空氣純化設(shè)備原理及操作

空氣純化設(shè)備原理及操作為實(shí)現(xiàn)深冷法分離空氣，空氣液化前如不除去空氣中的水分、二氧化碳和乙炔等雜質(zhì)，將會造成主換熱器通道和精餾塔板堵塞，影響系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行。在分子篩流程凈化空氣之前的空分流程采用可逆式熱交換器流程，通過冷凍脫除水分和二氧化碳。再利用足夠的污氮對可逆式熱交換器吹掃以清除截留住的水分和二氧化碳。可逆式熱交換器并不是在任何情況下都普遍適用的，當(dāng)要求不含水分和二氧化碳的純產(chǎn)品超過處理空氣量的50%時，它就不能適用了。然而分子篩凈化流程就不受此限制。隨著空分裝置規(guī)模的日益擴(kuò)大，設(shè)備操作的安全性越來越受到重視，特別是這些裝置位于嚴(yán)重污染區(qū)，例如在石油化工和化學(xué)聯(lián)合企業(yè)。一、空氣純化原理1、原理空氣純化是利用沸石分子篩的選擇吸附特性，按照變溫變壓（TSA、PSA）吸附原理，吸附空氣中水蒸氣，二氧化碳，乙炔等有害成分。分子篩純化系統(tǒng)由兩只內(nèi)裝吸附劑（13X和Al2O3）的兩只吸附器以及切換閥門管道系統(tǒng)構(gòu)成。來自預(yù)冷系統(tǒng)的含濕飽和空氣首先自下而上流經(jīng)其中一只吸附器，在加壓條件下空氣中的水分、二氧化碳、乙炔等被分子篩吸附，由于分子篩的用量一定，因此在一定時間內(nèi)，分子篩的吸附容量將達(dá)到飽和，即吸附床層穿透，分子篩無繼續(xù)吸附能力。此時，通過手動或自動切換閥門的開關(guān)順序，空氣轉(zhuǎn)而進(jìn)入另一只吸附器繼續(xù)吸附，原先吸附飽和的吸附器，首先向大氣泄壓至常壓再引入被加熱到150℃左右的空氣或污氮?dú)庖耘c吸附工況相反的氣體流向?qū)ξ狡鞔矊蛹訜帷Ｔ缺晃椒肿雍Y吸附劑顆粒內(nèi)部的吸附質(zhì)由于溫度升高而解吸出來，在熱流氣體的推動下被解吸出來的水蒸氣、二氧化碳、乙炔等被趕出吸附床外。由于此時吸附劑床層的溫度很高，不適合下個循環(huán)周期吸附，因此在完成加熱時間后，須引入未經(jīng)加熱的空氣或污氮?dú)怏w對吸附床層進(jìn)行吹冷，使吸附劑床層的溫度降低到接近吸附時的溫度。至此，吸附器的再生工況完成，準(zhǔn)備下次吸附。兩只吸附器就是如此交替輪流吸附和再生工況，從而實(shí)現(xiàn)空氣的連續(xù)凈化。2、專業(yè)術(shù)語或概念注：以下的概念說明如果在闡述其自身變化因而產(chǎn)生的影響時，通常未綜合考慮相關(guān)聯(lián)的因素。2.1何謂分子篩？具有均一微孔結(jié)構(gòu)，并且能選擇性地吸附直徑小于其微孔孔徑的氣體分子的固體吸附劑。主要組成成分為硅鋁酸鹽。分子篩廣泛應(yīng)用于氣體分離和氣體純化。分子篩合成屬高分子化工領(lǐng)域，其性能指標(biāo)涉及硅鋁比、吸附容量、抗壓強(qiáng)度、孔隙容積、比表面積、堆積密度、顆粒尺寸等性能參數(shù)。沸石分子篩的硅鋁比越高，分子篩抗酸堿的能力就越強(qiáng)，但一味提高硅鋁比又會降低其吸附性能。X型分子篩的硅鋁比為1到1.5，可吸附的氣體包括：氧氣，氮?dú)?，氪，氙，酸性氣體，可溶性有機(jī)氣體。13X的微孔直徑10A（10-10米=1A）。