107.什么叫分子筛，有哪几种，它有什么特性?答：分子筛是人工合成的晶体铝硅酸盐，也有天然的，俗称泡沸石。 分子筛的种类繁多，目前常用的主要有A型、X型和Y型三大类型。而每一类型按其阳离子的不同，其孔径和性质也有所不同，又有多种类型，如3A、4A、5A、10X、13X等型号。外型有条状和球状，粒度为2～6mm。 分子筛内空穴占体积的50%左右，平均每克分子筛有700～800m2的内表面积。吸附过程产生在空穴内部，它能把小于空穴的分子吸入孔内，把大于空穴的分子挡在孔外，起着筛分分子的作用。分子筛的主要特性有： 1)吸附力极强，选择性吸附性能也很好。 2)干燥度极高，对高温、高速气流都有良好的干燥能力。水蒸气含量越低，即相对湿 度越小，吸附能力越显著。但相对湿度较大时，吸附容量却比硅胶小。 3)稳定性好，在200℃以下仍能保持正常的吸附容量。分子筛的使用寿命也比较长。 4)分子筛对水分的吸附能力特强，其次是乙炔和二氧化碳。 高、中压装置上采用分子筛吸附器(一般为5A分子筛)，同时吸附水分、二氧化碳和乙炔，大大简化了工艺流程，操作简单，净化效果好。在全低压大型空分装置上采用分子筛流程，分子筛吸附器一般采用13X分子筛。 108.影响分子筛寿命的因素有哪些？答：1）频繁的特殊再生。 2）泄压和升压时过于猛烈，导致分子筛粉碎。 3）水份穿越铝胶进入分子筛。 109.5A分子筛与13X分子筛各有什么特性，如何选用?答：5A分子筛是钙型硅铝酸盐。均匀的孔径约为5×10-7mm，堆密度为700～800kg/m3，比表面积为750～800m2/g，孔隙率为47%，机械强度大于95%，对水分的吸附容量约为21.5%，对二氧化碳的吸附容量为1.5%，在吸附水分、二氧化碳的同时对乙炔等碳氢化合物有共吸附作用。 13X分子筛是钠型硅铝酸盐，均匀的孔径约为10×10-7mm，堆密度为600～700kg/m3，比表面积为800 1000m2/g，孔隙率为50%，机械强度大于90%，对水分的吸附容量约为28.5%，对二氧化碳的吸附容量为2.5%，在吸附水分、二氧化碳的同时对乙炔等碳氢化合物也具有共吸附作用。 两种吸附剂相比较，13X分子筛的吸附性能优于5A分子筛。但13X分子筛的机械强度及耐磨性稍差，且制造工艺较为复杂，因而价格较高。 小型制氧机的分子筛纯化器的工作压力较高，正常压力为1.5～2.5MPa，启动压力为 5.0MPa。制氧机的运转周期短(3～6个月)，加工空气通过分子筛纯化器后要求二氧化碳含量小于5×10-6即可。所以，以往中压分子筛纯化器多数选用5A分子筛。目前，为延长制氧机的运转周期，也改用13X分子筛作为中压纯化器的吸附剂。 大型全低压制氧机由于工作压力低(0.5～0.6MPa)，分子筛对水分、二氧化碳的动吸附容量降低，且大型制氧机的运转周期长(通常为两年)，要求空气净化后二氧化碳含量小于1×10-6，为了减少分子筛用量，低压分子筛纯化器全部使用13X分子筛。 110.干燥器的使用时间与工作温度有什么关系？答：在水蒸气分压力为1333.2Pa（10mmHg）情况下，硅胶对水分的吸附容量与温度的关系如表12所示：
由表可见，硅胶的吸附容量随温度的降低而增大。当其他条件不变时，温度越低，硅胶的吸附容量越大，干燥器的使用时间就越长。温度降低，空气中的饱和水分会计师也减少。即通过同样多的空气量，带入的水分问题将减少，这也使得干燥器的工作时间延长。因此干燥器在比较低的温度下工作是有利的。 干燥器的工作周期通常定8h，这是按20℃的工作条件考虑的。如果温度升高到25℃，带入的水分量增加了33％，而吸附容量将低到20℃时的86.5％，因此，工作周期将缩短为5.2h。 111.什么叫再生，再生有哪些方法?答：再生就是吸附的逆过程。由于吸附剂吸饱被吸组分以后，就失去了吸附能力。必须采取一定的措施，将被吸组分从吸附剂表面赶走，恢复吸附剂的吸附能力，这就是“再生”。 