分子篩純化器均壓閥開度調節①

申 劍，武艷軍，王利榮，左維強，張國斌

(云銅鋅業股份有限公司氣體分廠，云南昆明五華王家橋 650102）

·工藝與設備·

分子篩純化器均壓閥開度調節①

申 劍，武艷軍，王利榮，左維強，張國斌

(云銅鋅業股份有限公司氣體分廠，云南昆明五華王家橋 650102）

分子篩均壓時，可能導致空壓機流量波動大，導致空壓機電機超負荷，影響空分設備安全運行。分析均壓時分子篩純化器壓力、溫度變化;研究不同調節次數下均壓閥V1207開度情況。結果表明，起始開度隨調節次數減少而增大，同時壓力波動增大。如:當調節次數為10、20和40次時，V1207起始開度分別為28.8、25.3和24.5，每次開度范圍分別為1.8～3.4、1.0～1.7和0.5～1.1。

空分設備;分子篩;充壓;運行優化

云銅鋅業股份有限公司氣體分廠16 000 m3/h空分裝置于2002年2月建成投產，采用分子篩凈化、增壓膨脹、上塔規整填料、液氧內壓縮、全精餾無氫制氬的常溫分子篩凈化大型內壓縮空分流程，氧氣設計產量為16 000 m3/h。

空氣經除塵器除塵、預冷系統冷卻洗滌，經分子篩凈化，除去其水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氫化合物等雜質［1］。分子篩工作一定時間后，吸附能力急劇下降，導致凈化效果差，使分子篩純化器出口空氣所含二氧化碳和水分濃度超標，故其需要再生。因此，分子篩純化器常采用兩只分子篩純化器，其中一只吸附，另一只再生［2］。分子篩純化器運行包括熱吹、冷吹、均壓、并行和卸壓五個步驟，均壓時空壓機流量波動大，可能導致空壓機電機超負荷，影響空分設備安全穩定運行。

文獻［3］采用退火方法設計分子篩閥門開度程序進行模擬，并對拓撲結構進行能量優化，確定穩定構象晶胞常數、原子坐標，估算氣體的密度、生成熱，論證其穩定性。文獻［4］采用水熱合成法制備了一種吸水量高、脫附溫度低介孔分子篩，易于實現工業化生產。文獻［5］分析空分設備運行后分子篩純化系統存在的不足，采取延長分子篩吸附器并行時間、減小吸附器升壓速度和改進蒸汽加熱器系統，實現空分設備長期穩定運行。文獻［6］介紹了3套空分設備流程所存在的問題，針對各自特點進行能耗分析改造，實現了節能降耗。本文以熱力學、流體力學等相關知識為理論依據，研究分子篩均壓閥開度，對提高空分系統安全穩定性有極為重要意義。

1 分子篩均壓分析

1.1 分子篩運行流程

分子篩運行流程如圖1所示。設1號分子篩(MS1）吸附，2號分子篩 (MS2）冷吹剛結束。對于出預冷系統空氣而言，MS2內部為低壓狀態，此時若打開進口閥V1202、出口V1204，必然會對分子篩床層造成較大沖擊。因此，必須打開均壓閥V1207，使出MS1部分空氣進入MS2進行充壓。在空分裝置額定負荷或超負荷生產狀態下，如果均壓閥V1207開度不夠合理，將會導致空壓機流量、功率以及進冷箱氣量大幅波動，影響整個空分設備運行穩定，甚至造成跳車事故。

圖1 分子篩運行流程Fig.1 Themolecular sieve operation process

1.2 熱力學分析

用熱力學理論對分子篩均壓時空氣參數進行分析，可得空氣焓［7］

式中，cp為比定壓熱容，J/(kg·K）;T為熱力學溫度，K;u為單位質量熱力學能，kJ/kg;p為絕對壓力，Pa;v為比體積，m3/kg;cv為比定容熱容，J/(kg·K）; Rg為氣體常數，J/(kg·K）。

空氣設均壓時出MS1空氣溫度、壓力等參數不變，MS2可視為開口系統，據熱力學第一定律［7］

式中，Q為熱功率，kW;d ECV為儲存能增量，kW;h為氣體比焓，kJ/kg;cf為氣體流速，m/s;g為重力加速度，m/s2;z垂直水平高度，m;m為質量流量，kg/s; Wi為推動功，kW;下標1、2分別表示進、出口氣體參數。

經分析，MS1向MS2充壓的過程可視為充氣過程，忽略充入氣體動能及位能，推動功為零(因為MS1向MS2充壓時，除V1207外，MS2其他連接閥門都為關閉狀態）。為方便描述，MS1充入MS2的氣體參數使用下標in表示，即把h1改為hin，把m1改為min表示進入MS2空氣質量和比焓。

2 壓力分配及閥門開度優化

將每次閥門動作前后的中間溫度為參考值，根據式(13）～(17）可知

第n次充入MS2空氣質量為

由于每次閥門調節時間較短，空氣比容可近似看為線性變化，故取第n－1到第n次之間的平均比容為閥門調節依據，則n－1到第n次之間的平均體積流量為

根據V1207閥門開度壓力變化，并以體積變化為參考，以便調節分子篩充壓穩定進行。

設V1207閥門開度為x，則［8］

式中，d為管徑，m;ω為氣體流速，m/s。

3 實例分析

3.1 基本參數

云銅鋅業氣體分廠空分基本參數如下:MS1出口絕對壓力為0.556 MPa，MS1出口空氣流量為81 000 m3/s，出氣溫度為12℃。MS2內絕對壓力為0.100 MPa，空氣溫度為13℃，均壓時間定為20 min。分子篩真空時容納空氣估算值為150 m3，V1207管徑為90 mm，為了保證設備穩定運行，將V1207最大開度定為50。

