空气纯化设备原理及操作.docx

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1、空气纯化设备原理及操作为实现深冷法分离空气，空气液化前如不除去空气中的水分、二氧化碳和乙焕等杂质，将会造成主换热器通道和精福塔板堵塞，影响系统稳定和安全运行。在分子筛流程净化空气之前的空分流程采用可逆式热交换器流程，通过冷冻脱除水分和二氧化碳。再利用足够的污氮对可逆式热交换器吹扫以清除截留住的水分和二氧化碳。可逆式热交换器并不是在任何情况下都普遍适用的，当要求不含水分和二氧化碳的纯产品超过处理空气量的50%时，它就不能适用了。然而分子筛净化流程就不受此限制。随着空分装置规模的日益扩大，设备操作的安全性越来越受到重视,特别是这些装置位于严重污染区，例如在石油化工和化学联合企业。一、空气纯化原理1

2、、原理空气纯化是利用沸石分子筛的选择吸附特性，按照变温变压（TSA、PSA）吸附原理，吸附空气中水蒸气，二氧化碳，乙焕等有害成分。分子筛纯化系统由两只内装吸附剂（13X和A12O3）的两只吸附器以及切换阀门管道系统构成。来自预冷系统的含湿饱和空气首先自下而上流经其中一只吸附器，在加压条件下空气中的水分、二氧化碳、乙焕等被分子筛吸附，由于分子筛的用量一定，因此在一定时间内，分子筛的吸附容量将达到饱和，即吸附床层穿透，分子筛无继续吸附能力。此时，通过手动或自动切换阀门的开关顺序，空气转而进入另一只吸附器继续吸附，原先吸附饱和的吸附器，首先向大气泄压至常压再引入被加热到150C左右的空气或污氮气以与

3、吸附工况相反的气体流向对吸附器床层加热。原先被吸附分子筛吸附剂颗粒内部的吸附质由于温度升高而解吸出来，在热流气体的推动下被解吸出来的水蒸气、二氧化碳、乙烘等被赶出吸附床外。由于此时吸附剂床层的温度很高，不适合下个循环周期吸附，因此在完成加热时间后，须引入未经加热的空气或污氮气体对吸附床层进行吹冷，使吸附剂床层的温度降低到接近吸附时的温度。至此，吸附器的再生工况完成，准备下次吸附。两只吸附器就是如此交替轮流吸附和再生工况，从而实现空气的连续净化。2、专业术语或概念注：以下的概念说明如果在阐述其自身变化因而产生的影响时，通常未综合考虑相关联的因素。2.1 何谓分子筛？具有均一微孔结构，并且能选择性

4、地吸附直径小于其微孔孔径的气体分子的固体吸附剂。主要组成成分为硅铝酸盐。分子筛广泛应用于气体分离和气体纯化。分子筛合成属高分子化工领域，其性能指标涉及硅铝比、吸附容量、抗压强度、孔隙容积、比表面积、堆积密度、颗粒尺寸等性能参数。沸石分子筛的硅铝比越高，分子筛抗酸碱的能力就越强，但一味提高硅铝比又会降低其吸附性能。X型分子筛的硅铝比为1到1.5,可吸附的气体包括：氧气，氮气，氨，酸性气体,可溶性有机气体。13X的微孔直径IOA(IO-K)米=1A).2.2 分子筛种类分子筛按照其晶体结构分为：A型分子筛(3A,4A,5A)、八面沸石(X型，Y型)、丝光沸石、斜发沸石等。2.3 何谓变温吸附(TS

5、A)?变温吸附是利用吸附剂吸附能力随温度的变化从而吸附分离所需组分的工艺过程。当温度低时，分子筛吸附容量大，已吸附大量物质的吸附剂在当温度升高到某一程度时，吸附剂不但不能继续吸附，并且将先前吸附的组分脱附出来。2.4 变温吸附与变压吸附之间的关系变温吸附通常伴随变压吸附；变压吸附不需要要外部热量导入，但吸附过程将发生温度变化；变温吸附适用于微量组分的脱除，变压吸附适用于大量组分的分离；变温吸附操作周期较长，变压吸附的操作周期很短。变温吸附通常需要脱除的气体组分不是单一的，一种或多种组分被吸附剂强烈吸附。其余的组分被微弱吸附,再生气加温的目的主要是为了解吸强吸附组分,因此能耗很高；变压吸附最显著

