變壓吸附制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

1、變壓吸附制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展化工進(jìn)展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2007年第26卷第11期變壓吸附制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展張輝,劉應(yīng)書,劉文海,張德鑫,翟暉(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京100083)摘要:介紹了變壓吸附制氧機(jī)中吸附器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),分流板,分子篩布局與裝填方式,壓料部件與裝配等內(nèi)容,對(duì)影響制氧機(jī)性能的因素進(jìn)行了剖析和論述,探討了變壓吸附制氧機(jī)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵影響因素和技巧.關(guān)鍵詞:變壓吸附;制氧機(jī);吸附器;分流板;分子篩中圖分類號(hào):TQ116.14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10006613(2007)11160208Prospecto

2、fthestructureofoxygengeneratingadsorberbypressureswingadsorptionZHANGHui,LIUYingshu,LIUWenhai,ZHANGDexin,ZHAIHui(SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijng100083,China)Abstract:Theinnerstructureofadsorber,flowdistributor,arrangementandpackingstyleofmolecularsieve,im

3、pactingcomponentsofpackingbedareintroduced.Thefactorsthathaveeffectsontheperformanceofoxygengeneratingsystembypressureswingadsorptionareanalyzedanddiscussed,andsomekeyskillsandlessonsaresharedinthedesignoftheoxygengeneratingequipment.Keywords:pressureswingadsorption;oxygenconcentrator;adsorber;flowd

4、istributionplate;molecularsieve自20世紀(jì)70年代以來,分子篩吸附性能的提高促進(jìn)了變壓吸附制氧的迅猛開展,使其在醫(yī)療保健,隧道施工,高原作業(yè),航天航海,鋼鐵冶煉,有色冶金,石油化工,環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用.由于變壓吸附過程具有靈活,方便,自動(dòng)化操作,投資少,能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn),國(guó)際各大氣體公司,如美國(guó)普萊克斯(Praxair)公司,美國(guó)空氣制品與化學(xué)品公司(APCI),美國(guó)聯(lián)碳公司(UCC),德國(guó)林德(Linde)公司,德國(guó)梅塞爾(Messer)公司,法液空(AirLiquide),日本酸素株式會(huì)社(NipponSansoCorporation),日本三

5、菱重工(MitsubishiHeavyIndustries),中國(guó)天一科技股份等相繼投入大量人力與物力,對(duì)變壓吸附制氧工藝進(jìn)行開發(fā)研究.變壓吸附制氧技術(shù)正逐步向大規(guī)模化進(jìn)軍,在中小規(guī)模制氧領(lǐng)域有取代深冷法制氧的趨勢(shì).但是,隨著制氧規(guī)模的不斷擴(kuò)大,分子篩性能的發(fā)揮受到了嚴(yán)重的影響,制氧機(jī)的能耗問題越來越嚴(yán)重,其主要影響因素是吸附器的結(jié)構(gòu).結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,容易造成分子篩進(jìn)水,氣流分布不均,死空間,邊流效應(yīng),吸附層提前"穿透",分子篩粉化等現(xiàn)象,使得別離效果下降,產(chǎn)氧濃度降低.因此,如何優(yōu)化吸附器的結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮分子篩的吸附別離性能已成為制氧界關(guān)注的焦點(diǎn).本文作者將對(duì)變壓吸附制氧

6、機(jī)吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu),導(dǎo)流器,分流板,分子篩裝填方式,壓料部件,裝配等進(jìn)行詳盡的論述.1吸附器結(jié)構(gòu)目前,化工企業(yè)和鋼鐵企業(yè)的中大規(guī)模制氧已趨向采用變壓吸附流程,在吸附器結(jié)構(gòu)方面,主要包括立式,臥式,徑流式3種.而微型制氧吸附器結(jié)構(gòu)形式較為靈活,立式和臥式結(jié)構(gòu)對(duì)制氧效果影響不大,主要從體積和重量方面考慮改良吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu).合理的吸附器結(jié)構(gòu)能夠保證氣流的均勻分布,最大限度地發(fā)揮分子篩的吸附性能;防止分子收稿日期2007一O53O:修改稿日期2007一O7一O6.第一作者簡(jiǎn)介張輝(1976一),男,博士,講師. 01062332751E.Cll.第l1期張

7、輝等:變壓吸附制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展?1603?篩在周期性的氣流波動(dòng)下發(fā)生磨損粉化;同時(shí),防止分子篩受到水分,氣態(tài)酸,油氣等的侵蝕.對(duì)于中大規(guī)模制氧機(jī),合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以節(jié)約分子篩的用量,降低能耗,提高產(chǎn)品氧氣濃度,為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益.吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括床層確實(shí)定和各種輔助結(jié)構(gòu),如導(dǎo)流器,分流板,床層布置,壓料部件等.1.1立式軸向流結(jié)構(gòu)立式軸向流結(jié)構(gòu)是目前大局部中小型制氧機(jī)采用的氣體別離方式,如圖1所示.其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,床層中吸附劑機(jī)械磨損小,可在高溫高壓下操作.混合氣由底部進(jìn)入吸附器,經(jīng)吸附劑別離后,高濃度的氧氣由項(xiàng)部流出.它的主要優(yōu)點(diǎn)在于能較好地使氣體均勻流過吸附

