空分设备中吸附器结构型式的设计应用

裴红珍

(开封空分集团有限公司设计研究院，河南开封 475002)

工业上分离可吸附气体的气体混合物时，吸附操作具有显著的优越性。目前，由于吸附技术的发展和新型吸附剂的出现，吸附工艺在深冷空分装置以及常温变压吸附空气制氧、制氮设备中的应用已属常规选择。在深冷空分中，分子筛吸附器应用于空气的纯化系统，使空气中的CO2＜1×10-6，水＜5×10-6;采用分子筛常温变压吸附由空气中制富氧和氮气的工艺也成为另一种空气分离装置。

吸附器结构的设计合理性，则决定了整套装置的能耗高低、总投资多少及使用操作中的故障率，是考核装置性能的关键要素之一。结合在实际工程中的设计经验，就深冷空分(ASU)与常温变压吸附(PSA)两种工艺空分装置中的吸附器设计关键点进行阐述。

1 深冷空分装置吸附器结构型式

按照装置等级的大小，深冷空分装置的吸附器结构可分为以下三种型式。

1.1 立式轴向流吸附器

立式轴向流吸附器见图1。

图1 立式轴向流吸附器Fig.1 Vertical axial-flow adsorber

这是一种简单实用的分子筛吸附器。容器内设置分子筛格栅，分子筛格栅之间为分子筛吸附层，用于放置分子筛。空气从吸附器下方进入，由分子筛将空气中的水分、CO2以及碳氢化合物等吸附，最后从吸附器上部的内置过滤装置由出气口送出露点可达-70℃的干燥洁净空气。按照工艺流程的要求，单只吸附器四个小时的切换周期，在满足分子筛装填量以及运输限制下，这种结构型式的吸附器主要用于深冷空气分离设备(ASU)中氧产量10 000 Nm3/h以下等级的装置。如KDON-10000/10000空分装置，空气处理量59 000 Nm3/h，吸附器的内径已达到Φ4000 mm。公路运输超高限制一般为4.2 m高，限制了吸附器的直径。立式轴向流吸附器的特点是：结构简单，制造方便，气流均布容易;缺点就是处理气量较小。

1.2 卧式径向流吸附器

卧式径向流吸附器见图2。

图2 卧式径向流吸附器Fig.2 Horizontal radial-flow adsorber

此结构型式常用于深冷空气分离设备(ASU)中氧产品大于10 000 Nm3/h以上等级的装置空气预处理系统。随着空分装置规模的扩大，分子筛的填充量增加，为了不高于工艺要求的压力降，分子筛的吸附层高都要有限制，所以，只能增大吸附层截面。由于立式吸附器吸附层截面的限制，因此能相对增大吸附层截面、可以多装填分子筛量的卧式吸附器应运而生。例如，氧产品五万等级空分设备中的吸附器，筒体直径达4.6 m、长度将近20 m，处理气量276 000 Nm3/h。由于吸附剂床层的层面过于庞大，有气流分配和保持床层的平整、降低处理和再生气体进气时对分子筛床层的冲击、减少超长筒体进气口的数量等等的要求。针对这些问题，采用弥漫式分布器，也就是进气口处使用平铺孔板加丝网型式的分布板，使气体能均匀通过分子筛床层，克服气体附壁效应，防止气流短路，充分利用每一处的吸附剂。吸附器的工作温度范围大(-10～180℃)，床层支撑承受很大的热交变应力，在结构设计时，采用移动式床层支撑结构，防止了丝网的破坏和分布器、筒体的变形。

为了保证分子筛层面不随气流波动，每隔1.5 m距离设置隔板，保证装填分子筛时其层面的平整，以免影响吸附效果。

特点是：结构简单、实用，制造也不复杂，但容器尺寸较大，空气死空间较多，需要额外增加分子筛装填量，吸附器占地面积较大。

以上两种用于深冷空分装置的吸附器常规结构，考虑工艺特点，其气体进气对分子筛床层产生的“沸腾”现象，可以通过切换阀门的开启速度以及切换程序进行控制，无需必要的分子筛压紧要求。而主要需要解决的关键部位就是在于气体进气分配器与反吹气分配器的结构，其主要功能就是控制进入吸附器的气体对分子筛吸附层的直吹以及均匀地分布气流，避免造成分子筛吸附层产生“短路”及“凹坑”等现象。

1.3 立式径向流吸附器

为满足分子筛装填量，可以通过卧式吸附器增大吸附层截面来实现，但是，无限制地增大截面是不现实也不可能的。由于占地面积、运输以及气流分布均匀的限制，卧式容器的直径和长度都会有所限制。为了满足生产和运输的要求，出现一种新型结构型式的吸附器——立式径向流吸附器。相对于卧式吸附器，立式径向流吸附器，其分子筛床层为筒形，与吸附器轴线同心，气流径向穿过吸附层，随着空分装置规模的增大，在保证吸附层厚度不变的情况下，可以增加高度，而不是直径的无限扩大，这样在工厂内可以进行吸附器的组装制作，既可运输又可保证设备的装配质量。容器可以直立安装，减少了占地面积。结构如图3所示。

