分子篩性能指標及評價體系建立研究

胡蘇陽，花亦懷，曾偉平，李秋英(中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028)

0 引言

在分子篩性能篩選評價體系的研究中，由于影響因素眾多、且彼此有一定關聯，導致指標量在一定程度上有所重迭，研究樣本的分布規律也比較復雜。而層次分析法(AHP)可以將復雜的關聯情況簡化，先通過綜合評價因子替代原來的指標量，再按照不同權重將評價目標進行綜合評價。這種簡化結構的處理對于研究分子篩的工程化應用具有重要意義。

1 評價指標的選取

針對分子篩吸附性能及脫附再生性能，大部分研究采用的主要性能研究指標如下。

1.1 吸附容量

是評價吸附劑優良與否的基礎指標。大部分研究是以特定條件下(溫度、壓力)的吸附容量作為篩選吸附劑及吸附劑合成品質優良的評價標準。

1.2 吸附速率

在實際工程中有較大意義。吸附速率越高則可越快達到平衡，用于吸附的設備體量就越小，單位時間的原料氣處理量就越大。

1.3 吸附選擇性(分離系數)

在實際工程中有較大意義。用來判斷某一吸附劑對原料氣中不同組分優先吸附的能力。

1.4 化學穩定性(熱穩、水穩)

熱穩定性：通過觀測高溫下的吸附劑結構進行熱穩定性評價。

水穩定性：大部分研究表明分子篩的吸附量會受相對濕度和吸附循環次數的影響。對原料氣中水分含量較大的研究意義較大。

1.5 抗壓強度(堆積密度研究)

對實際工程中的大型吸附容器具有較大研究價值，吸附劑抗壓強度越高就說明其機械穩定性越好，更適用于氣體處理設備中的大型容器。

1.6 吸附劑磨損率

受磨損的吸附劑其結構會產生變化，從而影響吸附性能。磨損率在移動床及流化床吸附工藝中研究較多，以一段吸附時間過后吸附劑的損失質量與原質量比值進行判斷。

1.7 吸附劑使用壽命(循環使用性)

目前大部分分子篩吸附劑壽命為4～5年，部分研究針對吸附劑的壽命進行研究，以期開發出壽命更長、能耗更低、成本更低的滿足工程實際需求的新型吸附劑[1]。

1.8 再生時間

再生時間可與吸附速率協同研究，吸附速率快再生時間短就可有效減小吸附容器體積，減少吸附劑用量。

1.9 再生度(解吸量)

品質優良的吸附劑必須滿足吸附量大、易再生且再生程度完全的要求。

根據實際條件進行分子篩工業應用性能指標的選取，應滿足能夠直接反映出分子篩吸附劑的吸附、脫附性能以及工業應用所需滿足的性質條件。吸附性能選取的指標有吸附量和分離系數；再生性能選取的指標有再生度和再生時間；應用性能選取的指標為磨損率和價格。

2 評價體系建立及權重確定

AHP法建立的評價體系靈活簡便，可兼顧定性定量兩種分析方法處理各種評價指標，迅速地在我國諸如工程計劃、性能評價、能源系統分析、經濟管理、科研評價等領域得到廣泛的應用。

利用層次分析法對分子篩性能進行分析評價并確定多指標評價的權重，要先進行評價指標層次的劃分。對分子篩性能篩選過程的評價指標層次劃分如圖1所示。

圖1 分子篩性能評價層次劃分圖

如圖1所示，將分子篩性能評價層次分為目標層、準則層和方案層三種。其中目標層G為最高層，內容為期望達到的目標，這個目標要求是唯一的，即篩選出綜合性能最優的分子篩吸附劑。

準則層中采用的準則元素即為評判分子篩性能的各個評價指標，上層準則層A中包括吸附性能、再生性能和經濟成本；下層準則層B中包括吸附量、分離系數(吸附選擇性)兩個評價吸附性能的指標因素，再生時間和再生度(解吸量)兩個評價再生性能的指標因素，以及價格這一經濟性的指標因素。準則層B中的所有元素分別劃歸為準則層A元素的下屬，可由前期調研以及進行后期實驗的探究得到。

為達到從各種分子篩中選出性能最優分子篩的目的，層次劃分的基層為方案層，包括可供選擇的所有不同種類、型號的分子篩。

本次建立的評價指標體系中，在比較吸附性能、再生性能及經濟成本的重要程度時，考慮到吸附性能會直接影響分子篩吸附CO2的吸附效果，而再生性能關乎工藝中分子篩穩定循環利用的效果，因此將兩者放在近似相等的重要程度上。經濟成本也是分子篩篩選中重要的考量標準，目前市場上的分子篩出廠條件均有所差異，且當分子篩的經濟成本被攤銷到實際工藝的使用周期中，在總的成本中所占的比重并不起決定作用，且相對于傳統胺法脫酸工藝相比，其工藝成本也已經大大降低，因此更重要的是考慮吸附性能和再生性能這兩個直接影響工藝效果的因素，經濟成本與性能相比重要程度稍低。

對于第三評價層次，吸附性能中有吸附量和分離系數兩個元素，由于所評價的分子篩選擇的是不同種類及型號的產品，其本身的吸附量和分離系數均有很大的不同，對分子篩的吸附效果產生直接影響，因此認為兩者具有同等重要程度，而吸附選擇性直接關系到分子篩能否適用于天然氣脫碳，因此認為分離系數比前者的重要程度稍高。再生性能中有再生度和再生時間兩個元素，分子篩再生后的最終效果關系整體循環工藝的下一次的吸附脫碳效果，要比再生的時間重要，因此認為再生度比再生時間的重要程度稍高。經濟成本對應的元素只有價格，其重要程度完全傳遞給了這一個元素。

3 構建評價模型

綜合評價需要通過一定的數學方法將多個評價指標值量化，這樣被評價對象才能有較為全面的評價，常用的數學評價模型有：線性加權法、非線性加權法、增益型線性加權法，以及理想點法。

其中，增益型線性加權法是首先針對無量綱化的評價指標構造增益函數，再在此基礎上構建具有增益作用的線性加權評價函數。該方法能夠利用各段的增益體現指標的梯級價值，評價值與指標值不呈線性關系，可以避免線性加權容易產生的指標偏廢的問題，與吸附劑篩選中的部分指標評價的特點一致。

4 結語

通過AHP法建立了分子篩性能篩選所用的評價方法。首先選擇了有關分子篩性能的原始評價指標；其次通過層次分析法劃分了分子篩性能評價的層次；最后構建適用于分子篩性能篩選的評價模型，為最優分子篩的性能篩選奠定了理論方面的基礎。