8、層,能夠最大程度地利用吸附劑.分子篩活性氧化鋁圖1立式軸向流吸附床結(jié)構(gòu)示意圖立式吸附器結(jié)構(gòu)主要受到兩個(gè)制約因素的限制:氣流速度;氣流穿過整個(gè)吸附劑床層的壓降¨.在設(shè)計(jì)立式變壓吸附制氧機(jī)時(shí),首先要確定床層允許的氣流速度,然后才能確定吸附床的直徑和高度.當(dāng)床層中的氣體流速低時(shí),氣體只是穿過靜止的分子篩顆粒之間的空隙流動(dòng);當(dāng)氣速增大至一定程度時(shí),顆粒又開始成流化狀態(tài),此流化氣速?zèng)Q定了最小床層直徑.即使氣流速度低于流化速度的極限值,也會(huì)使吸附劑顆粒產(chǎn)生移動(dòng)和磨損.因此實(shí)際設(shè)計(jì)中,氣速取極限速度的70%左右【.壓降是制約立式吸附器結(jié)構(gòu)的另一重要因素,如果床層過厚,或者氣流速度過快,會(huì)造成床層阻

9、力增大,能耗增加.為了降低鼓風(fēng)機(jī)和真空泵能量消耗,在吸附和解吸期間要求總壓降最小,這就要求吸附器中分子篩的裝填高度一般在23m.1.2臥式軸向流結(jié)構(gòu)當(dāng)空氣處理量增大時(shí),采用臥式結(jié)構(gòu)能較好地解決床層高度問題,許多大型VSA設(shè)備,如寶鋼,鞍鋼,天津鐵廠都采用這種吸附器.其結(jié)構(gòu)如圖2所示,臥式結(jié)構(gòu)的床層截面過于龐大,氣流分配和保持床層的平整是主要問題.分子篩易出現(xiàn)混層,邊壁效應(yīng)顯著,氣流很容易沿容器壁向上爬升,造成氣流短路.某鋼廠制氧車間采用臥式水平床吸附器,出現(xiàn)進(jìn)塔空氣壓力和流量波動(dòng)大,通過采用床層探位法,發(fā)現(xiàn)中央分子篩出現(xiàn)吸附飽和造成"穿透",將分子篩床層整成"一&

10、quot;形,使分子篩床層的厚度保持一致,問題得到解決J.氧圖2臥式軸向流吸附器篩1.3立式雙層徑向流結(jié)構(gòu)隨著制氧機(jī)的大型化,分子篩吸附凈化量增大,臥式吸附器占地面積大,氣流難以均勻分配的缺點(diǎn)暴露無遺.針對(duì)這些缺點(diǎn),世界各國(guó)氣體行業(yè)開始致力于立式雙層徑向流結(jié)構(gòu)的研究.徑向流吸附器由于有較大的橫截面積,從而可以大大降低氣體的流動(dòng)阻力.立式徑向流吸附器由一個(gè)外殼,3個(gè)帶有特殊開孔的中間圓柱體和中心筒組成,結(jié)構(gòu)見圖3.中間圓柱體和中心筒都包有專用的不銹鋼絲網(wǎng).外筒殼與第一中間圓柱體構(gòu)成的環(huán)形空間是空氣的入口腔和解吸氣的排出腔.在第一和第二中間圓柱體之間的環(huán)形空間是活性氧化鋁吸附區(qū),在第二和第三中間圓

11、柱體之間的環(huán)形區(qū)是分子篩吸附區(qū).中心筒逸(b)(C)"兀"型向心流(d)"兀"型離心流圖3立式雙層徑向流吸附器及氣體流動(dòng)方式圃麗_一f1一堊.,L一tf一一/竭一一一鲴翌簍一一一?1604?化工進(jìn)展2007年第26卷不僅起著過濾器的作用,其中心特殊的結(jié)構(gòu)能保證正向流空氣或再生返流氣在各截面都有相同的氣速.外殼的上封頭均勻地分布著假設(shè)干個(gè)活性氧化鋁和分子篩的加料口.中心筒流速分配器的設(shè)計(jì)對(duì)徑向流吸附器至關(guān)重要.流速分配器使吸附層上,下壓差保持一致,使吸附床沿軸向各局部的吸附速度和吸附量均勻一致,其吸附飽和時(shí)間也相同.空氣從吸附器的底部進(jìn)入,通過分配器均勻地

12、進(jìn)入最外層環(huán)形空間,然后均勻地通過活性氧化鋁吸附層,空氣中的水分被吸附后,進(jìn)入分子篩吸附層,空氣中的氮?dú)獗晃胶?氧氣通過中心筒過濾網(wǎng)過濾后由頂部進(jìn)入儲(chǔ)氣罐.解吸時(shí),氮?dú)馔ㄟ^中心過濾筒,分子篩和活性氧化鋁后從底部排出,去消聲器放空.立式雙層徑向吸附器中央下部的錐形導(dǎo)流器主要起到布?xì)獾淖饔?Boton等【4采用CFD和電阻斷層成像實(shí)驗(yàn)方法對(duì)徑向流場(chǎng)中流體的速度進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證.結(jié)果發(fā)現(xiàn),流體沿徑向流動(dòng)的速度不等,隨著流體由外徑環(huán)流向中心,流體的速度在不斷加快;從不同位置處流向中心的流體速度也不相同,從入口端流向中心的流體徑向速度梯度變化較大,到達(dá)中心區(qū)時(shí),這一變化更加明顯,而從靠近出口端流向中心

