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1、分子筛纯化器温度曲线的观察与分析分子筛纯化器温度曲线的观察与分析 孙全海 摘要 本文通过仔细观察分子筛纯化器在削除和再生过程中温度变化所形成的曲线，分析了 形成各种形状的原因，并特别指出在冷吹阶段出现“二次峰值”现象是分子筛床层不平整的 典型特征。目前空分设备中大多采用分子筛纯化器来吸附空气中的水分和二氧化碳，而且绝大 部分采用的是“变温吸附” （TSA）工艺。分子筛纯化器在使用过程中，通常需要对其进口 和出口温度加以监控。在吸附过程中，由空气进出纯化器温度的变化所形成的两条曲线被称 为“吸附温度曲线” ；在再生过程中，由污氮气进出纯化器温度的变化所形成的两条曲线被 称为“再生温度曲线” 。
2、分子筛纯化器运行的好坏，都会在其温度曲线上有所体现。因而，在分子筛纯化器的运 行过程中，认真检查和分析温度曲线，具有很重要的实际意义。 11 吸附温度曲线典型的吸附温度曲线如图 1 所示。一般情况下，只要空气预冷系统正常，空气进纯化 器温度就不会变化，因而温度曲线是一条水平的直线。而空气出纯化器温度除刚开始的一段 时间较高处，以后变化也极小，因而也近似是一条直线。空气在经过纯化器后，温度会有所升高。这是因为空气中的水分和二氧化碳被分子筛吸 附，而吸附是个放热过程。对于全低压流程空分设备而言，空气进纯化器压力在 0.6Mpa（G）左右。如果空气预冷系统配有冷冻机，则空气进纯化器温度约为 10左右
3、。在 这种情况下，空气进出纯化器温度之差约为 4。如果空气进纯化器温度升高，则温差也相应会有所增大，这是因为空气温度升高使得空 气中水含量增多。如果在纯化器使用过程中（刚开始使用的一段时间除外） ，出纯化器空气 温度突然升高，而进纯化器温度和压力却较为稳定，这种情况往往显示空气已经将空冷塔的 水带入分子筛纯化器了。在分子筛纯化器由再生转为使用，吸附工作刚开始的一段时间内，空气出纯化器温度较 高，这时出口温度要比进口高出近 20。这种现象在大多数情况下并不是由于再生过程中 的冷吹不彻底造成的，而是由于纯化器在切换至使用前的充压过程造成的。在空分设备中用于吸附水分和二氧化碳等 13X 分子筛，除对
4、极性分子如水和二氧化碳 等具有吸附能力外，对非极性的氮气和氧气也有一定的吸附作用。充压过程是一个压力上升 的过程，随着压力升高，分子筛的静吸附容量增大，更多的氮气和氧气被 分子筛所吸附。 而这个过程同样是个放热的过程，这种放热使得分子筛床层温度升高。当充压后的纯化器转 为使用时，空气将分子筛床层的热量带出来，从而引起出口温度的升高。由于这种现象并非因冷吹不彻底引起，所以无法通过延长冷吹时间来解决。有的空分设 备中，采用增加一个“混合”步骤，可以减少这种温度波动对主换热器的不利影响。 “混合” 步骤是指刚再生过的纯化器投入使用后，原在吸附工作的纯化器继续使用，并列运行一段时 间。这样由于从原使用
5、的纯化器中出一的空气温度是较低的，混合在一起的空气温度也就不 至于会象单独使用一个纯化器那样高了。 22 再生温度曲线空气进口温度空气出口温度图 1 吸附温度曲线时间温度，C相对于较为简单的吸附温度曲线而言，再生温度曲线要复杂一些。典型的再生温度曲线 如图 2 所示。 2.1 卸压阶段（AB）分子筛纯化器在较高工作压力下（0.5Mpa 以上）完成吸附任务，而在较低的压力下 （10Kpa 左右）进行脱附再生。在纯化器由吸附转为再生时，首先将纯化器内的压力降 下来。压力下降时，分子筛静吸附容量减小，原来被吸附的气体分子或水分子，便有部 分会从分子筛中解吸出来。与吸附的过程的放热效应相对应，脱险再生
