孔口逸出。另如乙烯,乙烷都不能牢固地吸附,会重新解析排出。

第二十九页，共七十页，编辑于2023年，星期一分子筛

②在气体组分浓度低（分压低）的情况下，具有较大的吸附能力。这是因为沸石分子筛的比表面积大于一般吸附剂的缘故，其比表面积达800-1000m2/g。硅胶、活性氧化铝、分子筛等吸附剂对水分的吸附能力较强，常用于吸附干燥各种气体，故称为吸附干燥剂，一般情况下，它们吸附干燥的效能如下表：

第三十页，共七十页，编辑于2023年，星期一表2：常温下不同吸附剂的干燥效能1吸附剂完全再生时不完全再生时

吸附剂

干燥气体的露点℃

硅胶

-60-30活性氧化铝-70-40分子筛-90-60第三十一页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附原理(4)吸附剂用于原料空气的净化1．杂质的吸附与透过经空冷塔冷却后的空气一般在5～20℃左右进入吸附器内吸附纯化。水分乙炔、二氧化碳都是极性或不饱和分子。分子筛对它们都有很强的亲和力。分子筛的共吸附性能使它可以在吸水的同时还可以吸附其它物质，这种亲和力的顺序是：H2O>C2H2>CO2。由于是共吸附，势必会使分子筛对每种组分的吸附容量都将减少。第三十二页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附原理在出吸附剂床层的空气中很快会出现甲烷（CH4）,乙烷(C2H6),接着乙烯(C2H4),丙烷(C3H8)几乎与二氧化碳同时在出吸附剂层的空气中出现。以后才依次出现乙炔（C2H2）,丙烯(C3H6)、丁烷（C4H10）、丁烯（C4H8）。

第三十三页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附原理由于吸附器在工作周期内必须在出口空气中出现二氧化碳之前结束，即切换。这表明乙炔、丙烯、丁烷、丁烯不能随空气进入空分设备内。

第三十四页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附物质可将上述吸附用表3、表4示出：表3：分子筛透过和吸附杂质

透过

甲烷、乙烷、丙烷、乙烯

吸附

(二氧化碳)乙炔、丁烷、丙稀、丁烯……(水).

第三十五页，共七十页，编辑于2023年，星期一表4：杂质穿透分子筛床层顺序

甲烷

立即穿透

乙烷

几乎立即穿透

二氧化碳、丙烷、乙烯

几乎同时穿透，但按相反顺序

乙炔、丙稀

迟一些穿透

丁烷、丁烯

较迟一些穿透

水

很迟穿透

第三十六页，共七十页，编辑于2023年，星期一第三十七页，共七十页，编辑于2023年，星期一b.活性氧化铝

活性氧化铝是用碱从铝盐溶液或用酸从铝盐溶液中沉淀出水合氧化铝，然后经过老化、洗涤、胶溶、干燥和成型得到氢氧化铝，再经脱水而得氧化铝。其化学式为Al2O3。它是白色具有较好的化学稳定性和机械强度的固体吸附剂。

第三十八页，共七十页，编辑于2023年，星期一活性氧化铝

现在使用的活性氧化铝是以α—三水铝石为原料，经过干燥、高温快速脱水，然后经再水化和活化等制备工艺制取的X—ρ型干燥剂。

特点:具有抗压强度高、磨耗低，不粉化，不爆裂等独特的优点，其抗冷热的突变性也很强，在极恶劣的工作条件下，也能承担吸附作用。吸水性能好。

第三十九页，共七十页，编辑于2023年，星期一活性氧化铝

我们现在常用活性氧化铝来初步吸附水分。颗粒φ3-5mm.放在下层。

c．惰性氧化铝30-65%的Al2O3含量，SiO2等组成。铺于床层底层，用于分布气流。在床面分布好的吸附器内，可以不用.

第四十页，共七十页，编辑于2023年，星期一2.影响吸附性能的因素-温度、浓度吸附容量的大小受多种因素的影响，主要有：①

吸附过程的温度和被吸附组分的分压力（或浓度）的影响。随水蒸汽分压力增加而增大，但增大到一定程度以后，吸附容量大体上与分压力无关了。所以应尽量降低吸附过程的温度，温度降低，饱和水分含量也减少，有利于吸附。第四十一页，共七十页，编辑于2023年，星期一影响吸附性能的因素

与气体（或液体）的流速有关流速越高，吸附效果越差，动吸附容量越小。

气体湿度的影响分子筛对相对湿度较低的气体干燥能力较大。

与吸附剂的再生完善程度有关吸附剂解吸再生越彻底，吸附容量就越大，反之越小，而再生的完善程度与再生温度有关，也与再生气体中含有多少吸附质有关。第四十二页，共七十页，编辑于2023年，星期一