13、區(qū)時(shí),流體速度明顯低于入口端.這充分說明,在徑向吸附器的中央位置設(shè)一錐形導(dǎo)流器可以起到調(diào)節(jié)吸附器上,下流體流速的作用.在徑向流吸附器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,根據(jù)氣流沿徑向和軸向流動(dòng)方向,可以分為4種類型.當(dāng)氣流從吸附器中心流向四周時(shí),為離心流,反之,為向心流;當(dāng)進(jìn)氣流與出氣流沿軸向流動(dòng)方向一致時(shí),為"z"型流動(dòng),反之,當(dāng)進(jìn)氣流與出氣流沿軸向流動(dòng)方向相反時(shí),為"兀"型流動(dòng).因此,可以將上述流動(dòng)組合成如圖3中(a),(b),(c),(d)所示的"Z"型向心流,"Z"型離心流,"兀"型向心流和"兀&q

14、uot;型離心流4種方式.氣體在徑向吸附器中的流動(dòng)由于所處位置截面積不同導(dǎo)致流速差異較大,如在中心處流速大,在床層中流速小,進(jìn)而影響到床層的壓力降.Kareeri等【5研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)中心管的橫截面積與外圓環(huán)橫截面積之比小于1時(shí),"兀"型離心流方式會(huì)得到均勻的氣體流動(dòng)和低的壓力降;通過降低中心管殼和床層的孔隙度也可以增加流場(chǎng)的穩(wěn)定性,但會(huì)增加吸附床層壓力降,運(yùn)行本錢提高;反之,將中心管壁的開7L#n大可以降低吸附床層壓力降,但會(huì)使氣體流場(chǎng)穩(wěn)定性下降.多層徑向填充床是徑向流吸附器的又一種新的設(shè)計(jì)方式.為了研究氣流在徑向床層中流動(dòng)時(shí)的阻力和壓降,Heggs等【oJ對(duì)徑向吸附床層進(jìn)行

15、了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)氣流在床層中流動(dòng)時(shí)受到的阻力不同,將床層分為割成10小層,如圖4所示.不同層填充不同的材質(zhì),如炭分子篩,固體小顆粒,填充層之間保持有一定間隔,即保持無填充狀態(tài),各同心圓板上開有不同孔隙度的小孔.該理論模型也充分考慮了氣體流動(dòng)的4種方式,對(duì)炭分子篩吸附層的位置進(jìn)行了計(jì)算.當(dāng)吸附層靠近外徑時(shí),如果氣流采用向心流動(dòng),那么壓力損失較小;但氣流從內(nèi)向外流動(dòng),即采用離心流動(dòng)方式時(shí),在分子篩床層的壓力降較大,這主要受氣流入口處尺寸的影響.由于氣流由中心向外流動(dòng),中心截面積的微小變化都會(huì)影響吸附床層的壓力降.通過調(diào)整中間各層孔板上孔眼的總面積,可以改變氣流在床層中的壓力變化,從而保證

16、穩(wěn)定的氣流流場(chǎng)分布.圖4.,.',l|.,.,_0.0.ooo=o00=0oo=0't',t'vtt't't'U/J/A/'''tvt''立式徑向流雙層床的優(yōu)點(diǎn)在于:吸附層壓差小,死空間小,吸附和解吸時(shí)流動(dòng)方向有利,吸附劑充填穩(wěn)定.有利的流動(dòng)方向是在吸附和解吸時(shí)使氣體流量改變的結(jié)果:在吸附階段,氣體流量在從外向里流動(dòng)時(shí)減少;而在解吸階段,氣體流量在從里向外流動(dòng)時(shí)增加,這是吸附和解吸氮的結(jié)果.而徑向流吸附器的流動(dòng)截面積正是從外到里逐步減少的,因此其流速要I:LIF式容器或者立式容器均勻得多,這就改善了

17、吸附劑床層的利用,也降低了壓力降.但徑向流吸附器的優(yōu)點(diǎn)有時(shí)也是和容器本錢較高相聯(lián)系的.法國(guó)液化空氣集團(tuán)經(jīng)過多年研究,1981年在法國(guó)MOISSY首次使用了立式雙層徑向流吸附器,并進(jìn)行推廣.1995年,由法國(guó)液化空氣集團(tuán)計(jì)算,設(shè)計(jì),四川空分設(shè)備廠制造的40000m/h變壓吸附空分裝置在渭河化肥廠投入運(yùn)行.1996年,同樣由法國(guó)液化空氣集團(tuán)設(shè)計(jì),由液化空氣(杭州)有限公司制造的35000m/h變壓吸附制氧裝置在馬鞍山鋼鐵公司正式投產(chǎn).目前,這種吸附器已有近150套在世界各地運(yùn)行.德國(guó)林德公司已將徑向流吸附器成功地用于低溫空分裝置中的空氣枯燥器.第一第l1期張輝等:變壓吸附制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展e

18、1605?臺(tái)利用徑向流吸附器的VSA制氧裝置已于1997年投入運(yùn)轉(zhuǎn)J.近年來,中國(guó)空分設(shè)備公司也開始致力于立式雙層床徑向流分子篩吸附器的開發(fā)研究.2005年7月,由中國(guó)空分設(shè)備公司自主設(shè)計(jì),研制的立式雙層床徑向流分子篩吸附器首次應(yīng)用于江陰興澄特鋼公司20000m/h空分設(shè)備上,并獲得成功.1.4微型制氧機(jī)結(jié)構(gòu)吸附器結(jié)構(gòu)兩端空隙對(duì)微型PSA制氧機(jī)產(chǎn)品氣濃度的影響顯著,有研究說明9J:在一定變化范圍內(nèi),上板距離的改變較下板距離的改變對(duì)產(chǎn)品氧氣濃度影響更為明顯.吸附器下端空間的主要作用在于平均分配原料氣體,防止產(chǎn)生流動(dòng)死空間,同時(shí)阻止由下至上的原料氣由于壓力過大未經(jīng)吸附直接穿透床層而降低產(chǎn)品氣純度.

