NW-Ⅲ新型分子篩在空分裝置上的應用

張 虎， 荀志偉

(靈石中煤化工有限責任公司，山西 靈石 031303)

引 言

空分裝置通常均有前置式空氣凈化裝置。其目的是脫除空氣中的水分和二氧化碳(CO2在空氣中含量為400×10-6),因為H2O和CO2的凝固點均高于空氣分離的液化溫度，所以他們的凝固會堵塞冷箱的換熱設備，而吸附凈化則是一種安全有效的方法。

1 分子篩吸附器的吸附原理與吸附劑

1.1 吸附原理

吸附是一種把氣態或液態物質(吸附質)固定在固體表面(吸附劑)上的物理現象[1]。這種固體(吸附劑)具有微孔的活性表面，吸附質的分子受到吸附劑引力的作用，從而固定在上面。

引力的大小取決于：吸附劑表面的構造(微孔率)、吸附質的分壓、溫度。吸附伴隨著放熱，是一種可逆的現象，類似于凝結。如果增加壓力，吸附能力增加，再降低溫度，吸附能力繼續增加。因此，在吸附時，壓力升高，溫度降低有利于吸附。反之，壓力降低，溫度升高有利于解吸。

1.2 吸附劑

吸附劑有分子篩、活性氧化鋁。一般把僅使用分子篩吸附的叫單層床吸附器。而把使用分子篩、氧化鋁兩種吸附劑的吸附器叫雙層床吸附器。

空分上的分子篩目前使用較多的是13X-APG型分子篩。利用其顆粒內部多孔性，以及對極性分子具有較強的親和力，有選擇地吸附水分、乙炔、二氧化碳等雜質，可以使空氣得到純化[2]。由于空氣中的有害物質，如二氧化硫、氯化氫、氯和一氧化氮等，同時也會被分子篩吸附，會生成酸性腐蝕物質，直接與分子篩發生反應，在遇水的情況下，使分子篩內部晶格遭到破壞，從而影響分子篩的使用壽命[3]。故大中型空分設備在分子篩純化系統前設置空氣預冷系統，對空氣中的酸性組分、氨氣等進行洗滌凈化，并對空氣進行降溫，以提高分子篩的使用壽命和吸附容量。

活性氧化鋁具有抗壓強度高、磨耗率低、不粉化、不爆裂等特點。其抗冷、熱的突變性也很強[4]。在空氣飽和含水量高時有較好的吸水性，而且與分子篩等高度的床層下，阻力也更低。

活性氧化鋁價格相對較低，所以一般在處理空氣溫度較高(15 ℃～20 ℃左右)、飽和含水量較大時，通常在吸附床層空氣進口均設置活性氧化鋁，利用它對空氣進行初步干燥，更經濟，節能。所以現在大中型空分中選擇雙層床吸附器較為普遍。

2 新型分子篩和普通分子篩對比

結構上普通13X-APG分子篩和新型分子篩NW-Ⅲ均屬于13X型分子篩，關鍵是將結構中的硅鋁比降低(從1.2降到接近1)硅鋁比越接近1，分子篩的低分壓下吸附CO2的能力就越好。

由第159頁圖1可見，在低二氧化碳分壓下，NW-Ⅲ比13X-APG高出約70%的吸附容量，這樣的特性對新裝置設計和既有裝置改造均有好處。

圖1 低CO2分壓下不同型號分子篩的吸附容量

1) 升級到新型分子篩NW-Ⅲ可使既有空分裝置達到以下幾種情況。

①大氣中CO2濃度不變的情況下，可以處理更多的空氣量。

②大氣中CO2濃度不變的情況下，可以處理進氣溫度更高的空氣。

③大氣中CO2濃度不變的情況下，吸附時間可以延長，這樣減少分子篩的再生頻次，降低分子篩的老化速率，延長分子篩的使用壽命，可以節省再生能耗，尤其是以電加熱器為主加熱源的。切換頻次的降低也會對閥門的使用壽命延長。

④大氣中CO2濃度明顯上升的情況下，可以提供更多的吸附余量，保證在一定的吸附時間下出口空氣質量達到空分要求。

2) 新空分裝置在設計時采用高效分子篩NW-Ⅲ，可以達到以下兩種情況。

①在保證一定的吸附時間條件下，純化器的尺寸以及加熱器的功率都可以減少，從而降低制造成本。

②在保證一定的吸附時間條件下，進氣溫度要求可以提升，從而可以降低冷水機組的功率。

3 應用實例

靈石中煤化工有限責任有限公司空分裝置分子篩吸附器為立式雙層床，下部為活性氧化鋁型號為3-5A，裝填量為2×1.6 t，裝填高度0.4 m。上部為分子篩型號為13X-APG 4×8目，裝填量為2×8 t，裝填高度1.5 m。活性氧化鋁與分子篩使用周期為5年半。2018年3月利用大修對其更換為新型分子篩。活性氧化鋁型號為NW-301 3 mm～5 mm，裝填量為2×1.5，裝填高度0.3 m。新型分子篩型號為NW-Ⅲ4×8目，裝填量為2×8.8 t，裝填高度1.85 m。

實際運行結果如下。①將分子篩切換再生周期由4 h延長為6 h。②增加加溫及冷吹時間。經估算分子篩吸附器再生電耗年可以節約22萬元。見表1。

表1 新舊分子篩運行數據對比表

4 結論

分子篩吸附器是影響空分裝置長周期運行的關鍵設備之一，分子篩目前使用較多的是13X-APG型分子篩。利用其顆粒內部多孔性，以及對極性分子具有較強的親和力，有選擇地吸附水分、乙炔、二氧化碳等雜質，可以使空氣得到純化。目前分子篩吸附性能也在不斷提高。近年來，有些公司已經開發出第二代、第三代分子篩，其吸附容量大幅提高。不僅有利于節省設備的投資，節省再生能源。在國家提倡節能減排的大環境下，新型分子篩在空分裝置上的應用勢必將越來越普遍。