2.2分子篩種類分子篩按照其晶體結(jié)構(gòu)分為：A型分子篩（3A，4A，5A）、八面沸石（X型，Y型）、絲光沸石、斜發(fā)沸石等。2.3何謂變溫吸附（TSA）？變溫吸附是利用吸附劑吸附能力隨溫度的變化從而吸附分離所需組分的工藝過程。當(dāng)溫度低時，分子篩吸附容量大，已吸附大量物質(zhì)的吸附劑在當(dāng)溫度升高到某一程度時，吸附劑不但不能繼續(xù)吸附，并且將先前吸附的組分脫附出來。2.4變溫吸附與變壓吸附之間的關(guān)系變溫吸附通常伴隨變壓吸附；變壓吸附不需要要外部熱量導(dǎo)入，但吸附過程將發(fā)生溫度變化；變溫吸附適用于微量組分的脫除，變壓吸附適用于大量組分的分離；變溫吸附操作周期較長，變壓吸附的操作周期很短。變溫吸附通常需要脫除的氣體組分不是單一的，一種或多種組分被吸附劑強(qiáng)烈吸附。其余的組分被微弱吸附，再生氣加溫的目的主要是為了解吸強(qiáng)吸附組分，因此能耗很高；變壓吸附最顯著的特點(diǎn)是周期短，切換損失大，壓力波動顯著，尤其對下游操作影響大。為了繼承PSA和TSA的優(yōu)點(diǎn)并擯棄各自的缺點(diǎn)，國外現(xiàn)在發(fā)展了一種新型的空氣純化工藝：TPSA。它比TSA凈化工藝可節(jié)能20～60%。2.5分子篩中毒所謂的分子篩中毒是指分子篩吸附某一組分物質(zhì)后，不能可逆解吸。幾乎永久喪失其吸附能力，我們把這種現(xiàn)象稱為分子篩中毒。在使用分子篩時，應(yīng)盡力避免被處理的工藝氣體中含有易使分子篩中毒的吸附質(zhì)，如：SO2，NOX，Cl2，HCl，HF等。2.6再生能耗再生能耗（電能、熱能）包括：金屬加熱、吸附劑加熱、二氧化碳解吸熱、水分解吸熱、熱量損失等幾方面所需熱量的總和。2.7吸附和解吸過程的熱量變化吸附劑吸附過程是一個放熱過程，吸附劑解吸再生是一個吸熱過程。空分純化系統(tǒng)之所以能夠連續(xù)切換循環(huán)工作正是基于此機(jī)理實(shí)現(xiàn)的。空分純化器系統(tǒng)的吸附劑在吸附期間，床層溫度由于吸附熱通常將上升3～5℃甚至更高，床層溫升與原料空氣進(jìn)吸附器的溫度有關(guān)，進(jìn)氣溫度越高，床層上升的溫度也越高。然而解吸期間正好相反。再生加熱初期，吸附器出口將出現(xiàn)溫度急劇下降，導(dǎo)致空氣中的水蒸氣在吸附器出口接管外表面凝結(jié)成小水珠，這就是行業(yè)通常所說的“冒汗”現(xiàn)象。2.8吸附溫度吸附溫度是指來自預(yù)冷系統(tǒng)的空氣進(jìn)到吸附器入口時的飽和含水溫度。通常在520℃的范圍內(nèi)。2.9再生溫度再生溫度是指吸附器吸附完成，泄壓之后，經(jīng)蒸汽加熱器或電加熱器加熱后的空氣或污氮?dú)怏w進(jìn)到吸附器入口的溫度。通常為：正常再生150180℃；高溫活化220～250℃的范圍內(nèi)。2.10吸附壓力吸附壓力是指純化器正常工作時或最低的工作壓力(工藝壓力有別于強(qiáng)度壓力)。單位：巴（bar）。吸附壓力越低，則吸附劑吸附容量越低，進(jìn)到吸附器內(nèi)空氣的含水量越多，需要的再生氣量增加，再生能耗增大。2.11吸附（切換）周期習(xí)慣上，吸附周期指單臺純化器從吸附開始到吸附結(jié)束時所經(jīng)歷的時間（單位：小時）。嚴(yán)格地講，應(yīng)該稱為半周期。因?yàn)橐粋€完整周期應(yīng)包括：吸附、泄壓、加熱、吹冷、充壓五個步驟。吸附（半）周期=加熱+吹冷+充壓+泄壓。