19、吸附器上端空間儲(chǔ)存著具有一定壓力的高濃度氧氣,相當(dāng)于一儲(chǔ)氧罐,在吸附與解吸的過程中,高濃度氧在上部空間與分子篩之間反復(fù)流動(dòng),增加了能耗,同時(shí)還會(huì)影響產(chǎn)品氣純度.固定床近壁區(qū)比中心具有更高的孔隙率,使近壁氣流通過比同一截面上中心局部大得多,造成了近壁區(qū)氣體穿透大大提高的現(xiàn)象.以往的研究說明,床徑,粒徑比小于3O時(shí)壁面效應(yīng)較大,受吸附器高度影響較小.但也有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)床徑,粒徑比大于9O時(shí),壁面效應(yīng)仍然突出,并且隨吸附容器高度變化顯著【l川.壁面效應(yīng)對(duì)床層,穿透時(shí)間有明顯影響,隨高徑比降低,壁面效應(yīng)增大,壁面穿透時(shí)間早于中心穿透時(shí)間,導(dǎo)致的死層高度增加,吸附容量損失加大.可見,在吸附器體積較小時(shí),

20、尤其是微型變壓吸附制氧機(jī),存在著較大的壁面效應(yīng),氣流容易從壁面穿透.常用的解決方法是在固定床內(nèi)壁加圓環(huán),加焊螺旋線,包裹薄層橡膠皮,涂抹強(qiáng)力膠等,由于氣流流過壁面時(shí)受阻作曲線運(yùn)動(dòng),可增強(qiáng)活性炭層內(nèi)氣流的徑向混合,從而消除壁面效應(yīng).對(duì)于直徑較大的床層,該方法的應(yīng)用效果不顯著.另外,對(duì)于常溫吸附器,還可采用內(nèi)壁面粘涂活性炭顆粒的方法Il卜J.專利ZL200410039514.4提出了套筒式吸附器結(jié)構(gòu)的變壓吸附制氧機(jī)(見圖5).吸附器由兩個(gè)同心圓筒構(gòu)成,在吸附器上端內(nèi)外筒之間的局部留有供氣流均勻一致的空間,其高度為,;向下是枯燥劑,長(zhǎng)度為,其余局部填充制氧分子篩.內(nèi)筒壁的底部均勻分布相同直徑的通氣孔

21、,供氣流從內(nèi)筒和外簡(jiǎn)夾層之間進(jìn)入內(nèi)筒.內(nèi)筒里也裝有分子篩,內(nèi)筒上端高度為的空間起到為產(chǎn)品氧氣流出之前緩沖氣流的作用.套筒式吸附器結(jié)構(gòu)具有體積小,重量輕,結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn),可以最大限度地利用分子篩,降低壓縮機(jī)的輸出功率.產(chǎn)品氣原料氣圖5微型套筒式吸附器結(jié)構(gòu)示意圖wuYan等131采用套筒式吸附器進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,原料氣由下部進(jìn)入外筒,經(jīng)上部空問后又進(jìn)入內(nèi)筒,產(chǎn)品氣從底部流出.模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,當(dāng)入口壓力為0.7MPa,氧氣產(chǎn)量為2OL/min時(shí),氧濃度到達(dá)87%(出口壓力為0.34MPa左右).劉忠寶IlJ也對(duì)該種結(jié)構(gòu)的制氧機(jī)進(jìn)行了模擬計(jì)算分析,預(yù)測(cè)了有關(guān)參數(shù)對(duì)氧純度的影響規(guī)律.可見該種

22、結(jié)構(gòu)吸附器在微型制氧,機(jī)載制氧上具有廣闊的開展空間.美國(guó)克里夫頓公司自1951年創(chuàng)立以來,在機(jī)載制氧技術(shù)方面一直保持著國(guó)際領(lǐng)先水平,該公司生產(chǎn)的機(jī)載分子篩制氧機(jī)就是采用兩床套筒式結(jié)構(gòu)進(jìn)行制氧,縮短了吸附床高度,結(jié)構(gòu)更加緊湊,產(chǎn)氧濃度到達(dá)95%左右,先后裝配了Av.8B,F.18,TAV.8B,S-3A,B.1B,B.2,F.22等戰(zhàn)機(jī),充分表達(dá)了分子篩制氧機(jī)在微型結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性,大大提高了飛機(jī)的作戰(zhàn)半徑和地勤保障,成為各國(guó)機(jī)載制氧的開展新趨勢(shì).英國(guó)NGL公司在引進(jìn)美國(guó)克里夫頓公司機(jī)載兩床分子篩制氧技術(shù)的根底上,將分子篩床的個(gè)數(shù)增至3個(gè),大大縮短了產(chǎn)氧間隙.為了進(jìn)一步縮小體積,減輕重量,NGL公