6、的特点是周期短，切换损失大，压力波动显著，尤其对下游操作影响大。为了继承PSA和TSA的优点并排弃各自的缺点，国外现在发展了一种新型的空气纯化工艺：TPSA。它比TSA净化工艺可节能2060%。2.5 分子筛中毒所谓的分子筛中毒是指分子筛吸附某一组分物质后，不能可逆解吸。几乎永久丧失其吸附能力，我们把这种现象称为分子筛中毒。在使用分子筛时，应尽力避免被处理的工艺气体中含有易使分子筛中毒的吸附质，如：SO2,NOx,Cl2,HCl,HF等。2.6 再生能耗再生能耗（电能、热能）包括：金属加热、吸附剂加热、二氧化碳解吸热、水分解吸热、热量损失等几方面所需热量的总和。2.7 吸附和解吸过程的热量变化

7、吸附剂吸附过程是一个放热过程，吸附剂解吸再生是一个吸热过程。空分纯化系统之所以能够连续切换循环工作正是基于此机理实现的。空分纯化器系统的吸附剂在吸附期间，床层温度由于吸附热通常将上升35甚至更高，床层温升与原料空气进吸附器的温度有关，进气温度越高，床层上升的温度也越高。然而解吸期间正好相反。再生加热初期，吸附器出口将出现温度急剧下降，导致空气中的水蒸气在吸附器出口接管外表面凝结成小水珠，这就是行业通常所说的“冒汗”现象。2.8 吸附温度吸附温度是指来自预冷系统的空气进到吸附器入口时的饱和含水温度O通常在520的范围内。2.9 再生温度再生温度是指吸附器吸附完成，泄压之后，经蒸汽加热器或电加热器

8、加热后的空气或污氮气体进到吸附器入口的温度。通常为：正常再生150180C;高温活化220250的范围内。2.10 吸附压力吸附压力是指纯化器正常工作时或最低的工作压力（工艺压力有别于强度压力）。单位：巴（bar）0吸附压力越低，则吸附剂吸附容量越低，进到吸附器内空气的含水量越多，需要的再生气量增加，再生能耗增大。2.11 吸附（切换）周期习惯上，吸附周期指单台纯化器从吸附开始到吸附结束时所经历的时间（单位：小时）。严格地讲，应该称为半周期。因为一个完整周期应包括：吸附、泄压、加热、吹冷、充压五个步骤。吸附（半）周期=加热+吹冷+充压+泄压。吸附周期越长，再生气量变小，能耗降低。但吸附周期增加

9、，容器重量，吸附剂用量增加，生产、运输、采购等成本增加。2.12 二氧化碳含量纯化器系统的二氧化碳含量包括：原料空气的二氧化碳含量和纯化后空气的二氧化碳含量。以PPM（V）即体积百万分比表示。吸附器进口空气的二氧化碳含量通常为350400PPM;吸附器净化后空气出口的二氧化碳含量（净化指标）可达IPPM或更低。空气纯化系统在吸附剂吸附二氧化碳满足要求时可确保彻底清除空气中的乙焕。2.13 露点露点温度（简称露点）是指空气中水气含量不变，气压一定时，通过降低气温使空气达到饱和时的温度，称为露点温度，单位为七。纯化器净化后空气出口的含水量可达到相当于常压露点-70,即水蒸气含量2.58PPM（V）

10、,相当于20时每立方米空气含0.001936克的水分。2.14 纯化系统的组成及各自的功用空气分离纯化系统的组成通常包括：3.1 吸附器两台每只吸附器内装分子筛吸附剂和活性氧化铝，用以除去空气中的水蒸汽，二氧化碳以及乙焕等杂质。分子筛常常用13X,也有选用5A分子筛吸附剂的情况。但通常认为13X的二氧化碳吸附能力优于5A分子筛，5A分子筛再生温度高于13X分子筛。小型空分纯化系统通常设计成单层床，常用5A分子筛。吸附器结构按绝热方式分为：内绝热和外绝热按型式分类：立式吸附器和卧式吸附器按床层分类：单层床和双层床3.2 阀门和管道切换系统1套控制空气的流通和切断，改变空气流向，使两只吸附器交替工

