分子筛在空气纯化系统中的应用

马志虎

摘要:文章介绍了分子筛纯化器的结构和立式径向双层床特点以及13X

分子筛的结构、性能参数，详细叙述

了分子筛再生的机理及特殊再生过程。

关键词:分子筛纯化系统立式径向流双层床结构再生

分子筛纯化系统是空分设备中空气净化的关键设

备, 也是空分设备长期安全运行的一个保障。随着工业

污染的加剧, 很多空分设备周围大气中的杂质含量偏高

, 因此了解分子筛的性能和大气中杂质对分子筛的影响,

无论是对空分设备的设计还是对空分设备的运行管理都

有重要的意义。

一、分子筛纯化系统简介

空分设备中, 分子筛纯化系统设置在空气预冷系统

之后。被压缩的空气经过空气预冷系统冷却后, 空气中

的水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物等仍然存在。

如果空气不经纯化处理, 被冻结下来的水分和二氧化碳

沉积在低温换热器、透平膨胀机或精馏塔里, 就会堵塞

通道、管路和阀门, 乙炔积聚在液氧中更有爆炸的危险。

因此分子筛纯化系统的作用就是清除空气中所含的水

分、乙炔、二氧化碳、丙烯和丁烯等杂质, 从而保证空

分设备长期安全、可靠的运行。 目前，国内空分设备

使用的空气纯化器，按放置方式来分有立式和卧式两种；

从结构来分有单层床和双层床两种。立式空气纯化器具

有占地面积小的优点，而卧式空气纯化器结构虽然较为

简单，但占地面积较大，因而使用场合具有局限性。单

层床中使用的吸附剂是分子筛，承担着吸附水分、二氧

化碳及碳氢化合物等有害组分。单层床和双层床相比，

双层床具有以下优点：

（1）氧化铝对空气中的酸性组分( 例如S02、

NO2、HCl等) 部分可以吸附，而这些酸性组分对分子

筛是有害的，因为它可以和分子筛吸附的水分生成酸，使

分子筛的晶格受到破坏，即使分子筛中毒，损害了分子筛

的性能。采用双层床后，预先用铝胶将水吸附，这就对分

子筛起了良好的保护作用，延长分子筛的使用寿命。

（2）分子筛对水较氧化铝有较强的亲合力，因而

解吸时消耗的能量要多；用氧化铝来去除水分，可降低

再生能耗。

（3）吸附水分所需的分子筛用铝胶代替，可节省

成本，因铝胶的价格比分子筛要便宜得多。在相对湿度

100 % ( 即饱和) 的空气中, 活性氧化铝的吸湿性能更优

于分子筛，在吸附床下层用氧化铝吸附饱和空气中的水

分后, 待水分的浓度在氧化铝处降低后, 再利用上层的分

子筛进行深度吸附。分子筛吸附器净化程度一般可达出

口空气露点为-60 ℃以下, 二氧化碳含量≤ 1 ×10-6 。

二、立式径向流双层床纯化器

神华宁煤集团煤炭化学工业分公司烯烃公司

2×95000Nm3/h 空分装置采用法国液空公司设计的立式

径向流双层床空气纯化器，它由三层格栅组成，内格栅

和中间层格栅之间装分子筛，中间层格栅与外层格栅间

装氧化铝。当空气纯化器工作时，空气由纯化器底部进

入，先通过氧化铝层，除去空气中水分，再经过分子筛

层，除去二氧化碳和乙炔及其它碳氢化合物，通过过滤

器由容器顶部排出。再生时，来自冷箱的污氮由容器顶

部进入，从底部排出，方向与吸附时正好相反。该空气

纯化器设计的特点是：