吸附周期越長，再生氣量變小，能耗降低。但吸附周期增加，容器重量，吸附劑用量增加，生產(chǎn)、運(yùn)輸、采購等成本增加。2.12二氧化碳含量純化器系統(tǒng)的二氧化碳含量包括：原料空氣的二氧化碳含量和純化后空氣的二氧化碳含量。以PPM（V）即體積百萬分比表示。吸附器進(jìn)口空氣的二氧化碳含量通常為350～400PPM；吸附器凈化后空氣出口的二氧化碳含量（凈化指標(biāo)）可達(dá)1PPM或更低?？諝饧兓到y(tǒng)在吸附劑吸附二氧化碳滿足要求時可確保徹底清除空氣中的乙炔。2.13露點(diǎn)露點(diǎn)溫度（簡稱露點(diǎn)）是指空氣中水氣含量不變，氣壓一定時，通過降低氣溫使空氣達(dá)到飽和時的溫度，稱為露點(diǎn)溫度，單位為℃。純化器凈化后空氣出口的含水量可達(dá)到相當(dāng)于常壓露點(diǎn)–70℃，即水蒸氣含量2.58PPM（V），相當(dāng)于20℃時每立方米空氣含0.001936克的水分。3、空分純化系統(tǒng)的組成及各自的功用空氣分離純化系統(tǒng)的組成通常包括：3.1吸附器兩臺每只吸附器內(nèi)裝分子篩吸附劑和活性氧化鋁，用以除去空氣中的水蒸汽，二氧化碳以及乙炔等雜質(zhì)。分子篩常常用13X，也有選用5A分子篩吸附劑的情況。但通常認(rèn)為13X的二氧化碳吸附能力優(yōu)于5A分子篩，5A分子篩再生溫度高于13X分子篩。小型空分純化系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)成單層床，常用5A分子篩。吸附器結(jié)構(gòu)按絕熱方式分為： 內(nèi)絕熱和外絕熱按型式分類： 立式吸附器和臥式吸附器按床層分類： 單層床和雙層床3.2閥門和管道切換系統(tǒng)1套控制空氣的流通和切斷，改變空氣流向，使兩只吸附器交替工作。閥門通常為氣動（電動）程控閥，也可以是手動閥。由于系統(tǒng)工作溫度較高，因此要求閥門可長時間承受250℃以上的高溫。通常閥門選型時，要求其工作耐高溫溫度300℃～400℃。3.3蒸汽加熱器1臺蒸汽加熱器的高溫介質(zhì)可以是飽和蒸汽或過飽和蒸汽。用以加熱再生氣（空氣或污氮）。加熱后的再生氣溫度通常為150～180℃。一般是為了滿足正常再生活化的需要。蒸汽加熱器的結(jié)構(gòu)采用雙管程單殼程、雙管板的U型管換熱器，雙管板結(jié)構(gòu)能夠防止管程蒸汽串入殼程，保證再生安全。介質(zhì)流向通常為蒸汽走管程，再生氣走殼程。但如果蒸汽加熱器采用立式結(jié)構(gòu)，則加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)所在通道需交換，這主要是因?yàn)檎羝诶鋮s介質(zhì)帶走熱量后會形成冷凝水，并確保冷凝水被帶出熱流通道的緣故。從蒸汽加熱器的制造和傳熱效率看，臥式蒸汽加熱器應(yīng)略強(qiáng)于立式。3.4電加熱器1臺電加熱器的作用通常是為了滿足純化系統(tǒng)在高溫活化期間，提高再生器溫度。由于分子篩使用時間過長，有可能使得吸附劑內(nèi)部的吸附劑解吸不徹底，長時間積累，造成吸附劑內(nèi)部吸附質(zhì)本底含量增加，增大到某一程度，造成整個純化器系統(tǒng)的純化效果下降。此時，就需要停止吸附并對吸附劑床層進(jìn)行高溫活化處理，使吸附劑盡可能恢復(fù)其最大吸附能力。高溫活化的溫度通常為230℃～250℃。