11、作。阀门通常为气动（电动）程控阀，也可以是手动阀。由于系统工作温度较高，因此要求阀门可长时间承受250以上的高温。通常阀门选型时，要求其工作耐高温温度300C-4000Co3.3 蒸汽加热器1台蒸汽加热器的高温介质可以是饱和蒸汽或过饱和蒸汽。用以加热再生气（空气或污氮）。加热后的再生气温度通常为150180C。一般是为了满足正常再生活化的需要。蒸汽加热器的结构采用双管程单壳程、双管板的U型管换热器，双管板结构能够防止管程蒸汽串入壳程，保证再生安全。介质流向通常为蒸汽走管程，再生气走壳程。但如果蒸汽加热器采用立式结构，则加热介质和冷却介质所在通道需交换，这主要是因为蒸汽在冷却介质带走热量后会形成

12、冷凝水，并确保冷凝水被带出热流通道的缘故。从蒸汽加热器的制造和传热效率看，卧式蒸汽加热器应略强于立式。3.4 电加热器1台电加热器的作用通常是为了满足纯化系统在高温活化期间，提高再生器温度。由于分子筛使用时间过长，有可能使得吸附剂内部的吸附剂解吸不彻底，长时间积累，造成吸附剂内部吸附质本底含量增加，增大到某一程度，造成整个纯化器系统的纯化效果下降。此时,就需要停止吸附并对吸附剂床层进行高温活化处理，使吸附剂尽可能恢复其最大吸附能力。高温活化的温度通常为230C250C.3.5 仪表控制方面：空气纯化系统需要检测控制的工艺参数有：空气进口温度：空气进口温度应保证在设计许可范围内。由于空气进入吸附

13、器时通常为饱和含水状态，在压力一定的情况下，温度越高则气体中含水量越大。因此，空气进口温度越低越有利于吸附。否则，吸附温度越高，吸附剂的吸附容量下降，则造成吸附剂用量增加，容器重量增加，再生气量增加，再生能耗增加。空气进口压力：空气进口压力应保证在设计许可范围内，可以允许高于设计工况的操作压力,但必须满足吸附器强度设计的要求。在温度一定的情况下，压力越高，气体中的饱和含水量越小，并且吸附剂的吸附能力也随压力增加而增加。因此，空气进口压力在满足容器设计强度的前提下越高越有利。必须明确的是，压力容器的工作压力不得超出容器名牌所规定的压力。再生气进口温度：再生气进口温度在供用户的使用操作说明书中有明

14、确的规定。正常再生温度越高越好，但应考虑到经济合理性。温度提高，能耗就越高。冷吹气进口温度：我们知道，吸附剂的吸附温度越高，对于净化效果的负面影响就越大。在纯化器内的吸附剂层完成加热再生之后，此时吸附剂层的温度很高，不能满足吸附净化的使用条件，须用温度较低的污氮气对吸附器内的吸附剂吹冷降温，直到吸附床出口的气体温度与吹冷气入口温度逼近为止。再生阶段的加热和吹冷的气流方向与吸附时的气流方向始终相反。再生气进口压力：再生气的进口压力一般很低，通常小于0.15Bar.go该压力只要能够克服气体通过吸附床层的阻力即可。因此在纯化器结构设计时，需验证阻力损失是否满足工艺要求。但在整个深冷空分装置开车初期

15、，精储工况还未建立前，不能提供污氮气体用作纯化器系统的再生气。此时，须由纯化系统自己提供再生气，从纯化器出口引入所需的再生气量经减压阀减压后用作再生气。吸附床充压压差控制联锁：当一只吸附器处于再生结束后，在下次重新吸附前，为了减小压力气体对吸附剂床层的冲击，需先从正处于吸附工况的纯化器出口引入小部分纯净气体对完成再生的纯化器充压。当两只吸附器的压差小到一定程度时，再生吸附器充压完成，允许吸附切换。充压压差的控制联锁目的主要有两个方面：减少压力气体对吸附剂层的冲击预防吸附剂粉化；自动诊断和预防气动阀无法打开故障。电加热器内部中心温度控制联锁：此检测点的温度控制是为了防止电加器“干烧”损坏电加热管