影响吸附性能的因素—再生

3.吸附剂的再生为使吸附质从吸附剂表面上解脱出来,从而使吸附剂恢复吸附能力称为“解吸”(或“再生”)。在吸附质与吸附剂充分接触后，终将达到动平衡，被吸附的量达到了最大值（即饱和），“动平衡”是指吸附和解吸的吸附质,分子数相等，处于平衡状态，此时吸附剂失去了吸附能力。吸附和解析事实上是同时进行的，只不过未达饱和前吸附的量大于解析的量。第四十三页，共七十页，编辑于2023年，星期一影响吸附性能的因素—再生

吸附剂被吸附质饱和以后就失去了吸附的能力，应当进行再生，把所吸附的水分，乙炔和二氧化碳赶走，然后再继续使用。再生是吸附的逆过程—解析过程。再生是利用吸附温度越高，压力越低，吸附容量越小的特性进行的，因为气体温度升高，分子动能增大，吸附剂吸附不住吸附质时，吸附质就逃逸了。所以再生在低压、高温下进行。第四十四页，共七十页，编辑于2023年，星期一影响吸附性能的因素吸附剂的再生温度应该是对于该吸附质的吸附容量等于零时的温度，称为完全再生。空气中的乙炔、丙烯、丁烷在吸附器切换之前一般可纯化至<10-4ppm、在解析过程中，大部分乙炔在10分钟之内解析掉，解析气中乙炔的最高含量在加热开始后15分钟左右。第四十五页，共七十页，编辑于2023年，星期一再生（1）吸附剂的再生及能耗再生的基本机理是破坏吸附的动态平衡，人为地使吸附表面上停留的吸附质分子不断减少，最后达到完全脱附的目的。因此，再生是传质和传热同时发生的复杂过程。第四十六页，共七十页，编辑于2023年，星期一再生实际上，在再生结束的时候，吸收层的温度不一定均匀，再生气的出口和入口部位，残留在吸附层中的吸附组分量当然也会产生梯度。随着分子筛流程使用经验的积累，分子筛再生温度也从最先开始的300℃左右下降到160℃左右，甚至还可到100℃左右。在再生温度300℃和200℃比较时，前者吸附容量仅增加～3%，但再生气体所需的热量却要增加～30%。

第四十七页，共七十页，编辑于2023年，星期一再生从设备运转的经济性考虑，以后逐渐将再生气体的进口温度降到160℃左右。随着温度的降低，其吸附容量略有降低。但相差不大，在实际使用中也能很好地运转。在再生加热温度为200℃时，吹冷峰值温度可达160℃左右，这是吸附器的最佳运转工况。第四十八页，共七十页，编辑于2023年，星期一再生

分四步:1.降压2.加温3.吹冷4.升压5.切换在再生加热温度为170℃时，吹冷峰值温度可达130℃左右，这时被吸附的水分和二氧化碳均能解析。再生时间也有关系.再生气量也有关系.可调整。Q总=CMΔt*T（时间）由于电加热器的功率有限，活化时可以降低流量，增加时间和Δt。而工作周期长（4～8h）,其吸附剂用量增多，容器体积变大，气体通过床层的压力降也大、空压机的排压也要相应提高，这增加了能耗。

第四十九页，共七十页，编辑于2023年，星期一三、

空气纯化系统流程和设备的介绍1.流程1.1流程以及测点1）PIS，PDIS，与V1205，V1206、V1207的关系。2）污氮流量的调整与吹冷峰值的关系3）分电加热器流程，关注TIAS，TC4）蒸汽加热器流程等，进口阀的自调5)四种流程介绍1.2时间程序控制图（总则：出口阀门先开，再开进口阀门）第五十页，共七十页，编辑于2023年，星期一流程

1.3.突然断电时阀门状态：气动阀门在断电时关闭。大阀门处于保位状态.i.

短时停车后启动，阀门原位置再走。ii.较长时间停车后阀门要关闭.再启动，工作的吸附器必须充气后再接着走原步骤。1.4阀门和管道安装时注意点1）V1217、V1219等的与压力稳定的关系。第五十一页，共七十页，编辑于2023年，星期一流程2）

电加热器后至吸附器间阀门和管道尽量就近布置，且保温严密。V1211、V1212与吸附器间距尽量接近，V1217管后接入点靠近V1211、V1212，使吹冷管和加温管道共用段减少，以减少加热时管道热损。第五十二页，共七十页，编辑于2023年，星期一

1。吸附器气体的纯化设备是空分系统中不可缺少的一个重要组成部分。净除杂质不仅提高了原料气的洁净度，而且防止了杂质在设备，管路局部部位集结、堵塞，否则将会影响设备的正常运行，严重的甚至会发生爆炸，造成重大的停产事故和不必要的经济损失。

2.设备

第五十三页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附器八十年代后期，从林德引进分子筛吸附器技术.杭氧自八十年代初，在引进林德技术的基础上，开发研制了第一套分子筛吸附器，用于六千空分设备的配套，至今，也已生产了一千以上空分吸附器几百多套。经过摸索和改进提高，结构不断完善发展，设计与制造技术已日趋成熟。目前杭氧已开发成功多套60000Mm3/h氧气空分设备.并对八万、十二万氧气空分进行技术储备.吸附器型式分为：卧式、立式、同心床（径向流）三种吸附器。

第五十四页，共七十页，编辑于2023年，星期一1)

新结构吸附器吸附器工作特点：循环工作，疲劳破坏。强度计算考虑疲劳破坏因素。主要结构如下：1.