3.5儀表控制方面：空氣純化系統(tǒng)需要檢測控制的工藝參數(shù)有：空氣進(jìn)口溫度：空氣進(jìn)口溫度應(yīng)保證在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)。由于空氣進(jìn)入吸附器時通常為飽和含水狀態(tài)，在壓力一定的情況下，溫度越高則氣體中含水量越大。因此，空氣進(jìn)口溫度越低越有利于吸附。否則，吸附溫度越高，吸附劑的吸附容量下降，則造成吸附劑用量增加，容器重量增加，再生氣量增加，再生能耗增加。空氣進(jìn)口壓力：空氣進(jìn)口壓力應(yīng)保證在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)，可以允許高于設(shè)計(jì)工況的操作壓力，但必須滿足吸附器強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。在溫度一定的情況下，壓力越高，氣體中的飽和含水量越小，并且吸附劑的吸附能力也隨壓力增加而增加。因此，空氣進(jìn)口壓力在滿足容器設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下越高越有利。必須明確的是，壓力容器的工作壓力不得超出容器名牌所規(guī)定的壓力。再生氣進(jìn)口溫度：再生氣進(jìn)口溫度在供用戶的使用操作說明書中有明確的規(guī)定。正常再生溫度越高越好，但應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)合理性。溫度提高，能耗就越高。冷吹氣進(jìn)口溫度：我們知道，吸附劑的吸附溫度越高，對于凈化效果的負(fù)面影響就越大。在純化器內(nèi)的吸附劑層完成加熱再生之后，此時吸附劑層的溫度很高，不能滿足吸附凈化的使用條件，須用溫度較低的污氮?dú)鈱ξ狡鲀?nèi)的吸附劑吹冷降溫，直到吸附床出口的氣體溫度與吹冷氣入口溫度逼近為止。再生階段的加熱和吹冷的氣流方向與吸附時的氣流方向始終相反。再生氣進(jìn)口壓力：再生氣的進(jìn)口壓力一般很低，通常小于0.15Bar.g。該壓力只要能夠克服氣體通過吸附床層的阻力即可。因此在純化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，需驗(yàn)證阻力損失是否滿足工藝要求。但在整個深冷空分裝置開車初期，精餾工況還未建立前，不能提供污氮?dú)怏w用作純化器系統(tǒng)的再生氣。此時，須由純化系統(tǒng)自己提供再生氣，從純化器出口引入所需的再生氣量經(jīng)減壓閥減壓后用作再生氣。吸附床充壓壓差控制聯(lián)鎖：當(dāng)一只吸附器處于再生結(jié)束后，在下次重新吸附前，為了減小壓力氣體對吸附劑床層的沖擊，需先從正處于吸附工況的純化器出口引入小部分純凈氣體對完成再生的純化器充壓。當(dāng)兩只吸附器的壓差小到一定程度時，再生吸附器充壓完成，允許吸附切換。充壓壓差的控制聯(lián)鎖目的主要有兩個方面：減少壓力氣體對吸附劑層的沖擊預(yù)防吸附劑粉化；自動診斷和預(yù)防氣動閥無法打開故障。電加熱器內(nèi)部中心溫度控制聯(lián)鎖：此檢測點(diǎn)的溫度控制是為了防止電加器“干燒”損壞電加熱管和延長電加熱器使用壽命，同時限制爐膛內(nèi)溫度不得超過某一設(shè)定值。純化后空氣質(zhì)量檢測：純化器出口的常壓露點(diǎn)：-70℃純化器出口的二氧化碳含量：1ppm4.