再生的方法有两种：一是利用吸附剂高温时吸附容量降低的原理，把加温气体通入吸附剂层，使吸附剂温度升高，被吸组分解吸，然后被加温气体带出吸附器。再生温度越高，解吸越彻底。这种再生方法叫加温再生或热交变再生，是最常用的方法。再生气体用干燥氮气较好，或用空气。 另一种再生方法叫降压再生或压力交变再生。再生时，降低吸附器内的压力，甚至抽成真空，使被吸附分子的分压力降低，分子浓度减小，则吸附在吸附剂表面的分子数目也相应减少，达到再生的目的。 112.再生温度的高低对吸附器的工作有什么影响?答：再生温度一般是取吸附剂对于该被吸组分的吸附容量等于零的温度。称之为完全再生，即解吸比较完善。再生温度较低时，被吸组分不能完全解吸，即吸附剂表面上还残留有一部分被吸组分没有被赶走，再进行吸附时吸附容量就要降低，吸附器工作周期也要缩短；如果再生温度高，虽然再生完善，但是消耗在加温气体上的能量过大，而且对吸附剂的使用寿命也有影响。所以再生温度过高或过低都是不适宜的。 根据实践经验，再生进口温度为175℃，冷吹期出口温度峰值为80～100℃是实际运行中的较佳值。当再生气冷吹出口温度峰值低于80℃时，吸附的水分将解吸不完全。 113.再生温度是根据什么确定的？答：加温再生是利用吸附剂高温解吸的原理进行的。硅胶在100℃时对水分的吸附容量已小于1％；在150℃时等于零，就是已不吸附水分。因此，再生温度应该是吸附剂对吸附质的吸附容量等于零的温度。这时已完全解吸，即被吸附质已完全从吸附剂中被赶走，吸附剂恢复了吸附能力。对于干燥器再生，加温气体进口温度控制在130～150℃，出口温度达到50℃时再生结束，平均温度在100℃左右。 硅胶在吸附二氧化碳和乙炔时也有上述规律。由于硅胶在常温下基本上不吸附二氧化碳和乙炔，故再生要容易些。加温气体进口温度为70～90℃，出口温度达30℃时，即可结束。 114.为什么吸附器再生后要进行冷吹后才能投入使用？答：加温是利用高温下吸附剂 的能力下降的特性，驱赶被吸附剂吸附的水分或二氧化碳等物质。因此，在再生温度下吸附实际上已没有再吸附的能力，只有将它冷吹后，温度降至正常工作温度，才能为再次吸附作好准备。 此外，在对干燥器再生时，当加温气体出口温度达50℃就停止加热了，然后进行冷吹。而在50℃时吸附剂并未完全解吸。但是，冷吹可以将气体入口处的硅胶积蓄的热量赶向出口硅胶层，出口温度在冷吹之初将进一步升高到80～100℃，使之进一步再生。因此，冷吹之初也是再生的继续。 115.吸附剂能使用多长时间，哪些因素影响吸附剂的使用寿命？答：吸附剂的使用寿命正常情况下可达2～4年。影响其使用寿命的因素，一是破碎问题；另一是永久吸附问题。目前使用寿命较短的原因主要是破碎问题。 造成破碎的原因除吸附剂本身的强度问题外，还由于气流的冲击和装填不实所引起的，因此，吸附器再生倒换时阀门形状要缓慢，防止气流冲击过于猛烈，以减少硅胶的破碎率。引起硅胶破碎的另一个原因是加热气体含湿，使细孔硅胶破碎。再生温度太高，在240℃以上时，硅胶也要受损坏。不过，再生一般无需加热到这样高的温度。分子筛再生温度可高达300℃。硅胶经多次吸附和再生的温度交变，也会产生破碎，造成吸附容量降低。此外，吸附器进水也会造成硅破碎。 硅胶破碎后阻力要增加。阻力增加到一定程度时应更换新的硅胶。差不多每年都要更换一部分。 硅胶被油、烃类等饱和后，不能解吸，成为永久吸附，又称为“中毒”。使硅胶对水分的吸附容量大大降低。气流中含油较多时，硅胶的使用寿命将要缩短。 116.分子筛有哪些切换步骤？答： 并联 高压隔离 卸压 加温 冷吹 低压隔离 均压 117.对分子筛纯化系统有哪些节能措施?答：分子筛纯化系统目前多数采用加热再生法，其能耗占总能耗的5%左右。在中、大型空分装置的分子筛化系统中，为了减少分子筛的用量，提高分子筛对二氧化碳的吸附容量，取空气入分子筛纯化器的温度8～15℃。为了预先降低空气温度，采用氮－水预冷系统加冷冻机提供冷冻水冷却，或者空气在氮－水预冷系统中冷却后再由氨制冷机加以冷却的措施。