吸附剂装填过程研究进展

葛铭霞，刘应书，杨 雄，郑新港

（北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）

0 引言

变压吸附技术由于具有操作简单、原料气适应范围广和操作成本低等特点，使其在医疗保健、隧道施工、高原作业、钢铁冶炼、石油化工等各个领域发挥了重要作用。它的广泛应用，使得延长吸附剂使用寿命和提高吸附器生产能力成为工业界关心的问题。作为气体分离的核心介质，吸附剂寿命长短不仅关系到产品气的质量和产量，还关系到企业生产成本和经济效益，其主要影响因素包括吸附剂性能、分离工艺流程和吸附剂装填性能。吸附剂和工艺流程一经确定，科学的装填方法尤其重要。合理的装填方法能避免在床层中留下过多空隙和死空间，降低吸附剂粉化速度，减轻因此引起的阀门泄漏和吸附塔部件损坏，降低后续设备出现运行事故的风险[1]。改善装填效果还能改变吸附器内的流体力学特性，提高设备的生产能力[2]。因此，改进吸附剂装填性能，延长其使用寿命，充分发挥其分离性能，已成为吸附分离领域重要的研究课题。本文将介绍吸附剂颗粒装填技术的研究进展，对影响吸附剂装填效果的因素进行分析，为吸附剂装填技术的进一步研究开发和设计应用提供理论参考。

1 吸附剂装填技术

目前我国大型变压吸附设备的吸附剂装填多采用布袋法，由工人手持帆布筒进行作业[3]。帆布筒一端连接进料斗，另一端由工人手持，通过摆动帆布筒将吸附剂颗粒均匀撒在吸附器床层上，吸附器内的工人需要穿平底木板鞋，一方面在吸附剂表面踩踏进行压实，另一方面分散体重以防止吸附剂被踩碎[4]。但还有些操作条件恶劣的现场，甚至无法对吸附剂装填面进行人工踩实处理。采用布袋法装填的吸附器由于颗粒间架拱作用显著，床层内容易出现空隙，因此装填密度低、均匀性差，且装填质量受人工操作影响较大而缺乏稳定性。

1970年以来，国外许多公司开发的紧密装填技术能够大大减少空隙和架拱[5]。紧密装填法(Denseloading methods)的关键是让颗粒自由降落到床层表面，降落过程中不与其它颗粒碰撞，非球形颗粒趋于水平排列，避免架拱形成空隙[38]，使装填密度接近最大值。同时，控制吸附剂下落速度使之趋于径向分布均匀，以保持床层水平，空隙分布均匀。

美国ARCO(Atlantic Richfield Company)公司发明了一种圆锥型颗粒分布器[6]，如图1所示。该装置通过旋转速度的变化实现颗粒径向密度均匀分布。此方法的缺点在于颗粒抛落范围受到圆锥倾角和旋转速度的限制，因此这种装置只适合装填内径较小的容器。

图1 圆锥颗粒分布器结构示意图

美国Chevron公司设计的一种水平装填装置[7]，如图2，虚线表示颗粒在其中的流动方向。一部分颗粒穿过上层圆盘中心的开孔落入下层圆盘，剩余部分由旋转器抛撒出去。下层圆盘中心也有开孔，这部分从孔中下落的颗粒堆积到床层中心附近，从每层圆锥上滚落的颗粒撒到不同的径向位置。使用该结构时顶部需要足够的空间，因此适合装填小而深的容器。此法的不足在于如不改变旋转速度，那么能装填的径向区域有限。此后他们推出的一种改进装置[8]，如图3。将旋转盘分割成更多的部分，用不同的半径和角度抛洒颗粒来实现均匀。

图2 Chevron公司装填装置结构及颗粒流动示意图

图3 Chevron公司装填装置结构示意图

日本Idemitsu公司设计的一种均匀布料装置[9]，如图4。一根转轴带动若干层布料器同时旋转，控制器改变旋转速率使呈周期变化。布料器呈阶梯状排列，设计好每一级布料器的半径，供入旋转器中的颗粒会沿径向撒入容器。通过计算颗粒散落的距离来确定每一级布料器的直径，使得小半径布料器在最大转动速度下抛落颗粒的堆积位置，和大半径布料器在最小转动速度下抛落颗粒的堆积位置最接近。采用这种方式装入的颗粒，径向的堆积位置呈规则变化，结果表明该装置可进一步改善颗粒径向分布的均匀性。

装填过程中还需要注意对装填环境的控制，要将吸附剂接触大气的时间减至最短，避免吸附剂失效[3]。

图4 颗粒装填装置系统示意图

中小型变压吸附设备的装填，可采用敲击、抽真空、振动频率渐次衰减等方式，尽量减少吸附剂间的空隙，达到密实效果[10]。敲击就是在装填吸附剂时不断用橡皮锤或木锤敲击吸附剂界面部位。抽真空装填是用真空泵从底部不断地抽容器内的空气，减少气体对吸附剂的阻力，并利用压差压实吸附剂。振动频率渐次衰减是用衰减器控制振动装置的振动频率，装填过程中振动频率渐次衰减，使得分子筛在吸附器内部能够充分夯实。结果表明该法效果很好，某公司变压吸附制氧机采用该方法实现了批量填料生产。很多公司为中小型吸附器装填配备专门的车间，控制封闭房间内的温度、湿度，减少人员进出次数，控制屋内环境，并装备配套的振动设备。

国内企业衡量装填质量的主要指标是堆积密度，通过检测装填后的床层体积计算得到。但此法测量的数据不够准确，多种吸附剂多层装填时测量困难，且只在装填好之后检测，仅能作为控制质量的手段。由于缺乏准确、快速的检测手段，装填中即使出现空洞也很难及时发现，造成装填质量不稳定。同时，还有一个衡量装填质量的重要指标——空隙率分布[11]国内的研究不够深入，没有进行过检测。

吸附剂颗粒间的接触力主要为摩擦力和局部粘性力，现有的装填方法主要从减少颗粒间相互作用的角度出发，却难以克服颗粒间的接触阻力，因此应考虑采用定向装填与振动相结合，既降低颗粒间的干扰又克服颗粒接触阻力。引入振动后，振动的能量传递给吸附剂，使其参与运动，颗粒位置重新排列而实现密实。密实过程会引起颗粒间或颗粒内的应变，由于颗粒体内应力的分布和传递是不均匀的，因此仅从整体上改善颗粒分布的均匀性。合理应用密实技术为改进装填工艺提供了一种新思路，可以作为吸附剂颗粒装填技术发展的新方向，进行相关理论研究和设备开发。

2 结束语

随着变压吸附工艺在化工等行业中地位的不断提升，通过优化吸附剂装填结构、改进装填技术来提高效益、降低能耗的要求显得日益迫切。总结国内外装填技术的研究，可以得出以下几点：

1）对于变压吸附装置的装填，改进吸附剂装填参数是提高装填效果的发展趋势；

2）紧密装填法是提高容器装填密度和均匀性的有效方式，采用该原理设计的分布器结构可以有效提高床层装填质量；

3）振动方法是装填吸附剂的有效措施，可以使吸附剂在运动中发生重排，提高密实度，改善吸附剂床层均匀性；

4）实际的吸附剂装填问题看似简单，却十分复杂，许多机理问题至今还不清楚，应进一步开展颗粒密实规律的理论研究，以指导吸附剂紧密装填技术的开发与装填设备的应用。

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