3.2 調節次數為10時閥門開度

表1 V1207調節10次時閥門開度值Table 1 The valve opening is calculated under 10 times

經過計算，當V1207在10次 (每次調節時間間隔為120 s）調節時，所得第1、2、3、……、10次閥門開度，如表1所示。

3.3 調節次數為20時閥門開度

經過計算，當V1207在20次 (每次調節時間間隔為60 s）調節時，所得第1、2、3、……、20次閥門開度，如表2所示。

3.4 調節次數為40時閥門開度

經過計算，當V1207在40次 (每次調節時間間隔為30 s）調節時，所得第1、2、3、……、40次閥門開度，如表3所示。

表2 V1207調節20次時閥門開度值Table 2 The valve opening is calculated under 20 times

表3 V1207調節40次時閥門開度值Table 3 The valve opening is calculated under 40 times

4 結 語

分別采用均壓閥V1207調節次數為10、20和40均壓運行，均壓時間為20 min，運行結果與本文理論預測一致，驗證本文理論正確性。結果表明:

1.初始閥門開度隨調節次數的增大而減小。當調節次數分別為10、20和40次時，V1207起始開度分別為28.8、25.3和24.5。

2.閥門調節范圍隨調節次數的增大而減小。當調節次數分別為10、20和40次時，閥門每次開度范圍分別為1.8～3.4、1.0～1.7和0.5～1.1。

3.空壓機流量波動量隨調節次數的增大而減小，壓力波動隨調節次數的減小而增大。

通過對空分分子篩均壓閥進行研究，成果對空分設備運行穩定性有一定指導意義。

［1］李化治.制氧技術 ［M］.北京:冶金工業出版社，2003:37-50.

［2］張軍．DCS在大型空分制氧裝置的應用［J］．冶金自動化，2008，32(4）:32-34.

［3］朱水平.計算機模擬對分子篩性能結構及模板機理研究［D］.天津:南開大學，1998:16-29.

［4］李宏愿，魏渝偉，龐玲玲．高吸水介孔分子篩的合成［C］//第14次全國分子篩學術年會論文集.洛陽，2009:175-179.

［5］王洪洋.鞍鋼35000 m3/h空分設備分子篩純化系統的優化操作［J］.深冷技術，2006(3）:46-48.

［6］龐厚芳，高憲國，齊光輝.空分設備加溫流程的優化與應用［J］.深冷技術，2009(5）:9-11.

［7］沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學［M］.3版.北京:高等教育出版社，2006:36-45.

［8］祈德慶.工程流體力學 ［M］.上海:同濟大學出版社，1995:130-136.

The M olecular Sieve Absorber Optim ization

SHEN Jian，WU Yanjun，WANG Lirong，ZUOWeiqiang，ZHANG Guobin

(Gas Production Factory，Yunnan Yuntong Cop per Zinc Industry Co.，Ltd.，Kunming 650102，China）

To an air separation plant，the flow volatility of air compressormay be overloaded and the safe operation may be impacted，when themolecular sieve pressurizing.The pressure and temperature change of the molecular sieve were analyzed.The V1207 opening number were researched under different regulate.The results show that the initial opening and the pressure fluctuations increase if the regulating number decreases.For example，the V1207 start opening is28.8，25.3 and 24.5 and the each opening is 1.8－3.4，1.0－1.7 and 0.5－1.1，with the regulating number is 10，20 and 40.

air separation equipment;molecular sieve;pressurizing;operation optimization

MS1向MS2充壓過程中，主要是要保證MS2壓力變化量相對平穩，若調整閥門波動過大，會使得充壓損失增大，可能使得空壓機背壓波動大，造成空壓機流量、功率增大，造成能源浪費。
為保證壓力平穩變化，將充壓過程分為n次，設充壓前MS2起始壓力為p0(可近似看為當地大氣壓），沖壓后壓力為pn，最終壓力上升(pn－p0），每次調節閥門壓力變化為(pn－p0）/n。第1次、第2次、……、第(n－1）次、第n次充壓后壓力分別為p1=［p0+(pn－p0）/n］、p2=［p0+2(pn－p0）/n］、……、pn－1=［p0+(n－1）(pn－p0）/n］、pn。MS2充壓前溫度為T0，充壓后的溫度為Tn，第1次、第2次、……、第(n－1）次、第n次充壓后的溫度分別為T1、T2、……、Tn－1、Tn。分析可得

TQ116.11

B

1007-7804(2012）04-0018-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.04.004

2012-03-19

云南云銅鋅業股份有限公司科技計劃項目

申 劍 (1985），男，碩士研究生，主要從事空分系統經濟性、可靠性理論研究工作，曾以第一作者在EI核心源刊等發表論文7篇，參加國家自然基金等項目10余項，yzshenjian85@126.com。