16、和延长电加热器使用寿命，同时限制炉膛内温度不得超过某一设定值。纯化后空气质量检测：纯化器出口的常压露点：-70C纯化器出口的二氧化碳含量：1ppm4.确保并延长分子筛吸附剂的使用寿命运行实践证明，采用活性氧化铝和分子筛的双层吸附床工艺，可减少再生能耗费用和避免由于高温而引起的热膨胀所导致的结构失效故障。同时由于活性氧化铝首先和空气接触也利于分子筛的使用寿命延长：活性氧化铝可以保护分子筛在空气污染方面提供良好的防护，并且活性氧化铝在温度较低或在完全没有加热的条件下在压力降低时也容易将所吸附的水分解吸，不象分子筛那样需要加热实现水分解吸；活性氧化铝吸附水分的吸附热比分子筛低，从而在干燥周期，空气温

17、升较小，有利于二氧化碳在分子筛层的吸附。反之，活性氧化铝再生活化时所需的解吸热也较少。二、纯化系统的操作1、纯化系统流程（略）2、纯化系统操作条件的具备纯化系统安装完毕后，应对整个系统进行吹扫，保证系统管道畅通、干净，无残余灰尘、焊渣及其它机械杂物。可通过气密性试验检查安装连接处是否存在泄漏。吸附剂装填前的准备工作：起吊器具，装填器具（漏斗、耙平木具），搭建装填平台。吸附剂装填应尽可能选择晴朗天气，按吸附剂用量要求集中装填。装填完后应将各装填口密封，装填时应作好装填记录。吸附剂装填完后还应检查运输用盲板或封氮用盲板是否移出，确认装置所需的公用工程条件是否可靠提供（水、电、气、蒸汽等。）注：本系

18、统的操作还应兼顾总体系统的要求。3、纯化系统的操作（用户装置系统以供给的本系统操作手册为准）3.1 除手动阀门V9218,V9228,V9231,V9219,V9220,V9213,V9225外，关闭所有的手动阀。打开所有分析测量仪表的根部阀；3.2 所有控制仪表电源，设备电源是否合闸接通；3.3 确认仪表气源是否满足要求并供给；3.4 打开控制系统的程序控制器；3.5 将调压阀V9226出口压力调到0.5bar.g以下；3.6 调整操作参数至设计要求；3.7 检测纯化系统出口水分含量和二氧化碳含量指标。操作过程描述操作压力建立开车初期，来自预冷系统的空气，首先经过小口径阀门HV9203进入纯

19、化器D9201充压并开始吸附，当吸附器内的压力达到操作规定的工作压力时，HV9203关闭且打开V9201以及纯化器出口阀V9202打开，纯化后空气去分储塔并引入适量的纯化后空气用作再生气。此时纯净空气压力较高，必须经过减压后才能用作再生气（考虑到电加热器强度安全需要）。直到精福工况建立后，才能提供并使用干燥的污氮作为再生气。此时，关闭手动阀V9225。在纯化器D9201吸附期间，纯化器D9202处于再生工况。纯化器再生实际上包括两个阶段：前期加热，后期吹冷。当吸附器D9202再生完成后（此时吸附器D9201仍然处在吸附工况），为了避免空气对吸附器床层造成压力冲击，先引一小股空气通过阀门HV92

20、04对吸附器充压，充压程度及时间根据控制系统所设定的充压压差联锁值PdIS9202来决定。在程序所设定的充压时间内，如果未达到PdIS9202设定的充压压差条件要求则程序将自动延长充压时间，直到满足程序要求的条件才会完成吸附周期切换，此时HV9204关闭且打开V9202以及纯化器D9202出口阀V9208继续吸附。纯化器D9201则通过HV9211泄压，直到吸附器内压力几乎完全降低到大气压力时为止.接着，打开阀门V9205和V9209,加热再生气开始对吸附器D9201加热再生。当加热再生完成后，流量调节阀FCV920IB关闭，FCV920IA打开，未经加热的污氮气对吸附器床层进行吹冷，直到吸附

