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1、五、空气的净化57. 空气中有哪些杂质，在空气分离过程中为什么要清除杂质？答：空气是多组分组成，除氧气、氮气外，还有水蒸汽、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物等气体，以及少量的灰尘等固体杂质。每立方米空气中的水蒸气含量约为440g/m 3（随地区和气候而异） ，二氧化碳的含量约为 0.60.9g/m 3,乙炔含量约为0.010.1cm 3/m3（在乙炔站和化工厂附近含量可达 0.051cm 3/m3） ，灰尘等固体杂质的含量约为 0.0050.15g/m 3，冶金厂附近可高达 0.60.9g/m 3.这些杂质在每立方米空气中的含量虽然不大，但由于大型空分设备每小时加工空气量都在几万甚至十几万立方米
2、，因此，每小时带入空分设备的总量还是可观的。以 6000m3/h 制氧机为例，每小时随空气带入空压机的水分量约 1t，经空气冷却器和氮水预冷器后有很大一部分水分将析出。即使如此，每小时带入空分设备的水分还有 200kg。每天随空气吸入的灰尘达 4.89.6kg，甚至更多。而这些杂质对空分设备都是有害的。固体杂质会磨损空压机运转部件，堵塞冷却器，降低冷却效果；水蒸气和二氧化碳在空气冷却过程中会冻结析出沉积在低温换热器、透平膨胀机或精馏塔里，将堵塞通路、管路和阀门，致使空分装置无法生产；乙炔集聚在液氧中爆炸的危险。为了保证空分设备长期安全可靠地运行，必须设置专门的净化设备，清除这些杂质。58. 脉
3、冲反吹自洁式空气过滤器的结构及工作原理？答：脉冲反吹自洁式空气过滤器的主要部件包括：空气滤筒、脉冲反吹反吹系统、净气室、框架、控制系统。反吹系统由气动隔膜阀、电磁阀、专用喷嘴及压缩空气管路组成。控制系统主要由脉冲控制仪、压差变送器、控制电路等组成。自洁式空气过滤器的净气室出口与空压机入口连接，在负压的作用下，从大气中吸入加工空气。空气经过过滤筒，灰尘被滤料阻挡。无数小颗粒粉尘在滤料的迎风表面形成一层尘膜。尘膜可使过滤效果有所提高，同时也使气流阻力增大。当阻力增至高限 600Pa 时，由压差变送器将阻力信号传给脉冲控制仪中的电脑，电脑发出指令，自洁系统开始工作；电磁阀接到指令后，按程序控制、驱动
4、隔膜阀，隔膜阀瞬间释放出压缩空气，其压力为600800KPa， ，经喷头整流后，自滤筒内部反吹滤筒，将滤料外表面的粉尘吹落，阻力随之下降。当阻力达到滤料的初始阻力（约 150KPa）时，自洁系统停止工作。自洁式过滤器的滤筒分成多组，每组包括多个滤筒，每组都设置一个隔膜阀。某一个阀门动作，只反吹它涉及到的那组滤筒，其余各组照常工作，因此自洁系统不影响过滤器的连续工作。滤筒的使用寿命为 1824 个月。滤料为优质防水型滤纸。当滤筒阻力经反吹，居高不下，并升至报警值（800Pa）时，表示滤筒需要更换。更换滤筒的工作简单易行，亦无需停机。59. 脉冲反吹自洁式空气过滤器的性能有何特点？答：脉冲式反吹自
5、洁空气过滤器的优点有：1）滤筒的过滤效率高，阻力低，使用寿命长，且能抗水雾；2）自动反吹清扫灰尘，达到自洁。可保证空压机连续 2 年以上不间断运行。实验证明，连续运行 510 年的离心式空压机内部无明显结垢，叶片毫无粉尘磨损的痕迹；3）设备检修维护方便，费用低。滤筒寿命长，更换方便，且可以不停机更换。滤料为优质防水纸料，价格便宜；4）脉冲反吹自洁式空气过滤器为干式空气过滤器，与湿式空气过滤器相比，加工空气不带油，没有危及空分装置安全的问题。60. 清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔常用哪几种方法？答：清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔的方法最常用的是吸附法和冻结法。吸附法就是用硅胶或分子筛等作吸附
