分子筛再生过程节能优化方案

姜长泓，王静

（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春130012）

分子筛再生过程节能优化方案

姜长泓，王静

（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春130012）

针对以往空分装置分子筛再生周期初期设定的情况，本文提出分子筛再生周期应具有针对性，即综合考虑分子筛吸附过程的结果、再生气流量、温度等因素调整分子筛再生周期。同时建立了分子筛再生过程的能量模型，通过计算确定不同分子筛再生时所需的能量，避免不必要的能源浪费。

分子筛；再生；能量模型

近几年，随着冶金工业、石油化工、煤化工等行业的迅猛发展，空分设备技术也得到了快速发展，规模大型化、运行成本低、设备操作稳定可靠等成为发展方向。特大型空分设备数量越来越多。空分设备用户的市场竞争也日益激烈，如何降低运行成本就显得尤为重要，同时，国家也积极倡导节能减排[1]。如何节能亦成为空分装置研究的热点问题。就空分设备纯化装置而言，在分子筛再生过程中就存在一定的能源浪费。目前，国内几乎所有纯化装置中的分子筛在再生时都按照预先设定的加热时间及N2吹扫时间进行再生，这种既不考虑分子筛在上一周期的吸附结果，又不考虑当下吹扫氮气的流量及温度等因素的再生过程势必导致部分能源做了无用功。这种不必要的能源浪费通过对分子筛吸附程度及再生过程中各能量结构的分析是完全可以避免的。

1基本概念

1.1 分子筛的吸附饱和度

分子筛的吸附程度可以用分子筛的吸附饱和度来表示。针对氧化铝和分子筛双层床结构的分子筛纯化器,它的切换时间取决于Al2O3和分子筛吸附饱和的时间。Al2O3的最长循环时间可以根据当前空气温度、湿度、Al2O3对水的吸附能力及氧化铝的填充量计算得到。根据分子筛填充量、分子筛的吸附能力、空气流量、床层高度等计算出分子筛达到吸附饱和时所需的时间tms，选取tal、tms中较小的作为分子筛纯化器切换周期tc。

对每一时间增量，分子筛吸附能力减少：dtms/tc,则吸附饱和度[2]：

分子筛吸附饱和度也是分子筛再生过程中的一个重要参数，它决定分子筛在再生过程中所需的加热时间。

分子筛距离饱和时间：

1.2 分子筛的再生过程

分子筛的再生过程是吸附的逆过程，又被称为解析。解析的过程是一种物理反应过程，即采用低压高温的N2对分子筛床层进行吹扫，使附着在分子筛筛孔内及表面的吸附质分子（CO2、H2O等）通过吸收周围环境的热量离开分子筛表面的同时被N2带出分子筛吸附器的过程。且由可知再生气量、再生温度和再生时间都需合理分配才能使再生达到理想效果[3]。

2纯化系统再生过程计算模型

2.1 纯化系统再生能量模型

在这里只截取再生温度曲线加热阶段（BC）、冷吹阶段（CD）的曲线为研究对象，见图1。

图1 分子筛吸附温度曲线Fig.1Molecular sieve adsorption temperature

污N2进口温度曲线函数为f（t1），污N2出口温度曲线函数为f（t2）。分子筛在再生过程中所要经历的加热时间为tj，冷吹时间为tl=t0-tj。分子筛在再生过程中需要的总热量为Q，其热量构成有四个部分：吸附器本身显热（Q1）、分子筛显热（Q2）、水和CO2的吸附热（Q3）及热损失（Q4，可取再生热的20%）。

所以再生所需总热量：

Q1、Q2可以通过热量计算公式得到，Q3根据分子筛上一个吸附周期的H2O、CO2的累积吸附量来计算，假设只要给分子筛纯化器相当的热量，分子筛就可以完全解析。

理论上，分子筛再生过程在加热阶段，加热器加热功率一定、吸附饱和度不同时经过时间tj，污N2代入纯化系统的热量恰好满足再生所需热量，在冷吹阶段经过时间tl，系统内剩余热量刚好满足分子筛正常吸附工作时的显热。这一过程不仅使分子筛充分解析，而且加热、冷吹时间的控制使系统避免了不必要的能源浪费。下面我们根据分子筛动态吸附过程中的一些参数计算分子筛再生的参考加热及冷吹时间。

2.2 再生过程参考加热时间

水在上一周期的累积吸附量[4]：

其中db=Ps/Pair-Ps，为空气中水含量百分比；Rair：进纯化器空气流量，m3·h-1。Pair：入口空气表压，bar；Ps为水蒸汽分压，bar；ρH2O:水的密度，0.80376kg·m-3。