21、器出口的污氮温度与吸附器进口污氮温度几乎接近为止。通常为13。吸附器D9201再生完成后，首先通过阀门HV9203对其充压，其后的过程如前面吸附器D9202描述的一样，两只吸附器交替重复吸附和再生，保证了空气的连续净化。高温再生活化通常是在整个空分装置停车检修期间实施进行。与前面描述的正常再生过程的主要区别是：自循环的净化后空气（或来自分储塔的污氮气）首先经蒸汽加热器加热后，再经电加热器（无蒸汽条件的用户仍通过串联电加热器）继续加热到更高的活化温度，如250C,再进到吸附器对吸附剂孔隙内残存的吸附质做彻底脱除，使吸附剂获得并恢复其最大的吸附能力。在吸附器工作期间，应经常观察并记录各个检测点的控

22、制参数，如发现情况异常，应及时分析故障原因并及时排除。此外，对于一些手动阀也应定期检查,如检查疏水阀V9229,V9221等是否能够自动排水。如果自动排水功能失效，则打开与其并联的手动排水阀，并及时检修或更换疏水阀。4、纯化系统正常再生的阀门工作时序图4.1 正常再生工作时序（见附图一）4.2 高温再生工作时序高温活化与正常再生的阀门动作次序相同。一般在全套空分系统检修期间进行。加热温度更高，加热时间和吹冷时间均可延长，电加热器需要进程序控制。三、纯化系统常见故障及排除纯化系统故障表现是多方面的，由于单个或多种原因造成的最终结果不外乎归结到两个方面：1、二氧化碳含量超标2、水分含量高（常压露点

23、高）事故分析之前，应弄清各个控制点的设计参数规定，具体的各个方面因素罗列如下：项目序故障现象原因分析解决措施1吸附压力偏低a.阀门泄露b.预冷系统气源压力低a.检查阀门b.检查预冷系统2再生气出蒸汽加热器温度不够a.蒸汽量不够b.换热管污垢阻力过大a.加大蒸汽量b.清洗换热管3再生气出现含水量蒸汽泄露检查蒸汽加热器换热管束4出电加热器温度偏低电热管损坏更换电热管5纯化器出口露点偏高a.再生温度（气量）不够，再生不彻底b.疏水阀不自动排污a.提高再生温度（气量）b.检查疏水阀6二氧化碳含量超标再生温度（气量）不够吹冷时间不够吸附压力不够吸附温度偏高二氧化碳分析仪不准分子筛性能老化提高再生温度（气

24、量）延长吹冷时间同第1条检查预冷系统检查或校对二氧化碳分析仪a.更换吸附剂;b.缩短吸附周期纯化系统.操作简单，无人控制。但需要时常观察疏水阀情况是否正常，蒸汽条件和仪表空气条件等公用工程耗量的供应是否正常。设备初次开车合格后，记录各个工艺参数设定的用量条件和工作状态，以便今后参考和操作对比，方便经验总结。操作参数一经设定，原则上不得任意改动。设备运行、管理主要是一个经验积累的过程，在操作中不断总结、改进、优化、完善操作。在纯化器运行中，优先关注纯化后气体的二氧化碳含量指标，该指标实际体现了空气中其它有害成分的净化程度。由于分子筛经常长时间在加温条件下运行，存在时效和老化问题，因此其系统运行性能必然出现衰减，不可能一直不变，因此，纯化系统的正常再生温度在满足活化要求的前提下，尽可能要低。这不仅能够延长分子筛的使用寿命，而且节约了能耗。如果纯化系统长时间运行但其净化效果不良，如净化后空气常压露点高于一65C；二氧化碳含量高于3PPM,则务必考虑缩短分储塔系统的维护、检修周期，确保系统安全运行。附图一纯化器正常再生程序注表示阀门打开本系统是以2小时切换一次表示