这也增加了分子筛纯化系统的能耗。可见，采用对二氧化碳有较强吸附能力的分子筛，提高进入纯化器的空气温度，显然是一条有效的节能途径。 此外还有以下几条有效的节能措施： ⑴采用活性化铝分子筛双层床。这一措施可以降低再生温度，从而达到节能目的； ⑵加热再生操作中，采用加热－冷吹分阶段方式。加热时不是将整个床层的吸附剂都达到彻底再生的温度――200℃以上再停止，而是出口达50℃左右就停止加热，转入冷吹。冷吹是加热再生的继续，是用床层本身积蓄的热量来解吸再生。这样的操作既保证了彻底再生，又缩短了加热时间； ⑶在纯化系统的电加热系统中设置蓄热器。纯化系统中的再生加热器是间断工作的，使用时要求电加热器的功率较高。如果采用功率较小的电加热器，另外设置一个蓄热器，让电加热器连续工作，将热量储存在蓄热器中。加热再生时，可由蓄热器补充足够的热量。 ⑷用余热蒸汽加热器佳偶民加热器。冶金企业和化工企业中都有大量的余热。将余热锅炉获得的蒸汽，用二纯化器的加热再生，可节约能源消耗； ⑸采用变压解吸的PSA系统。变压再生的纯化系统，分子筛床层的再生依靠降压来实现，床层不需要加热，帮相对TSA较为节能； ⑹用空压机出口的压缩空气预热再生用的污氮。加工空气经空压机压缩后温度可升高到70～80℃，用它来预热再生的污氮气，既可以节能，又可使加工空气得到冷却。 118.为什么有的分子筛纯化器采用双层床?答：分子筛双层床是指在纯化器的空气进口处，先装一定量的活性氧化铝，其上再加装一层分子筛。进入分子筛纯化器的加工空气含水量是达到饱和的。中压小型制氧机的中压分子筛纯化器空气入纯化器的温度为30℃时，加工空气的含水量为30.3g/m3；对大型全低压分子筛纯化流程，空气入纯化器的温度一般设计为8～15℃，假若空气的温度为10℃，则其中的饱和含水量为9.35g/m3。纯化器首先吸附空气中的水分，吸附水分后，势必影响对二氧化碳分子的吸附。 对比活性氧化铝与分子筛吸附水的特性可知：活性氧化铝对于含水量较高的空气，吸附容量比较大，但是随着空气含水量的减少，吸附容量下降很快。而分子筛即使在含水量很低的情况下，同样具有较强的吸水性。（见图17）并且，铝胶解吸水分容易，可降低再生温度；它对水分的吸附热也比分子筛小，使空气温升小，有利于后部分子筛对CO2的吸附；铝胶还具有抗酸性，对分子筛能起到保护作用。基于这些特点，有的纯化器采用了双层床结构，在空气入纯化器进I=I侧，装一层活性氧化铝。它先将空气所含的大部分水分清除掉，而分子筛则主要用于清除二氧化碳、乙炔及其他碳氢化合物。采用双层吸附床，可以延长纯化器的使用时间。在进行活性氧化铝-分子筛双层床试验得出：纯化器的有效工作时间延长了25%～30%。 此外，分子筛单床层对于水分解吸较为困难，其再生温度要求控制在300～320℃，加热终了温度控制在100～120℃。而活性氧化铝的再生温度只需要控制在200～220℃，加热终了温度控制在30～50℃即可。因此，双层床在再生时，加热时间可以缩短，约为单层床加热时间的1/2～1/3。这样不但可以节电能或蒸汽，(据统计，每年电耗可减少50%～60%)而且加热和冷吹的时间也很充裕，还为低压废蒸汽的利用提供了条件，能够有效地保证纯化器彻底再生。 活性氧化铝颗粒较大，且坚硬，机械强度较高，吸水不龟裂、粉化，所以双层床的活性氧化铝层可以减少分子筛粉化，延长分子筛的寿命。活性氧化铝层处于加工空气入口处，还可以起到均匀分配空气的作用。 从中压双层床纯化器使用实践证明，纯化空气的程度比单层床更高。空气的干燥程度由原来露点为-60℃降到-66～-70℃，净化后空气中二氧化碳含量也降低。因此，空分设备的运转周期也就可以延长。 但是，双层床要求设计计算精确，而且在使用时不能偏离设计工况。否则要靠增大两种吸附剂的装载量来保证其性能。此外，两种不同的吸附剂装在同一吸附器中，界面必须隔离，使双床层的压降较大，还需解决隔离层的热膨胀问题。因此，有的场合仍倾向于采用简单的单床层结构。 