6、剂，把空气中所含的水分、二氧化碳和乙炔，以及液空、液氧中的乙炔等杂质分离出来，浓聚在吸附剂的表面上（没有化学反应） ，加温再生时再把它们赶掉，从而达到净化的目的。例如设置干燥器、二氧化碳吸附器、液空吸附器、液氧吸附器。冻结法就是空气流经蓄冷器或切换式换热器时把其中所含的水分和二氧化碳冻结下来（乙炔不能冻结） ，然后被干燥的返流气体带出装置，即自清除。在高压、中压、高低压制氧系统上，曾用碱洗法清除二氧化碳，即用氢氧化钠（NaOH）的水溶液吸收空气中的二氧化碳。由于操作不便，目前已被淘汰。采用分子筛净化流程可用分子筛同时吸附清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔，使流程简化，已在制氧机上普遍地被采用。6
7、1. 什么叫吸附剂，对吸附剂有什么要求？答：用吸附法净除空气中的水分、二氧化碳和乙炔等杂质。作为吸附用的多孔性固体叫做吸附剂。对吸附剂的要求主要有：1）吸附剂必须是多孔性物质。因为吸附剂只是在固体表面上进行，孔隙越多，表面积越大，吸附能力就越强。2）吸附剂必须是选择性吸附。即只吸附掉需要被清除的组分，不能吸附混合物中全部组分。3）吸附容量要大，就是每公斤吸附剂所能吸附的物质量要大。吸附容量小，所需的吸附剂用量就要多。4）要有一定的强度，耐压、耐磨，不易破碎。5）容易解吸再生。6）价格便宜。能满足上述几个条件，比较好的吸附剂就是常用的硅胶、活性氧化铝、铝胶和分子筛。62. 什么叫分子筛，有哪几种
8、，它有什么特性？答：分子筛是人工合成的晶体铝硅酸盐，也有天然的，俗称泡沸石。分子筛的种类繁多，目前常用的主要有 A 型、X 型和 Y 型三大类型。而每一类型按其阳离子的不同，其孔径和性质也有所不同，又有多种类型，如 3A、4A 、5A、10X、13X等型号。外形有条状和球状，粒度为 26mm。分子筛内空穴占体积的 50%左右，平均每克分子筛有 700800m 2的内表面积。吸附过程产生在空穴内部，它能把小于空穴的分子吸入孔内，把大于空穴的分子挡在孔外，起着筛分分子的作用。分子筛的主要特性有：1）吸附力极强，选择性吸附性能也很好。2）干燥度极高，对高温、高速气流都有良好的干燥能力。水蒸气含量越低
9、，即相对湿度越小，吸附性能越显著。但相对湿度较大时，吸附容量却比硅胶小。3）稳定性好，在 200以下仍能保持正常的吸附容量。分子筛的使用寿命也比较长。4）分子筛对水分的吸附能力特强，其次是乙炔和二氧化碳。高、中压装置上采用分子筛吸附器（一般为 5A 分子筛） ，同时吸附水分、二氧化碳和乙炔，大大简化了工艺流程，操作简单，净化效果好。在全低压大型空分装置上采用分子筛流程，分子筛吸附器一般采用 13X 分子筛。63. 吸附过程是怎样进行的？答：气体（或液体）通过吸附器内吸附层时，吸附剂层不是全部同时吸附，而是分层逐步进行的。气体（或液体）刚通过吸附剂层时，吸附很快，且效率很高，以致气体（或液体）流
10、出吸附剂层时被吸组分可以忽略不计（基本上全部被吸附） 。此时，大部分的吸附是在最上面（沿气流方向的进口部位）比较薄的一层吸附剂上进行的，被吸组分浓度变化很快，称之为“吸附区域（传质区） ”。最上面这一层吸附剂达到饱和后，气体（或液体）流动和吸附继续进行，吸附区域沿吸附剂向下移动。这样逐层下移，当吸附区域接近吸附剂底层时，由于吸附剂上部已完全被吸组分饱和，流出气体（或液体）中被吸组分浓度将显著增加，即达到了所谓的 “转效点” 。继续下去，吸附区域就完全离开了吸附剂层，流出气体（或液体）中被吸组分的浓度就接近了进吸附器时的浓度（初浓度） ，吸附剂层将不再能起到吸附作用。这个变化规律对于用硅胶或分子
11、筛吸附水分、二氧化碳和乙炔都适用。吸附器在使用时没有按规定切换，出口有水分或二氧化碳后，含量就很快增加，无法控制，这就说明吸附剂层已达到“转效点”了。因此，切换再生时间应掌握在吸附区域还未到达最底层时就进行。64. 吸附剂的吸附性能如何衡量，吸附容量与哪些因素有关？答：吸附剂的吸附能力以静吸附容量和动吸附容量来表示。静吸附容量实质是在一定温度和被吸组分浓度一定的情况下，每单位质量（或单位体积）的吸附剂达到吸附平衡时所能吸附物质的最大量。即吸附剂所能达到的最大的吸附量（平衡值）与吸附剂量之比。动吸附容量是吸附剂达到“转效点”时的吸附量（用吸附器内单位吸附剂的平均吸附量来表示） 。通常以“转效时间