23、司將3個(gè)分子篩床的剖面分別設(shè)計(jì)成方形,三角形和圓形,圓形又分為三圓束狀,三圓扇狀和三圓同心圓狀,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后得出結(jié)論:3層同心圓狀分子篩方案最正確.三床分子篩除結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜外,其性能明顯優(yōu)于兩床分子篩制氧機(jī),產(chǎn)品氣壓力沒有明顯的波動(dòng),中間不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氧的間隙,省去了儲(chǔ)氧罐,產(chǎn)品氧純度均勻,輸出量大.該方案不僅可以抵御外力的作用,保證其內(nèi)部不受損害,而且在產(chǎn)氧性能不變的前提下,重量減輕了30%,體積減小了40%50%】.目前,該種結(jié)構(gòu)的制氧機(jī)已經(jīng)在獵人GR5飛機(jī)上服役.?1606?化工進(jìn)展2007年第26卷2布?xì)庠O(shè)施布?xì)馐亲儔何街蒲跫夹g(shù)的核心,氣流不穩(wěn),流速不定,流場(chǎng)不勻都會(huì)影響分子篩的性能發(fā)

24、揮,降低產(chǎn)氧率和產(chǎn)氧純度.導(dǎo)流器和分流板是實(shí)現(xiàn)軸向流固定床內(nèi)流體均勻分布的重要手段和必要措施【l6.2.1導(dǎo)流器由空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)壓入的氣體壓力較大,如果不進(jìn)行緩沖或分流,對(duì)床層沖擊太大,底部的分子篩很容易粉化,堵塞進(jìn)氣口.因此,在吸附器進(jìn)氣口必須設(shè)一導(dǎo)流器,一般為圓筒,球形或傘形,在外面包有不銹鋼絲網(wǎng),目的是更好地保證氣流的均布和防止粉末堵塞管路J.2.2分流板對(duì)大,中型空分的吸附器來說,工作性能優(yōu)劣的至關(guān)重要的問題就是氣流分配和氣流速度,兩者主要受氣流分流板本身的結(jié)構(gòu)和氣流分流板與氣流進(jìn)口間相對(duì)位置的影響.分流板位于吸附器底部進(jìn)氣端,對(duì)于雙層床,一般位_lJ:氧化鋁下部,在氧化鋁與分子篩之間

25、.對(duì)于氣流進(jìn)氣口在吸附器中央的情況,分流板承當(dāng)著布?xì)獾闹饕蝿?wù).其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面考慮.2.2.1分流板孔眼的大小在孔眼大小設(shè)計(jì)方面,分流板在不同工藝流程上也表達(dá)了不同的特色,大型制氧機(jī)多采用直徑幾毫米的孔眼;但是小型或微型制氧機(jī)分流板的孔眼可以小到微米量級(jí),大大增加了布?xì)庑Ч?降低了床層的死空間,提高了產(chǎn)氧量和產(chǎn)氧濃度.常用的分流板是在鋼板上開均勻分布的小孔,小孔的總面積不超過鋼板面積的40%,這樣做主要是為了保證鋼板的支撐強(qiáng)度.孔眼均勻分布的分流板可以保證面流速較均勻,主要是由于均勻孔板分布器并沒有特意改變流體分布,僅是因孔板使流體滲流起到均勻分配的目的.在保持孔面積相同的情況下

26、,孔眼直徑的大小對(duì)氣流均勻分布影響顯著,如果孔眼過大,會(huì)造成分流板背向氣流流動(dòng)方向一側(cè)的分子篩死空間加大.目前,某種型號(hào)的小型制氧機(jī)分流板采用多孔的膨體聚四氟乙烯(ePTFE),這種材料膨展開后在每平方英寸有90億個(gè)小孔.這些小孔比一個(gè)水蒸氣分子要大700倍,不僅可以使氣體均勻分布,還能保持一一定的支撐強(qiáng)度.采用粉末冶金制作的錫鋅青銅透氣餅或冶金爐用的透氣磚也可以起到相同的作用.這些材料在孔眼大小方面較大型制氧機(jī)中的分流板有本質(zhì)的區(qū)別,可以到達(dá)0.05mm.氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入吸附器后,不會(huì)對(duì)分子篩造成沖擊,而是在進(jìn)氣端空間形成一湍流區(qū),形成穩(wěn)定的正壓,利于氣流的均勻分布,防止氣流沖擊床層而造成分

27、子篩粉化.2.2.2分流板孔眼的布局對(duì)于相同孔徑的分流板,其布局也有很大的差別.一種方式是均勻分布孔眼;另一種是分流板中間孔徑小,邊緣孔徑大,其出口當(dāng)量截面積呈不均勻分布,正好符合流體的分配特征,較小的孔徑可使流體受到較大阻力,從而使四周孔中流過的流體增多.四周較大的孔徑保證了分流來的流體順利通過,有效改善了流體的分配特性,這一點(diǎn)在小型醫(yī)'用制氧機(jī)的試驗(yàn)中已得到證明,采用CFD模擬也得到了相同的結(jié)論ll.考慮到小型或微型制氧機(jī)吸附器內(nèi)徑較小,壁面光滑的特點(diǎn),在壓力周期性波動(dòng)的情況下,壁面附近的分子篩容易松動(dòng),形成邊流效應(yīng).因此,針對(duì)這種情況,將分流板設(shè)計(jì)成中央和邊緣孔眼總面積小,中間環(huán)