（1）所有的氧化铝、分子筛的重量由三层格栅悬

挂在上封头来支撑，这样在吸附及再生时，把由于温差

产生的热胀冷缩对容器的影响降低到最低程度。

（2）氧化铝和分子筛用格栅分开，便于更新或补

充吸附剂，同时可防止冲床时两种吸附剂混合。

（3）在容器中心设置一个过滤器，以便在空气进

入到冷箱前，把吸附剂的粉末过滤掉。氮气反吹时，可

以将粘在过滤器上的粉末吹除，再由底部的除尘口排出，

保证容器的自清洁。

（4）容器底部设置一个排水口，这是当空冷塔顶

部的除沫器分离效率低于99％时，就必须在容器底部

设置一个除水装置。

（5）在分子筛纯化器出口设置一个二氧化碳检测口，

用于检测和控制进入冷箱的空气质量，保证系统的安全。

•14• 城市建设理论研究

城市建设理论研究2011 年10 月25 日Cheng Shi Jian She Li Lun Yan Jiu •理论前沿•

城市建设理论研究 •15•

三、分子筛的结构及性能参数

分子筛是人工合成泡沸石, 硅铝酸盐的晶体, 呈

白色粉末状, 加入黏结剂后可挤压成条状、片状和球状。

分子筛无毒、无味及无腐蚀性, 不溶于水及有机溶剂,

但能溶于强酸和强碱。分子筛经加热失去结晶水, 晶体

内形成许多孔穴, 其孔径大小与气体分子直径相近, 且

非常均匀。它能把小于孔径的分子吸进孔隙内, 把大于

孔隙的分子挡在孔隙外。因此, 它可以根据分子的大小

, 把各种组分分离,“分子筛”亦由此得名。

空分设备专用13X 型分子筛在高温、低分压下亦

具有良好的吸附性能, 相对于5A 型分子筛等能吸附加

工空气中更多种类的有害杂质。20 世纪80 年代，开始

逐步用13X 型分子筛代替5A 型分子筛用于空分设备。

由于13X 型分子筛晶胞为体心立方, 而5A 型分子筛晶

胞为一般立方体, 晶体结构不同, 前者结构稳定性好。

13X 型分子筛孔径为10uA , 其吸附孔径大于其它分子筛

, 这便于吸附、解吸; 晶穴体积大, 比表面积也大, 其吸

附容量高, 扩散也快; 透过曲线斜率较大, 故其传质区

较短, 吸附速度快。

13X 分子筛是利用P.S.A 的压力差降的作用，产生

CO2 吸附的良好效果。目前空分设备分子筛纯化系统常

用分子筛条状比球状有较优越的传质特性, 处理同样的

气体需要的分子筛较少。球状的堆积密度比条状大, 在

同样的分子筛量下能使吸附器体积减小。13X分子筛化

学式及技术指标如下：

化学式为：Na2O•Al2O3•(2.8±0.2)SiO2•(6-7)H2O

硅铝比：SiO2/AL2O3 ≈ 2.6-3.0

表13X分子筛技术指标

四、分子筛的再生机理

经空冷塔冷却后的空气一般在5 ℃～ 20 ℃ 温度下

进入分子筛吸附器内被吸附净化。水分、乙炔和二氧化

碳都是极性或不饱和分子。分子筛对它们都有很强的亲

和力。分子筛的共吸附性能使它可以在吸水的同时还可

以吸附其他物质, 这种亲和力的顺序是: 水分> 乙炔>

二氧化碳。由于是共吸附, 势必会使分子筛对每种组分

的吸附容量减少。在出吸附剂床层的空气中很快会出现

甲烷(CH4) 和乙烷(C2H6 ) , 接着乙烯(C2H4) 和丙烷(C3H8)