6、过程是个需要吸收热量的过程。在卸压 阶段，脱附所需热量只能来自于分子筛床层本身，因而使得床层温度下降。受此影响， 空气进口（污氮气出口）和空气出口（污氮气入口）温度已开始下降。 22 加热阶段（BC）加热阶段开始后，虽然污氮气进口温度迅速升高，但出口温度还会继续下降，一直 可达到10左右，然后才会逐渐升高。经再生加热器加热过的高温污氮气，在由上而 下通过分子筛床层时，首选使得床层上部的分子筛温度升高并对上部的分子筛进行再生。 在此过程中，污氮气的热量一方面传递给了上部的分子筛，另一方面被 解吸出来的二 氧化碳的水分带走了，故污氮气本身的温度迅速下降，到达底部时，已经很低了，所以 污氮气出口温度
7、不会很快升高。加热阶段需要加以监控的主要是污氮气进口温度，它和污氮气流量、加热时间等一 起体现了带入纯化器中的热量的多少。污氮气进口温度主要由加热蒸汽的压力和温度以 及污氮气的流量等因素所决定。有时，加热器后的疏水器出现故障（电加热器不存在此 问题） ，冷凝水不能被及时排除，因加热器内的有效面积减少，污氮气进纯化器温度就会 下降。一般来说，加热阶段主要解吸的是分子筛床层的中上部，并且将热量贮存在分子筛 床层中。 23 冷吹阶段（CD）在冷吹阶段，一方面利用加热阶段贮存在分子筛床层中的热量继续解吸一瞬间的分 子筛，另一方面将床层中的热量带出来，从而为再次投入使用作准备。冷吹开始后，污 氮气进口温
8、度迅速下降，但出口温度还会继续上升，一直达到某个最高点后，才会逐渐 下降。冷吹阶段的污氮气出口温度变化曲线（以下简称冷吹曲线）特别重要。冷吹曲线上 的最高温度点称为“冷吹峰值” ，它是再生过程是否彻底的主要标志。床层 中的分子筛污氮气进口温度污氮气出口温度图 2 再生温度曲线AB C D E 时间温度，C在再生过程中温度自上而下是递减的，所以最底层的分子筛总是再生得最不彻底。如果 冷吹峰值达到 160，则说明纯化器内的所有分子筛都已在此温度之上再生过（靠近筒 体的边缘区因存在散热问题除外） 。影响冷吹峰值的因素主要是加热阶段进纯化器污氮气的温度遍低、流量大小以及加 热时间的长短等。此外，如果在
9、上一个使用周期中分子筛吸附了更多的水分和二氧化碳， 则冷吹峰值会下降。如果分子筛进水，冷吹峰值会显著下降。有时，冷吹曲线上会出现两个峰值，我们称这为“二次峰值”现象，如图 3 所示。 根据我们使用分子筛纯化器十几年来的经验，这种“二次峰值”现象是分子筛床层不平 整的典型特征。良好的分子筛床层，在任何一个水平截面上的温度梯度应该较小，这样的床层 在 再生过程中，最底层的分子筛各处温度差不多始终相等，温度变化曲线也相同。而仪表 所记录下的是各处出来的气体混合在一起后的温度变化曲线，可以认为是一系列的波形 曲线综合在一起后所形成的曲线。由于这一系列的波形曲线 均相同且无相位差，故综 合成的曲线形状不
10、会有所改变。在另一种情况下，当分子筛床层厚薄不均匀时，较薄处分子筛量少而流过的气量多， 分子筛温度变化得就比较快，而较厚处情况正好相反。这样最底层的各处不昌同时达到 峰值，综合成的波形曲线中就有可能出现两个甚至三个峰值。一般来说，分子筛床层不 平整时，冷吹曲线 的开关也会变得“矮”和“胖”一些。冷吹结束时的污氮气出纯化器温度是另一个需要 加以控制的指标，它主要由冷吹 时间、再生气流量以及加热过程中带入热量多少等因素决定。一般来说，分子筛床层不 平整时，冷吹至指定温度需要更长的时间。 24 充压阶段（DE）充压阶段的纯化器内压力是增加的，前面已经叙述，这是空气中杂质被分子筛吸附， 而床层温度升高的过程。受床层温度身高以及保温层中殘余热量的，污氮气进出口温度 都会上升图 3 冷吹温度曲线时间温度，C