確保并延長分子篩吸附劑的使用壽命運(yùn)行實(shí)踐證明，采用活性氧化鋁和分子篩的雙層吸附床工藝，可減少再生能耗費(fèi)用和避免由于高溫而引起的熱膨脹所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效故障。同時由于活性氧化鋁首先和空氣接觸也利于分子篩的使用壽命延長：活性氧化鋁可以保護(hù)分子篩在空氣污染方面提供良好的防護(hù)，并且活性氧化鋁在溫度較低或在完全沒有加熱的條件下在壓力降低時也容易將所吸附的水分解吸，不象分子篩那樣需要加熱實(shí)現(xiàn)水分解吸；活性氧化鋁吸附水分的吸附熱比分子篩低，從而在干燥周期，空氣溫升較小，有利于二氧化碳在分子篩層的吸附。反之，活性氧化鋁再生活化時所需的解吸熱也較少。二、純化系統(tǒng)的操作1、純化系統(tǒng)流程（略）2、純化系統(tǒng)操作條件的具備純化系統(tǒng)安裝完畢后，應(yīng)對整個系統(tǒng)進(jìn)行吹掃，保證系統(tǒng)管道暢通、干凈，無殘余灰塵、焊渣及其它機(jī)械雜物。可通過氣密性試驗(yàn)檢查安裝連接處是否存在泄漏。吸附劑裝填前的準(zhǔn)備工作：起吊器具，裝填器具（漏斗、耙平木具），搭建裝填平臺。吸附劑裝填應(yīng)盡可能選擇晴朗天氣，按吸附劑用量要求集中裝填。裝填完后應(yīng)將各裝填口密封，裝填時應(yīng)作好裝填記錄。吸附劑裝填完后還應(yīng)檢查運(yùn)輸用盲板或封氮用盲板是否移出，確認(rèn)裝置所需的公用工程條件是否可靠提供（水、電、氣、蒸汽等。）注：本系統(tǒng)的操作還應(yīng)兼顧總體系統(tǒng)的要求。3、純化系統(tǒng)的操作（用戶裝置系統(tǒng)以供給的本系統(tǒng)操作手冊為準(zhǔn)）3.1除手動閥門V9218，V9228，V9231，V9219，V9220，V9213，V9225外，關(guān)閉所有的手動閥。打開所有分析測量儀表的根部閥；3.2所有控制儀表電源，設(shè)備電源是否合閘接通；3.3確認(rèn)儀表氣源是否滿足要求并供給；3.4打開控制系統(tǒng)的程序控制器；3.5將調(diào)壓閥V9226出口壓力調(diào)到0.5bar.g以下；3.6調(diào)整操作參數(shù)至設(shè)計(jì)要求；3.7檢測純化系統(tǒng)出口水分含量和二氧化碳含量指標(biāo)。操作過程描述操作壓力建立開車初期，來自預(yù)冷系統(tǒng)的空氣，首先經(jīng)過小口徑閥門HV9203進(jìn)入純化器D9201充壓并開始吸附，當(dāng)吸附器內(nèi)的壓力達(dá)到操作規(guī)定的工作壓力時，HV9203關(guān)閉且打開V9201以及純化器出口閥V9202打開，純化后空氣去分餾塔并引入適量的純化后空氣用作再生氣。此時純凈空氣壓力較高，必須經(jīng)過減壓后才能用作再生氣（考慮到電加熱器強(qiáng)度安全需要）。直到精餾工況建立后，才能提供并使用干燥的污氮作為再生氣。此時，關(guān)閉手動閥V9225。在純化器D9201吸附期間，純化器D9202處于再生工況。純化器再生實(shí)際上包括兩個階段：前期加熱，后期吹冷。當(dāng)吸附器D9202再生完成后（此時吸附器D9201仍然處在吸附工況），為了避免空氣對吸附器床層造成壓力沖擊，先引一小股空氣通過閥門HV9204對吸附器充壓，充壓程度及時間根據(jù)控制系統(tǒng)所設(shè)定的充壓壓差聯(lián)鎖值PdIS9202來決定。