28、形區(qū)面積大的結(jié)構(gòu),也可以起到一定的作用.2.2.3分流板材質(zhì)分流板由于受到分子篩床重力的作用,首先要有一定的承重作用,因此,在材質(zhì)選取上主要是依據(jù)實(shí)際情況而定.如果吸附器直徑較大,高度增加,那么分流板使用鋼質(zhì)材料較好,可以承載上面分子篩的重量;如果是小型或微型制氧機(jī),那么主要從布?xì)鈦砜紤],可以使用聚乙烯,薄鋼片,透氣磚,粉末冶金制作的銅餅等.2.2.4鋼網(wǎng)的布置鋼網(wǎng)在吸附器中主要用來防止不同粒徑的分子篩混層和緩解氣流壓力變化對(duì)床層的沖擊,通常采用不銹鋼網(wǎng),孔眼大小在40100目范圍.鋼網(wǎng)的位置很有講究,一般同時(shí)放于分流板上,下層,根據(jù)分流板兩側(cè)分子篩孔徑大小來決定.分子篩孔徑較小時(shí),靠近分子篩

29、一側(cè)就要采用孔徑較小的鋼網(wǎng);反之,分子篩孔徑較大時(shí),如氧化鋁脫水劑,那么要使用孔徑較大的鋼網(wǎng).2.2.5分流板的支撐體分流板往往具有一定的重量,即使是輕質(zhì)分流板在工作狀態(tài)下也會(huì)隨壓力周期性改變而上下浮動(dòng).因此,對(duì)于吸附壓力波動(dòng)較大的流程,如PSA,VPSA常采用彈簧鋼絲外套膠管或是氧氣管作為卡箍置于分流板的下部用來支撐分流板,上部有分子篩自身重量擠壓,分流板在兩者之間能夠穩(wěn)定工作,第11期張輝等:變壓吸附制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展?1607?降低了分子篩的粉化機(jī)率,保證床層不會(huì)出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象.3分子篩布局與裝填方式3.1分子篩布局吸附器中分子篩的布局至關(guān)重要,主要表現(xiàn)為3個(gè)方面:保護(hù)制氧分子篩床層

30、;緩沖穩(wěn)定高壓氣流;均勻分布?xì)饬?吸附器內(nèi)分子篩的布置通?？煞譃樗胶痛怪眱煞N方式,層數(shù)有單層,雙層和多層.圖6為垂直分布分子篩填料的布局示意圖.吸附劑層數(shù)的選取是根據(jù)布?xì)夂蛯?duì)制氧分子篩的保護(hù)原那么來確定的.一般在進(jìn)氣口,為了布?xì)饩鶆?常將不同粒徑的分子篩分層布置,靠近入口處粒徑較大,由下向上粒徑逐漸縮小;靠近出氣口時(shí),粒徑又逐漸增大.這樣可以保證氣流在吸附器內(nèi)的穩(wěn)定過渡,當(dāng)?shù)竭_(dá)吸附床層時(shí),氣流已均勻分布.為了防止氣流的邊壁效應(yīng)和中心穿透現(xiàn)象,分子篩在縱向也可以分層布置,在邊緣和中心位置處放入粒徑較小的分子篩,兩者之間分布粒徑較大的分子篩.Yuwen191在分析小型制氧機(jī)工藝參數(shù)時(shí),將吸附器內(nèi)

31、局部成3層,由中央向外逐漸擴(kuò)大分子篩粒徑,依次為1.6mill,2.0mill和2.5mm,取得了較好的結(jié)果.圖6分子篩填料方式布局示意圖制氧機(jī)內(nèi)部一般采用雙層結(jié)構(gòu),第一層為活性氧化鋁,第二層為沸石分子篩.對(duì)于臥式吸附器【3】,也有采用三層填料的,如山西某鋼廠制氧車間空分設(shè)備配套的分子篩純化系統(tǒng)即為臥式吸附器.吸附器填料順序從最下層到最上層依次為810mill的惰性氧化鋁,35mill的活性氧化鋁和1/16"UOP13X條形分子篩.3層填料中間由兩層不銹鋼絲網(wǎng)隔開,防止混層.活性氧化鋁有非常好的吸水能力,其機(jī)械強(qiáng)度也不會(huì)因水存在而受影響,在解吸時(shí)可以降低床層的溫度,但沸石分子篩吸水后

32、,其多孔結(jié)構(gòu)會(huì)破壞,容易粉化.而且活性氧化鋁具有兩性,可以阻止大氣中氣態(tài)酸和堿的侵入,有效地保護(hù)了制氧分子篩.如果采用單層分子篩,其壽命僅為5年,參加活性氧化鋁保護(hù)后,可延長(zhǎng)壽命至10年以上20】.雙層床相對(duì)于單層床也有缺點(diǎn),如:雙層床壓力降大;不同尺寸和密度的兩層吸附劑裝在同一吸附床中,隔離層的熱膨脹問題較難解決;雙床層再生時(shí)有可能有水析出,沉積至床底.3.2裝填方式裝填吸附劑時(shí),應(yīng)盡量減少吸附劑之間的空隙.主要方式有撞擊,暴風(fēng)雪式,定時(shí)扒平,抽真空,振動(dòng)頻率漸次衰減等,均可到達(dá)堆密度最大的目的,幾種方式聯(lián)合使用效果更佳.撞擊方式就是在吸附劑裝填過程中,不斷地用枕木裝置撞擊吸附劑界面部位.暴

