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    空分設備中吸附器結構型式的設計應用
    2014-01-03 14:28:48    開封空分集團有限公司設計研究院    GM記者瀏覽次數:0  字號:T | T

      通用機械網訊】摘要:通過對兩種空分工藝流程中的吸附器結構進行闡述,分析比較各自的特點及設計重點。


      【關鍵詞】空分裝置 純化系統 吸附分離 吸附器 立式 臥式 結構型式 特點


      一、前言


      工業上分離可吸附氣體的氣體混合物時,吸附操作具有顯著的優越性,目前,由于吸附技術的發展和新型吸附劑的出現,吸附工藝在深冷空分裝置以及常溫變壓吸附空氣制氧、制氮設備中的應用已屬常規選擇。在深冷空分中,分子篩吸附器應用于空氣的純化系統,使空氣中的CO2<1ppm,水<5ppm(1ppm=10-6);采用分子篩常溫變壓吸附由空氣中制富氧和氮氣的工藝也成為另一種空氣分離裝置。


      吸附器結構的設計合理性,則決定了整套裝置的能耗高低、總投資多少及使用操作中的故障率,是考核裝置的性能的關鍵要素之一。結合在實際工程中的設計經驗,就深冷空分(ASU)與常溫變壓吸附(PSA)兩種工藝空分裝置中的吸附器設計關鍵點進行闡述。


      二、深冷空分裝置的吸附器結構型式


      按照裝置等級的大小,深冷空分裝置的吸附器結構可分為以下三種型式:


      1.立式軸向流吸附器


      這是一種簡單實用的分子篩吸附器。容器內設置分子篩格柵,分子篩格柵之上,用于放置分子篩。空氣從吸附器下方進入,由分子篩將空氣中的水分、CO2以及碳氫化合物等吸附,最后從吸附器上部的內置過濾裝置由出氣口送出露點可達-70℃的干燥潔凈空氣。按照工藝流程的要求,單只吸附器四個小時的切換周期,在滿足分子篩裝填量以及運輸限制下,這種結構型式的吸附器主要用于深冷空氣分離設備(ASU)中氧產量10 000Nm?/h以下等級的裝置。如KDON-10000/10000空分裝置,空氣處理量59 000Nm?/h,吸附器的內徑已達到φ4000mm。公路運輸超高限制一般為4.2m高,限制了吸附器的直徑。立式軸向流吸附器的特點是:結構簡單,制造方便,氣流均布容易;缺點就是處理氣量較小。

     

    圖1 立式軸向流吸附器
      圖1 立式軸向流吸附器


      2.臥式徑向流吸附器

     

    圖2 臥式徑向流吸附器
      圖2 臥式徑向流吸附器


      此結構型式常用于深冷空氣分離設備(ASU)中氧產品大于10 000Nm?/h以上等級的裝置空氣預處理系統。隨著空分裝置規模的擴大,分子篩的填充量增加,為了不高于工藝要求的壓力降,分子篩的吸附層高都要有限制,所以,只能增大吸附層截面。由于立式吸附器吸附層截面的限制,因此能相對增大吸附層截面、可以多裝填分子篩量的臥式吸附器應運而生。例如,氧產品五萬等級空分設備中的吸附器,筒體直徑達4.6m、長度將近20m,處理氣量276 000Nm?/h。由于吸附劑床層的層面過于龐大,有氣流分配和保持床層的平整、降低處理和再生氣體進氣時對分子篩床層的沖擊、減少超長筒體進氣口的數量等等的要求。針對這些問題,采用彌漫式分布器,也就是進氣口處使用平鋪孔板加絲網型式的分布板,使氣體能均勻的通過分子篩床層,克服氣體附壁效應,防止氣流短路,充分利用每一處的吸附劑。吸附器的工作溫度范圍大(-10℃~180℃),床層支撐承受很大的熱交變應力,在結構設計時,采用移動式床層支撐結構,防止了絲網的破壞和分布器、筒體的變形。


      為了保證分子篩層面不隨氣流波動,每隔1.5m距離設置隔板,保證裝填分子篩時其層面的平整,以免影響吸附效果。


      特點是:結構簡單、實用,制造也不復雜,但容器尺寸較大,空氣死空間較多,需要額外增加分子篩裝填量,吸附器占地面積較大。


      以上兩種用于深冷空分裝置的吸附器常規結構,考慮工藝特點,其氣體進氣對分子篩床層產生的“沸騰”現象,可以通過切換閥門的開啟速度以及切換程序進行控制,無需必要的分子篩壓緊要求。而主要需要解決的關鍵部位就是在于氣體進氣分配器與反吹氣分配器的結構,其主要的功能就是控制進入吸附器的氣體對分子篩吸附層的直吹以及均勻的分布氣流,避免造成分子篩吸附層產生“短路”及“凹坑”等現象。


      3.立式徑向流吸附器


      為滿足分子篩裝填量,可以通過臥式吸附器增大吸附層截面來實現,但是,無限制的增大截面是不現實也不可能的。由于占地面積、運輸以及氣流分布均勻的限制,臥式容器的直徑和長度都會有所限制。為了滿足生產和運輸的要求,出現一種新型結構型式的吸附器--立式徑向流吸附器。相對于臥式吸附器,立式徑向流吸附器,其分子篩床層為筒形,與吸附器軸線同心,氣流徑向穿過吸附層,隨著空分裝置規模的增大,在保證吸附層厚度不變的情況下,可以增加高度,而不是直徑的無限擴大,這樣在工廠內可以進行吸附器的組裝制作,即可運輸又可保證設備的裝配質量。容器可以直立安裝,減少了占地面積。結構如圖3。