CO2在上一周期的累积吸附量：

式中GCO2为入口空气中CO2含量；ρCO2为CO2的密度，1.963kg·m-3。

设解析1kg H2O及1kg CO2所需热量分别为q2、q1，则

再生所需总热量[5]：

式中mg：分子筛填充质量，㎏；cg：分子筛比热容；ms：吸附器本身质量，㎏；cs吸附器比热容。

由再生温度曲线计算的加热过程污N2带入系统热量：

式中RN2：再生N2流量，m3·h-1；CN2：N2比热容，0. 31kCal。

令Q*=Q,即当上一周期累计的H2O、CO2解析所需总热量等于再生温度曲线加热阶段所能提供的热量时，停止加热，得到分子筛再生的加热时间tj。

2.3 再生过程参考冷吹时间

若系统经冷吹时间tl后，系统剩余热量正好满足分子筛下次正常工作的温度要求，则冷吹效果最佳。由系统内的热量构成可知，冷却时需要带出系统的热量为：

1m3N2在t（t∈（tj，tl））时刻随温度变化所吸收的热量：

在冷吹时间tl内再生污N2带出系统的热量为：

令Q°=QC，即吸附器及分子筛本身剩余的热量等于冷吹氮气带出系统的热量时，冷吹完毕，进而求得分子筛再生的冷吹时间tl。

2.4 纯化过程温度曲线

以某厂20000m3·h-1空分设备为例，再生污N2流量为27000m3·h-1。通过拟合可得到分子筛进口温度曲线为:

分子筛出口温度曲线：

通过以上热量计算模型计算得到，此时得到再生过程吸附床层内部温度分布见图2。

图2 再生过程吸附床层内温度分布Fig.2Regeneration of adsorbent bed temperature distribution

由图2可以看出，在分子筛加热阶段曲线逐渐平滑，即加热N2所供给系统的热量与解析时H2O、CO2所吸收的热量逐渐达到一种平衡状态。利用纯化系统再生过程的计算模型分别得到了分子筛的加热时间与分子筛的冷吹时间，再生周期结束后，纯化器内温度在20～30℃之间。

3结论

通过以上研究可知，分子筛纯化系统的节能可从分子筛再生时的过解析或解析不彻底入手。针对这两方面问题，本文提出的利用吸附饱和度计算吸附时间以及分子筛再生时再生系统的能量平衡关系，在理论上分子筛应该可以完全解析，且再生N2所提供的热量与吸附质解析所需热量恰好相等，此时，分子筛既解析完全，又不存在多余的能量浪费。另外根据累计吸附的H2O、CO2量提供恰好的解析热量，并最终冷吹结束时，系统内剩余热量正好满足分子筛下一周期正常工作时的温度要求大概在20℃左右。同时，通过纯化器内时间-温度曲线可以直观的看到在加热、冷吹过程中纯化器内的温度变化，方便随时调整纯化器进口N2温度以提高分子筛再生效率。如果实际生产过程中，排除空气压力、温度、空气流速等因素的干扰，实现上述再生时的能量控制，在能量充分利用的同时避免了不必要的浪费。

［1］张振友.从分子筛纯化系统的设计及操作谈空分设备节能［J］.深冷技术,2012.

［2］童国宇，赵纯意.分子筛纯化系统切换控制自动优化研究［J］.深冷技术,2008.

［3］林秀娜.大中型空分设备分子筛纯化系统的节能降耗设计［J］.杭氧科技,2006.

［4］李申.压缩空气净化原理及设备［M］.杭州：浙江大学出版社，2007.

［5］王晓蕾.空分用立式径向流分子筛吸附性能研究［D］.浙江大学，2013:17-28.

Optimization scheme of molecular sieve regeneration process energy saving

JIANG Chang-hong，WANG Jing
（College of Electric and Electronic Engineering According to Changchun University of Technology,Changchun 130012，China）

According to the air separation plant molecular sieve regeneration cycle is set at the beginning of the situation,this paper presented molecular sieve regeneration cycle should be targeted.The consideration of molecular sieve adsorption process results,then angry factor flow,temperature was put into adjusting molecular sieve regeneration cycle.An energy model of molecular sieve regeneration process was set up,through the model we can be sure of the different molecular sieve regeneration energy to avoid unnecessary waste of energy.

molecular sieve；regeneration；energy model

TQ116.11

A

1002-1124（2014）02-0064-03

2013-11-08

姜长泓（1969-），男，教授，博士，2006年毕业于吉林大学机械制造及其自动化专业。

王静（1986-），女，硕士研究生，长春工业大学，测试计量技术及仪器在读。