33、風(fēng)雪式填料可以保證吸附床層空隙度保持一固定值,床層填充密實(shí)度較均勻.定時(shí)扒平是指在裝填過程中每參加一定量吸附劑后,人工將錐體顆粒扒平,夯實(shí)吸附劑間隙.抽真空裝填是在裝填過程中,利用真空泵從塔底不斷地抽吸附劑,利用氣體對(duì)吸附劑的壓力壓實(shí)吸附劑.振動(dòng)頻率漸次衰減是利用衰減器控制振動(dòng)裝置的振動(dòng)頻率,當(dāng)裝填結(jié)束時(shí),振動(dòng)頻率漸次衰減,使得分子篩在吸附器內(nèi)部能夠充分夯實(shí),結(jié)果說明,該方法效果很好,某公司制氧機(jī)采用該方法實(shí)現(xiàn)了批量填料生產(chǎn).吸附劑密相裝填技術(shù)的應(yīng)用,大大增加了吸附劑的裝填密度,減少了粉化的幾率.4壓料部件與裝配變壓吸附制氧是利用壓力周期性漲落來實(shí)現(xiàn)氣體別離.在吸附塔內(nèi),隨著往復(fù)氣流的循環(huán)沖擊

34、,吸附劑蠕動(dòng),磨耗會(huì)出現(xiàn)小的空隙,產(chǎn)生跳動(dòng)的空間,從而加劇了吸附劑磨耗,磨耗造成粉末流出使吸附劑空隙越來越大,空隙越大越給更大的跳動(dòng)創(chuàng)造了條件,就這樣惡性循環(huán),久而久之,吸附劑出現(xiàn)大面積粉化.實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,吸附劑粉化的主要原因是由吸附劑的蠕動(dòng)造成的,其它因素給吸附劑的蠕動(dòng)提供了條件或加劇了吸附劑的蠕動(dòng).受設(shè)計(jì)工藝和裝填方式的限制,吸附劑裝填后多少都會(huì)留下一定的死空間,這給吸附劑的蠕動(dòng)提供了更大的時(shí)機(jī).一些工藝流程和誤操作也會(huì)加劇吸附劑的粉化,如:均壓方式和吸附時(shí)序的設(shè)計(jì)缺陷,使均壓次數(shù)少,壓力變化梯度過大,超過了吸附劑的承受限度而造成粉化;在開停車或檢修時(shí),由于閥門故障導(dǎo)致氣體高壓逆放或均壓時(shí)

35、間設(shè)置不合理等高壓力等級(jí)切換,導(dǎo)致吸附劑粉化【2¨.解決吸附劑粉化的主要對(duì)策是最大程度地降低?1608?化工進(jìn)展2007年第26卷吸附劑蠕動(dòng)的時(shí)機(jī).一般主要靠壓料部件和裝配來實(shí)現(xiàn),比擬典型的壓料部件包括:彈簧,瓷球,氣囊,氣缸和自補(bǔ)償壓緊裝置等.裝配主要依靠絲桿和法蘭來實(shí)現(xiàn).彈簧和氣囊均是利用彈性原理來實(shí)現(xiàn)吸附劑壓緊,吸附劑產(chǎn)生問隙后,利用彈力壓吸附劑上的篩板自動(dòng)填補(bǔ)產(chǎn)生的空間.這些方法的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)之初必須考慮到底網(wǎng)的承載能力,否那么頂部施加壓力時(shí),底網(wǎng)容易壓潰.單個(gè)彈簧適于直徑較小的吸附器,對(duì)于直徑較大的吸附器,一般采用多個(gè)彈簧分布式結(jié)構(gòu),也可以起到壓緊的效果.氣囊不僅具有壓緊功能

36、,還可以減少死空間,但設(shè)備較為復(fù)雜.氣缸是利用開車后對(duì)氣缸沖氣加壓,維持一定壓力的壓緊方式,而自補(bǔ)償方法是利用分子篩的重力將分子篩填充至空隙,當(dāng)分子篩外表與上絲網(wǎng)之間形成小空隙時(shí),分子篩能自動(dòng)將其充滿從而使分子篩無跳動(dòng)的空間,到達(dá)固定分子篩的目的.這種方式不僅適用于舊吸附器改造,也適用于新設(shè)計(jì)的吸附器,主要特點(diǎn)是不對(duì)底網(wǎng)增加負(fù)荷,#bDn分子篩比較方便.氣缸壓緊方式不能向吸附器參加分子篩,隨著分子篩的粉化,上部空間增大;而靠分子篩重力自補(bǔ)償方式又不能施加太大的壓力.因此,將兩者結(jié)合起來,采用氣缸中空布分子篩方式壓緊,即在氣缸的中間設(shè)計(jì)一小口徑通孔,上部用法蘭密封,下面設(shè)有標(biāo)尺,當(dāng)料面下降較多時(shí)

37、,翻開法蘭,裝總分值子篩,重新密封,起動(dòng)增壓裝置,將料面重新壓回原始水平線.缺料較多時(shí),可以通過反復(fù)參加分子篩來實(shí)現(xiàn).瓷球壓緊裝置是在吸附劑的上面鋪設(shè)一定量的瓷球,利用瓷球本身的重量自動(dòng)補(bǔ)償吸附劑減少的空間.鋪設(shè)瓷球可以保證床面的平整,不會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象.如果鋪設(shè)素瓷球,要注意防止受潮吸水飽和,破碎粉化和黏結(jié).這種方法與氣缸等補(bǔ)償方式相比,有投資少,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但死空間較大,為了保證產(chǎn)品氣純度,回收率有一定程度的降低.絲桿壓緊主要用于實(shí)驗(yàn)制氧裝置機(jī)或家用制氧機(jī),絲桿承受的壓力較小,可以從吸附器中間插入或是呈三角,四方形分布.絲桿從中間插入的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,制作方便,但會(huì)造成分子篩裝填困難,難于壓