几乎与二氧化碳同时在出吸附剂层的空气中出现; 以后

才依次出现乙炔( C2H2) 、丙烯(C3H6) 、丁烷(C4H10) 和

丁烯(C4H8) 。由于分子筛吸附器的工作周期必须在出口

空气中出现二氧化碳之前结束, 即切换, 空分装置一般

配置两台纯化器，正常工作时，一台吸附，吸附时间一

般为3 小时左右，吸附压力为 0.5MPa， 另一台再生，

压力为 0.005MPa， 温度为150℃， 两台交替运行。这表

明乙炔、丙烯、丁烷和丁烯等杂质不能随空气进入空分

设备冷箱内。在分子筛吸附器的设计中, 除选用性能好

的吸附剂外, 吸附剂的再生也不容忽视。即利用加热脱

附原理，以出冷箱的污氮气作为再生载体，通过再生蒸

汽加热器(E08) 加热，完成再生。如果再生不完全, 必

定会影响下一个周期的吸附效率。若如此循环下去, 最

终将使吸附过程无法持续进行。为此系统配置了电加热

器（E09）实施高温特殊再生，特殊再生时，温度甚至

高达300℃， 来完成系统长周期运行或吸附剂受到意外

污染吸附剂吸附能力下降，使其恢复正常吸附性能。

五、分子筛特殊再生过程

特殊再生循环分六个阶段进行，即加热、加热、

恒温、冷却、冷却、冷却六个阶段，各阶段流量及时间

见表2 所示：

表2特殊再生参数表

再生循环过程：

相1：加热

第一加热相有点类似于一般的再生方式。目的是分

别的移除在氧化铝和分子筛上的大部分水和二氧化碳吸

附床。熟练操作阀门PV1213C 直至流量到87241 Nm3/h 传

递给再生加热器（ 阀门打开大概67 %） 手动关闭阀门

PV1241 和VWN033 。打开阀门PV1240 并开启E08( 蒸汽

加热器) 经过来自PV1213C 的加热空气， 在纯化器入口

的空气温度大约150℃（TI1247A 或TI1247B），同时90

000 Nm3/h 的空气流量必须通过水冷塔E60（打开阀门

HCV 1027 大约54%），只要在纯化器出口（TI1223或

TI1224）的空气温度接近稳态（注：稳态是根据空气温

度在纯化器出口的一段时间内的恒定残留状态。）稳态

温度将大概在130° C，即可进入相2。

相2：加热

打开手动阀VWN033 并关闭PV1240 阀，开启

E09( 电加热器) 进行空气进一步加热。由E09 调整热

再生直至空气温度到E09 本体温度（TI1218）范围外

并到达290℃。熟练操作PCV1213C 阀直至空气流量达

26 533 Nm3/h 并全部通过再生加热器（阀门打开大概

17%）。如果在再生加热器之后所需要的温度不能到达

290℃，微微减少空气流量( 调节阀VWN033 开度 )。同

时保证90 000 Nm3/h 的空气流量必须通过冷却水塔E60（打开阀门HCV1027 大概54%）只要在纯化器出口

（TI1223 或TI1224）的空气温度一接近稳态，稳态温

度大概在230℃，依据系统的热损失。即可进入相3。

相3：恒定温度

根据热损失，在容器出口大概230℃的最终温度

到达为特殊再生。在加热器出口的空气维持在290℃保

持温度持续8h30min，即可进入相4。

相4：冷却

降低再生空气的温度至开启床冷却。调整E09( 停

止1~2 组加热器运行) 让TI1218 降到180℃。在相同的

设置中运行（到纯化器空气量：26 533 Nm3/h，到水冷

塔空气量：90 000 Nm3/h）。持续时间为4h00min。待

纯化器出口（TI1223 或TI1224）的空气温度到200 ℃，

即可进入相5。

相5：冷却

继续降低温度，逐步停止E09 加热器运行。熟练操

作阀门PCV1213C 直至流量为26 533 Nm3/h 并全部通过

再生加热器。设置E08 让TI1218 降至100℃（气体保持

通过E09），持续时间为大约4h00min。只要在纯化器出

口（TI1223 或1224）的气体温度到120℃，即可进入相6。

相6：冷却

退出E09，停止加热器E08，关闭阀门PV1240，

打开PV1241（一般顺序的冷却步骤）并等待直到纯化

器出口（TI1223或TI1224）的温度指示到27℃。持续

时间为大约4h00min。即完成整个特殊再生过程。

( 责任编辑于静）

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