119.分子筛纯化器的结构型式有哪几种?答：目前，中、小型空分设备中的分子筛纯化器多采用立式结构。这种立式分子筛纯化器结构简单，占地面积小。为了保证气流的均匀分布，在进气口处设有一个圆筒形气流分布器。 大型空分设备为了减少纯化器的阻力，降低床层高度，多采用卧式结构。卧式结构分子筛纯化器的流动截面积大，可以避免气流流速过快，造成分子筛颗粒的跳动或流化，使 床层高度不一致，以致影响吸附效果。卧式分子筛纯化器不仅设置进口气流分配器，而且有的还设置床层耙平机构。立式和卧式结构的纯化器为了克服气体的附壁效应，还敷设有克服附壁效应的结构。 30000m3/h以上的大型空分设备，由于处理的空气量太大，采用卧式结构会出现占地面积太大、气流分布不均、床层过厚、阻力大等缺点。因此，法国液空公司首先设计制造出立式双层径向流纯化器。吸附器由一个外壳、三个带有特殊开孔的中心筒组成。中心圆柱体和中心筒都包有不锈钢丝网，内筒悬挂在外筒上。空气首先进入靠近外筒的空腔然后进入分子筛和氧化铝层，中心筒可以起过滤作用。这种结构可以使气流分布均匀，占地面积只是 卧式分子筛纯化器的1/4左右。由于立式径向流为圆柱体格栅结构，充分利用了空间，并减少了气流阻力，因而可节约能耗。加之它能够防止床层内分子筛流态化，所以有较广阔的应用前景。 120.纯化器的作用是什么？答：纯化器的氧化铝床层吸附空气中的水分，分子筛床层清除空气中的CO2、乙炔及其它一些碳氢化合物，从而达到净化工艺空气的作用。 121.分子筛纯化器的切换时间是怎样选取的?答：从理论上讲，切换时间最长只能等于分子筛吸附过程的转效时间。转效时间的长短是由分子筛对水分及二氧化碳的动吸附容量所确定的。影响其动吸附容量的参数有空气带入分子筛纯化器的水分、二氧化碳以及乙炔等碳氢化合物的分压力，吸附温度，气体流 速等因素。当认为分子筛纯化器吸附温度不变，水分、二氧化碳等的分压力不变时，气体流速提高，因水分子及二氧化碳分子与分子筛的接触时间缩短，则动吸附容量将减少，分子筛吸附过程的转效时间将缩短。考虑到分子筛老化、切换阀动作时间、充气、放气时间等因素，实际设定的切换时间必定小于转效时间。 切换时间长，切换阀动作次数少，可延长使用寿命，而且可以减少切换放空的气体损失。此外，可使空分装置的运行稳定。中、小型空分装置的切换时间一般设定为8h。大型空分装置为了缩小纯化器的尺寸，又考虑到分子筛老化后需要定期更换的问题，应尽量减少分子筛的用量。因此，采用较短的切换周期。切换时间通常设定为1.5～2.0h。由于分子筛制造技术的提高，新型分子筛对水分及二氧化碳的吸附容量的增加，所以大型空分装置的分子筛纯化器的切换时间也在延长，长周期的纯化器切换时间已可延长为4～6h。 122.什么情况下纯化器需特殊再生？答：1）纯化器在充填分子筛和氧化铝后 2）分子筛受到意外污染和穿透 3）分子筛达到使用周期两年，吸附效率降低 123.什么叫“饱和度”?答：空气中的二氧化碳含量如果小于当时温度对应的饱和含量，则二氧化碳是处于不 饱和状态，它与饱和含量的比值叫饱和度。因此，饱和度也就是相当于表示水分含量的相对湿度。例如，如果空气中的二氧化碳的体积分数为0.03%。经压缩至0.6MPa后，二氧化碳的分压力也相应提高，它与体积分数及总压力成正比： Pco2=yco2·P=0.03%×0.6(MPa)=0.00018MPa=180Pa 当空气在切换式换热器中冷至-130℃时，由图19查得它的饱和分压力为P饱=308Pa， 饱和度： ψ=pco2/p饱=180/308=58% 这说明CO2尚未达到饱和。 当空气温度降至-133.5℃时，对应的饱和蒸气压为176Pa，已略低于二氧化碳的分压力，表示已达到了饱和，温度再降低就会有二氧化碳析出。 图19 二氧化碳的饱和蒸汽压与温度的关系 END |
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