通过在进气口处设置球冠形气体分布器、控制分子筛床层孔板上无孔区的位置、以及筒体中心设置气体收集导流筒等方式，强制空气由筒体的径向流动穿过吸附床层。

立式径向流吸附器改变了传统吸附器床层的设计方法，主要优点是占地面积小，防止分子筛流态化、流量调节范围大、外壳不需要保温、筒体没有热应力、床层厚度薄压力降小，分子筛利用率高。缺点则是制造精度要求高、制作成本较高。

同样两套氧产品5万等级的低温空分装置，表1为两种结构的吸附器实际参数的比较。

显而易见，卧式吸附器的分子筛单位处理气量是1700 m3/h·t，而立式径向流吸附器的则是3000 m3/h·t，卧式吸附器的占地面积也是立式径向流吸附器的4倍以上。

图3 立式径向流吸附器Fig.3 Vertical radial-flow adsorber

表1 两种不同结构吸附器的实际参数比较Table 1 Actual data comparison between two different-structured adsorbers

2 PSA装置中的吸附器型式

用于空气分离制取氮气和氧气的PSA装置，其中制氮装置的吸附压力一般在0.8 MPa，解吸压力为常压，工作周期为2 min左右。在吸附器工作时，分子筛必须交替工作在两种压力状态下，这种压力变化平均每分钟就要发生一次，空气进气与高压泄压时必然会对分子筛吸附层产生冲击。使用一段时间后，不可避免地造成分子筛下沉，也就是与容器之间产生了间隙。随着较高频率的压力变化，分子筛在容器内上下剧烈窜动。这种窜动大大降低了分子筛的机械强度，导致了它的粉化，同时也造成了极不稳定的工作状态，使得分离效率大大降低。因此，吸附器主要解决的问题是要有效阻止分子筛(吸附剂)的上下窜动，使吸附剂可在相对静止状态下完成吸附和解吸，减少分子筛之间的摩擦。分子筛装入吸附器时，一般无法真正装填得很结实。因此需要在气体出口和分子筛之间加装或充填镇压分子筛的压紧装置。

在空气进气口安置一个旋风板及筛板，可以有效地改变气流的速度和方向。气流的这种运动方式减少了塔内死空间的出现，同时减小了吸附器的气体分配空间、改善气流分布效果、提高分子筛的利用率;也改变气流速度和方向，避免高压气流对分子筛的冲击，防止分子筛在吸附器内沸腾，减少分子筛的粉化;提高了分子筛的吸附性能，降低能耗，延长了分子筛的使用寿命。

在吸附器顶部设置分子筛气缸压紧装置，设有棕垫、压紧板，压紧板与气缸连接;气缸内设有报警装置。压紧装置起到稳定作用，吸收或消除交变应力，从而延长分子筛的使用寿命。

这种气缸压紧装置的方式，适合我公司设计的1000 Nm3/h以上的PSA制氮装置，因为其不足之处就是需要额外的气缸制作，并且气缸的使用需要引入额外的仪表气，使用期间需要保证气缸的密封性，以免仪表气漏入吸附器中影响产品气的纯度;有一定的故障率。

通过改进设计，可以采用如图5结构的分子筛压紧方式——压紧装置与气体分布器一体化：即省掉气缸压紧，利用分子筛装填孔的法兰盖压紧力，在法兰盖与分子筛之间设置棕垫、压紧板，这样，减小了分子筛镇压面积，相应的也就减小了压实装置的大小;可以尽可能多地装填分子筛，减小吸附器的体积;锥形孔板起到均匀分布气体的作用;锥形孔板同时能有效均匀地收集产品气，省却产品气收集器。这样，空间利用率高、减少制造环节、降低设备成本、设备使用安全系数增高、减少维修量。

公司两套600 Nm3/h PSA制氮装置，其吸附器的实际参数见表2。

表2 PSA装置中两种不同压紧装置尺寸与重量比较Table 2 Dimension＆weight comparison between two different pressing equipment in PSA unit

可以看出，改进后的吸附器单只重量能减少300 kg，这样，整套装置的总体投资也相应减少。

3 结论

由于13X分子筛的吸附性能，可以长周期的对空气中H2O和CO2进行吸附，其吸附属于平衡分离型，因此，对切换阀门开启速度以及切换程序的控制，深冷空分装置中的吸附器无需进行压紧装置的设计;PSA装置吸附属于速度分离型，根据碳分子筛对空气中N2和O2吸附速度的差别，通过快速的切换周期进行空气分离，制取产品，所以，其吸附器则需要通过压紧装置阻止高压空气对分子筛的冲击。

通过对上述两种不同的空分工艺流程中吸附器结构的比较以及实际数据的比较，对于吸附器的设计需要根据各自的工艺特点、需要制取产品气的不同以及切换周期的长短来有针对性的进行设计，以便延长分子筛的使用寿命及提高其利用率，努力降低设备的投资，做到简单实用。