     

    圖3 立式徑向流吸附器
      圖3 立式徑向流吸附器


      通過在進氣口處設置球冠形氣體分布器、控制分子篩床層孔板上無孔區的位置、以及筒體中心設置氣體收集導流筒等方式,強制空氣由筒體的徑向流動穿過吸附床層。


      立式徑向流吸附器改變了傳統吸附器床層的設計方法,主要優點是占地面積小,防止分子篩流態化、流量調節范圍大、外殼不需要保溫、筒體沒有熱應力、床層厚度薄壓力降小,分子篩利用率高。缺點則是制造精度要求高、制作成本較高。


      同樣兩套氧產品5萬等級的低溫空分裝置,表1為兩種結構的吸附器實際參數的比較


      表1: 兩種不同結構吸附器的實際參數比較


      顯而易見,臥式吸附器的分子篩單位處理氣量是1700 m?/h·t,而立式徑向流吸附器的則是3000m?/h·t,臥式吸附器的占地面積也是立式徑向流吸附器的4倍以上。


      三、PSA裝置中的吸附器型式

     


      圖4:PSA裝置中的吸附器型式  


      用于空氣分離制取氮氣和氧氣的PSA裝置,其中制氮裝置的吸附壓力一般在0.8MPa,解吸壓力為常壓,工作周期為2min左右。在吸附器工作時,分子篩必須交替工作在兩種壓力狀態下,這種壓力變化平均每分鐘就要發生一次,空氣進氣與高壓泄壓時必然會對分子篩吸附層產生沖擊。使用一段時間后,不可避免地造成分子篩下沉,也就是與容器之間產生了間隙。隨著較高頻率的壓力變化,分子篩在容器內上下劇烈竄動。這種竄動大大降低了分子篩的機械強度,導致了它的粉化,同時也造成了極不穩定的工作狀態,使得分離效率大大降低。因此,吸附器主要解決的問題是要有效阻止分子篩(吸附劑)的上下竄動,使吸附劑可在相對靜止狀態下完成吸附和解吸,減少分子篩之間的摩擦。分子篩裝入吸附器時,一般無法真正裝填的很結實。因此需要在氣體出口和分子篩之間加裝或充填鎮壓分子篩的壓緊裝置。


      在空氣進氣口安置一個旋風板及篩板,可以有效地改變氣流的速度和方向。氣流的這種運動方式減少了塔內死空間的出現,同時減小了吸附器的氣體分配空間、提高分子篩的利用率;也改變氣流速度和方向,避免高壓氣流對分子篩的沖擊,防止分子篩在吸附器內沸騰,減少分子篩的粉化;提高了分子篩的吸附性能,降低能耗,延長分子篩的使用壽命。


      在吸附器頂部設置分子篩氣缸壓緊裝置,設有棕墊、壓緊板,壓緊板與氣缸連接;氣缸內設有報警裝置。壓緊裝置起到穩定作用,吸收或消除交變應力從而延長分子篩的使用壽命。


      這種氣缸壓緊裝置的方式,適合開封空分設計的1000Nm?/h 以上的PSA制氮裝置,因為其不足之處就是需要額外的氣缸制作,并且氣缸的使用需要有引入額外的儀表氣,使用期間需要保證氣缸的密封性,以免儀表氣漏入吸附器中影響產品氣的純度;有一定的故障率。


      通過改進設計,可以采用如圖5結構的分子篩壓緊方式--壓緊裝置與氣體分布器一體化:即省掉氣缸壓緊,利用分子篩裝填孔的法蘭蓋壓緊力,在法蘭蓋與分子篩之間設置棕墊、壓緊板,這樣,減小了分子篩鎮壓面積,相應的也就減小了壓實裝置的大小;可以盡可能多的裝填分子篩,減小吸附器的體積;錐形孔板起到均勻分布氣體的作用;錐形孔板同時能有效均勻的收集產品氣,省卻產品氣收集器。這樣,空間利用率高、減少制造環節、降低設備成本、設備使用安全系數增高、減少維修量。

     

    圖5:分子篩壓裝方式---壓緊裝置與氣體分布器一體化
      圖5:分子篩壓裝方式---壓緊裝置與氣體分布器一體化


      開封空分兩套600Nm?/h PSA制氮裝置,其吸附器的實際參數見2。


      表2: PSA裝置中兩種不同壓緊裝置尺寸與重量比較


      可以看出,改進后的吸附器單只重量能減少300Kg ,這樣,整套裝置的總體投資也相應減少。


      四、結論


      由于13X分子篩的吸附性能,可以長周期的對空氣中H2O和CO2進行吸附,其吸附屬于平衡分離型,因此,對切換閥門開啟速度以及切換程序的控制,深冷空分裝置中的吸附器無需進行壓緊裝置的設計;PSA裝置吸附屬于速度分離型,根據碳分子篩對空氣中N2和O2吸附速度的差別,通過快速的切換周期進行空氣分離,制取產品,所以,其吸附器則需要通過壓緊裝置阻止高壓空氣對分子篩的沖擊。


      通過對上述兩種不同的空分工藝流程中吸附器結構的比較以及實際數據的比較,對于吸附器的設計需要根據各自的工藝特點、需要制取產品氣的不同以及切換周期的長短來有針對性的進行設計,以便延長分子篩的使用壽命及提高其利用率,努力降低設備的投資,做到簡單實用。GM

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