12、”来计算，即从流体开始接触吸附剂层到“转效点”的时间。“转效点”是流体流出吸附剂层时被吸组分浓度明显增加的点。由于气体（或液体）连续流过吸附剂表面，吸附剂未达到饱和（吸附量未达到最大值）就已流走，故动吸附容量永远小于静吸附容量。一般取静吸附容量的 40%60% 。设计时用动吸附容量。影响吸附容量的因素较多，主要有：1）吸附过程的温度和被吸组分的分压力。在相同的被吸组分的分压力（或者说浓度）下，吸附容量随温度升高而减小；而在相同的温度下，吸附容量随被吸组分的分压力（或者说浓度）的增加而增加。但它有一个限度，在分压力增加到一定程度以后，吸附容量就基本上与分压力无关了。由此可见，应尽量降低吸附过程的
13、温度，以提高吸附效果。2）气体（或液体）的流速。流速越高，吸附效果越差。动吸附容量降低是因为气体（或液体与吸附剂的接触时间短。流速低一些吸附效果较好。但流速设计的太低，所需吸附器的体积就要很大。所以要选定一个比较合适的流速值（设计时有经验数据可取） 。3）吸附剂的再生完善程度。再生解吸越彻底，吸附容量就越大，反之越小。再生完善程度与再生温度（或压力） 、再生气体中被吸组分浓度有关。需要指出的是，吸附剂经过多次反复地再生，吸附容量会有所减少，吸附性能也有一定的衰减。这是由于吸附剂表面被碳聚合物等所覆盖，或者吸附剂微孔结晶个别地方被破坏。分子筛吸附器设计时应留有余量。4）吸附剂厚度。因为吸附过程是
14、分层进行的，故与吸附剂层厚度（吸附区长度）有关。吸附剂层不能过薄，太薄时因接触时间短，来不及吸附，即使吸附剂层截面积再大也是无用的。吸附剂层厚，吸附效果好。例如，硅胶在压力为 0.6MPa、二氧化碳的含量为30010-6、温度为 110120、流速为 1L/(min.cm2)时，每克硅胶对二氧化碳具有较大的吸附容量，约为 2550mL/g。设计时，取为 28 mL/g，出口气流中二氧化碳含量小于210-6.硅胶对乙炔的动吸附容量，国内常取用 4.5L/kg 或 2.63g/kg（硅胶） 。65. 5A 分子筛与 13X 分子筛各有什么特性，如何选用？答：5A 分子筛是钙型硅铝酸盐。均匀的孔径约
15、为 510-7mm，堆密度为700800kg/m 3，比表面积为 750800m 2/g，孔隙率为 47%，机械强度大于 95%，对水分的吸附容量约为 21.5%，对二氧化碳的吸附容量为 1.5%，在吸附水分、二氧化碳的同时对乙炔等碳氢化合物有共吸附作用。13X 分子筛是钠型硅铝酸盐，均匀的孔径约为 1010-7mm，堆密度为 600700kg/m 3,比表面积为 8001000m 2/g，孔隙率为 50%，机械强度大于 90%，对水分的吸附容量约为28.5%，对二氧化碳的吸附容量为 2.5%，在吸附水分、二氧化碳的同时对乙炔等碳氢化合物有共吸附作用。两种吸附剂相比较，13X 分子筛的吸附性能
16、优于 5A 分子筛。但 13X 分子筛的机械强度及耐磨性稍差，且制造工艺较为复杂，因而价格较高。小型制氧机的分子筛纯化器的工作压力较高，正常压力为 1.52.5MPa,启动杨利伟5.0MPa。制氧机的运转周期短（36 个月） ，加工空气通过分子筛纯化器后要求二氧化碳含量小于 510-6即可。所以，以往中压分子筛纯化器多数选用 5A 分子筛。目前，为延长制氧机的运转周期，也改用 13X 分子筛作为中压纯化器的吸附剂。大型全低压制氧机由于工作压力低（0.50.6MPa） ，分子筛对水分、二氧化碳的动吸附容量降低，且大型制氧机的运转周期长（通常为两年） ，要求空气净化后二氧化碳含量小于 110-6，为了减少分子筛用量，低压分子筛纯化器全部使用 13X 分子筛。66. 干燥器的使用时间与工作温度有什么关系？答：在水蒸气分压力为 1333.2Pa(10mmHg)的情况下，硅胶对水分的吸附容量与温度的关系如下表所示：温度与吸附容量的关系温度 / 60 49 38 32 27 21静吸附容