下部进口：a,空气进口气体分布装置---已取得发明专利授权。在大型卧式吸附器越来越长时，进气口与封头端部也距离较远，进口局部区域与端部的气流分布不匀，容易导致分子筛床面的吸附性能不同，造成吸附剂的浪费和能耗增加。杭氧气体分布装置的使用，可有效降低能耗，减小吸附器的再生能耗。第五十五页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附器支承栅架防漏技术2.

研制了分子筛吸附器

支承栅架防漏技术，使特大型吸附器设备返修率低，达到了国际先进水平。由于吸附器内部压力、温度交替变化，内件要不断承受热胀冷缩，因此零件间、零件与壳体间只能活动连接，但同时又要防止1.6~3mm的颗粒不能漏下床面，这对于特大型吸附器，床面面积达到100m2以上,其防漏难度很大。以前分子筛泄露事故时有发生，带来较大损失。而现在研制的防漏技术的成功应用，解决了这一制约大型卧式吸附器制造的瓶颈问题。第五十六页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附器3.上部空气出口，氮气进口悬空活动固定着圆管孔式均布器，它以一定的流通面积控制再生气的流速，而用压条焊接在均布器外围的丝网又将工作时随空气携带的粉末过滤掉。在氮气进口处一段距离圆管均无孔，包括圆管至两端封头处也用圆板焊死。

第五十七页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附器四：研制了新型隔板装置，有效地解决了两种吸附剂混床问题。——2008年取得发明专利授权因空分操作失误而造成的吸附剂混合失效，可能带来的空分停产事故，时有发生，一次事故有时造成上百万元损失。该装置很好防止了这种事故的发生。已应用到杭氧所有的双层床吸附器中，获得了满意的使用效果，近年来，我公司生产的吸附器未再有混床事故的发生。第五十八页，共七十页，编辑于2023年，星期一吸附器4.对于大直径容器的鞍式支座，也与以往不同，不用地脚螺栓固定在基础座上。由于自身重量及高径比关系，已足够稳定。所以固定支座端直接放在浇埋于基础座上的钢板上，而在活动支座端下部再焊平面光滑的不锈钢薄板，在其下部放置聚四氟乙烯板，此板四周用固定条焊接，以防摩擦活动板移位。

第五十九页，共七十页，编辑于2023年，星期一5.填装和检修要求：注意：1）吸附器内可能有氮气窒息事故：当人员进入吸附器之前，应先以足够的空气进行置换，以彻底驱除残余污氮气体，同时对设备内空气的含氧量进行分析，应大于20%，以确保人身安全。2）填装分子筛、氧化铝层时，由于空气穿过床层时，传质区平行移动。因此要求每层平整，高低不平会引起某些地方先穿透。第六十页，共七十页，编辑于2023年，星期一6.临时检修的最佳时机和方法：检修最好停车进行.选择检修台在降压末期，适当地人为延长再生侧吸附器降压时间，提前降低工作侧吸附器空气处理量，此时再生侧吸附器污氮进出口阀必须关闭。待降压到比污氮压力稍高时-50kpa，应及时关闭降压阀，防止污氮通过降压阀进入吸附器。并对设备内空气含氧量进行分析，应大于20%氧，确保人身安全。第六十一页，共七十页，编辑于2023年，星期一

同心床吸附器是立式结构。杭氧公司有部分大型空分配套吸附器配此种型式。该结构的吸附床处在两个圆柱形筛网筒之间，加工空气从底部进入，从外筒内四周流向中心，经顶部排出。再生污氮从顶部进入，从中心通道流向外筒四周，经底部排出。杭氧2002年进行研发,2009年在河南信阳20000空分上进行了工业性使用，取得成功。2）同心床（径向流）吸附器第六十二页，共七十页，编辑于2023年，星期一径向流吸附器其优点在于：占地面积小。阻力较低。再生加热时圆柱筛筒可自由热胀冷缩。吸附剂装填厚度可较薄，其高度可根据需要的吸附剂用量设计。吸附器底部和顶部只有简单的缓冲板，使空气和污氮均匀流过而不要装导向板。缺点：制造费用高，再生污氮用量较多。因为设计采用了一些刚性连结和严格的工艺加工，加工费时，对小设备而言，就显得