在程序所設(shè)定的充壓時間內(nèi)，如果未達(dá)到PdIS9202設(shè)定的充壓壓差條件要求則程序?qū)⒆詣友娱L充壓時間，直到滿足程序要求的條件才會完成吸附周期切換，此時HV9204關(guān)閉且打開V9202以及純化器D9202出口閥V9208繼續(xù)吸附。純化器D9201則通過HV9211泄壓，直到吸附器內(nèi)壓力幾乎完全降低到大氣壓力時為止.接著，打開閥門V9205和V9209，加熱再生氣開始對吸附器D9201加熱再生。當(dāng)加熱再生完成后，流量調(diào)節(jié)閥FCV9201B關(guān)閉，F(xiàn)CV9201A打開，未經(jīng)加熱的污氮?dú)鈱ξ狡鞔矊舆M(jìn)行吹冷，直到吸附器出口的污氮溫度與吸附器進(jìn)口污氮溫度幾乎接近為止。通常為1～3℃。吸附器D9201再生完成后，首先通過閥門HV9203對其充壓，其后的過程如前面吸附器D9202描述的一樣，兩只吸附器交替重復(fù)吸附和再生，保證了空氣的連續(xù)凈化。高溫再生活化通常是在整個空分裝置停車檢修期間實(shí)施進(jìn)行。與前面描述的正常再生過程的主要區(qū)別是：自循環(huán)的凈化后空氣（或來自分餾塔的污氮?dú)猓┦紫冉?jīng)蒸汽加熱器加熱后，再經(jīng)電加熱器（無蒸汽條件的用戶仍通過串聯(lián)電加熱器）繼續(xù)加熱到更高的活化溫度，如250℃，再進(jìn)到吸附器對吸附劑孔隙內(nèi)殘存的吸附質(zhì)做徹底脫除，使吸附劑獲得并恢復(fù)其最大的吸附能力。在吸附器工作期間，應(yīng)經(jīng)常觀察并記錄各個檢測點(diǎn)的控制參數(shù)，如發(fā)現(xiàn)情況異常，應(yīng)及時分析故障原因并及時排除。此外，對于一些手動閥也應(yīng)定期檢查，如檢查疏水閥V9229，V9221等是否能夠自動排水。如果自動排水功能失效，則打開與其并聯(lián)的手動排水閥，并及時檢修或更換疏水閥。4、純化系統(tǒng)正常再生的閥門工作時序圖4.1正常再生工作時序（見附圖一）4.2高溫再生工作時序高溫活化與正常再生的閥門動作次序相同。一般在全套空分系統(tǒng)檢修期間進(jìn)行。加熱溫度更高，加熱時間和吹冷時間均可延長，電加熱器需要進(jìn)程序控制。三、純化系統(tǒng)常見故障及排除純化系統(tǒng)故障表現(xiàn)是多方面的，由于單個或多種原因造成的最終結(jié)果不外乎歸結(jié)到兩個方面：1、二氧化碳含量超標(biāo)2、水分含量高（常壓露點(diǎn)高）事故分析之前，應(yīng)弄清各個控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)定，具體的各個方面因素羅列如下：項(xiàng)目序號故障現(xiàn)象原因分析解決措施1吸附壓力偏低a.閥門泄露b.預(yù)冷系統(tǒng)氣源壓力低a.檢查閥門b.檢查預(yù)冷系統(tǒng)2再生氣出蒸汽加熱器溫度不夠a.蒸汽量不夠b.換熱管污垢阻力過大a.加大蒸汽量b.清洗換熱管3再生氣出現(xiàn)含水量蒸汽泄露檢查蒸汽加熱器換熱管束4出電加熱器溫度偏低電熱管損壞更換電熱管5純化器出口露點(diǎn)偏高a.再生溫度（氣量）不夠，再生不徹底b.疏水閥不自動排污a.提高再生溫度（氣量