38、實(shí),氣流容易沿絲桿短路.因此,對(duì)于市售制氧機(jī)產(chǎn)品,一般采用三角或四方形分布的絲桿來壓緊分子篩.法蘭結(jié)構(gòu)一般用在吸附塔直徑較小的裝置.吸附塔封頭處采用法蘭結(jié)構(gòu),封頭下截面安裝篩板,吸附劑裝填時(shí)略高于法蘭面,在吸附劑外表鋪設(shè)4080目絲網(wǎng)各一層和起過濾作用的椰殼墊.利用螺栓的力量將高出的吸附劑壓入塔內(nèi),從而減少了吸附劑之間的空隙,可減緩吸附劑的粉化.此外,刮平機(jī)構(gòu)也屬于壓料部件的一種,對(duì)料面進(jìn)行調(diào)節(jié),這個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)置的主要目的是裝入分子篩后將其床面刮平,在運(yùn)行中假設(shè)氣流分配不均造成床面起伏凹凸,形成溝流而影響吸附效果時(shí)也可以由刮平機(jī)構(gòu)隨時(shí)刮平.但是6000m/h空分設(shè)備的吸附器刮平機(jī)構(gòu)質(zhì)量就約150k

39、g,零部件約20余件,本錢較高.另外,刮平機(jī)構(gòu)的操作需要在筒壁開孔伸向外部,作為壓力容器來講,在吸附器上應(yīng)盡量減少不必要的開孔.5結(jié)語隨著變壓吸附制氧在空氣別離領(lǐng)域中地位的不斷提升,吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)顯得日益迫切,對(duì)于提高效益,降低能耗具有重要的意義.(1)對(duì)于大型變壓吸附制氧機(jī),采用立式徑向流結(jié)構(gòu)是節(jié)能和提高產(chǎn)氧能力的開展趨勢(shì);(2)采用套筒式結(jié)構(gòu)是微型制氧開展的新方向,可以大大縮短吸附器高度,對(duì)于航空用氧和便攜制氧具有重要的參考價(jià)值;(3)吸附器內(nèi)局部子篩的填充采用徑向分層和軸向分層相結(jié)合是提高吸附器空間利用率的有效方式;(4)分流板孔眼的大小和分布以及采用新型的微孔眼材料分流板是

40、解決氣流在吸附器中均勻流動(dòng),減小死空間的關(guān)鍵;(5)分子篩床層壓緊機(jī)構(gòu)可以很好地防止分子篩的粉化和邊流效應(yīng).參考文獻(xiàn)【1】季宗升變壓吸附制氮裝置的設(shè)計(jì)fJ1.深冷技術(shù),1999(4):24-27.【2】朱學(xué)軍,郭彤,兩床變壓吸附制氧工藝的研究【J1'低溫與特氣,2001,19(11:18-21.【3】李偉,王青龍,張槐槐.采用床層探位法解決分子篩吸附器空氣偏流問題【J1.深冷技術(shù),2006(6):5-7.【4】BoltonGT,HooperCW,MannR,eta1.Flowdistributionandvelocitymeasurementinaradialflowfixedbedr

41、eactorusingelectricalresistancetomographyJ.ChemicalEngineeringScience,2OO4,59:1989.199751KareeriAA,ZughbiHD,AlAhHH.SimulationofflowdistributioninradialflowreactorsJ.Ind.Eng.Chem.Res.,2006,45.-2862-2874.61HeggsPJ,EllisDI,IsmailMS.Predictionofflowdistributionsand第11期張輝等:變壓吸附制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展pressurechanges

42、inmultilayeredannularpackedbedsJ.Gas.Sep.Purif,1995,9(4):243252.7張敏.立式雙層床徑向流吸附器的研制J】l深冷技術(shù),2006(2):8l1.8GrahlM,LeitgebP_變壓吸附生產(chǎn)氧氣J】.深冷技術(shù),2001(5):17.21.9趙治,劉應(yīng)書,樂愷,等.微型PSA制氧機(jī)吸附器結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究J】l深冷技術(shù),2004(2):1316.10Tobis'J,VortmeyerD.Thenear-wallchannelingeffectonisothermalconstantpatternadsorptionJ.Chemical

43、EngineeringScience,1988,43(6):1363.1369.11寧平,陳亞雄.邊流效應(yīng)對(duì)固定床吸附容量的影響J】.環(huán)境科學(xué),1998,19(5):6971.12寧平,谷俊杰.BartHJ,等.邊流效應(yīng)對(duì)固定床吸附器穿透曲線的影響J】.化工,1998,49(6):678682.13WuYan,LinGuiping,ModelingandnumericalsimulationofonboardmolecularsieveoxygengenerationsystemJ.TransactionsofNamingUniversityofAeronauticsAstronautics,2004,2l(1):47'52?14劉忠寶.分子篩氧氣濃縮器性能模擬預(yù)測(cè)模型及分析【J】.設(shè)計(jì)制造,2001(1):14.16.15肖華軍.英國(guó)機(jī)載三層同心圓型分子篩制氧系統(tǒng)J】l國(guó)際航空,1994(1):6061.16鐘思青,陳慶齡,陳智強(qiáng),等.軸向流固定床內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證J】l化工,2005,56(4):632636.【l7】季阿