近五六年來，隨著國內變壓吸附制氮技術的不斷成熟，其使用領域也不斷擴大，從開始的煤炭系統的井下氮封滅火、機電系統的氮氛氣熱處理、化工系統的原料加工提純氮封保護，到食品工業的食品果品保鮮、啤酒業的替補二氧化碳氣的不足等，并皆受到了用戶的歡迎。為了讓更多的用戶了解變壓吸附制氮技術并使用變壓吸附制氮裝置，本篇就變壓吸附制氮裝置的設計、調試中出現的故障及使用中須注意的問題作一簡述。1變壓吸附制氮裝置的工作原理

　　變壓吸附制氮裝置的設計依據是變壓吸附理論。吸附的基體為各類吸附劑，如：鋁膠、硅膠、活性炭及分子篩。在變壓吸附制氮裝置當中，吸附劑大多采用各類分子篩(沸石分子篩、碳分子篩)，各類分子篩有其吸附的特定選擇性，如制氮吸氧常采用3A碳分子篩，而吸附H20、C02多選用13X沸石分子篩。變壓吸附制氮裝置的工作原理：潔凈的帶壓空氣(氧氮混合氣)通過某種碳分子篩，其中的大部分氧氣及剩余的微量水分被分子篩吸附，氮氣則未能被吸附而排放出來，此為吸附制氮階段。而在壓力減低為大氣壓或負壓下，分子篩吸附氧的能力下降則解析出其在受壓狀態下所吸附的氧、水，此為解析再生(制氧)階段。解析后的分子篩又可以進行下一周期的吸附制氮階段，循環反復，從而得到一定純度氮氣，同時得到一定純度的富氧空氣。其裝置模塊圖見圖1。

　　2設計

　　根據變壓吸附技術，按照不同用戶的不同需要，設計制造出多種不同技術性能參數的變壓吸附制氮裝置。下面以石化系統某廠用于加氫白油工程的200m3／h、純度99.9%的制氮裝置為例(工藝流程見圖2)，對有關方面進行簡單論述。2.1裝置主要技術參數

　　氮氣產魚：200m3／h(20℃、0.1MPa絕壓)；氮氣純度：99.9%(含氧量小于0.1%)；氮氣供應壓力：0.6MPa。2.2分子篩的選擇及量的確定

　　根據以往的經驗、各分子篩的實驗數據及裝置所要求的技術參數，該裝置選用德國BP公司的最新185型碳分子篩，其某工況下的性能數據：(1)整體密度：610~630g／1；(2)平均顆粒直徑：2.3~2.5mm；(3)PSA產氮量：99.9%N2時，大于115m3／h·t；(4)PSA提取率：大于27%N2／空氣。

　　以上幾個方面的數據對加工空氣的壓力、露點、含油量皆有一定的要求。選用BF分子篩的理由為：如采用國產分子篩則所需分子篩量相應較大，所配置的吸附筒容積也相應增大，而且單級吸附也較難達到所需純度要求。參照分子篩的有關參數，通過比照就可以確定在所需壓力0.6MPa、純度99.9%N2時所配備的分子篩量Q1。

　　2.3空氣壓縮系統、冷干機系統的確定

　　由于分子篩對加工空氣的壓力、露點、含油量皆有較高的要求，因此常選用無油潤滑空壓機或油潤滑空壓機加多級油霧過濾器來保證對含油量的要求；選用冷干機來保證其對空氣的露點要求。在該裝置中，采用無油潤滑空壓機，其技術數據：加工空氣量10m3／h(Q2)、出口壓力0.8MPa。而冷干機所要求達到的壓力露點不大于5℃。

　　2.4吸附器系統的參數、結構設計

　　吸附器系統是整套裝置的核心，其設計、制造質量直接影響到整套裝置的性能和壽命。而吸附器不同的參數、結構設計方法，也有著其各自的優缺點。如何達到最佳設計，制造商務有不同的看法。

　　2.4.1吸附器的參數設計

　　①吸附器最小直徑D0的確定

　　吸附器的設計首先考慮的是吸附器的空塔速度V0，不同性能的吸附劑其允許的空塔速也各有差別。根據加工空氣量Q2與空塔速度V0就可以計算出吸附器最小直徑D0。

　　②吸附器容積V的確定

　　吸附器容積V由三部分組成：裝填分子篩Q1所需的容積V1，相關結構件所占的容積V2以及其它緩沖、均布穩定氣流所需的容積V3；即V=V1+V2+V3；其中V，由參數設計確定，V2、V3由結構設計確定。#p#分頁標題#e#

　　2.4.2吸附器的結構設計

　　①吸附器高徑比的確定

　　吸附器高徑比決定了吸附器是矮胖型還是細長型。采用矮胖型低床層設計，分子篩利用率高，吸阻小，壓損少，而器體制造相對困難。采用細長型高床層設計，吸阻大，但能使氣流沿吸附器軸向均勻擴散達到等溫吸附，以及較高的純度吸附要求。

　　②吸附器數量的確定

　　吸附系統按吸附器的數量可分為單塔、雙塔及多塔系統，考慮到整個裝置的實際情況，如壓縮機供氣的經濟性、排氣的連續性、所需設備的復雜程度以及制造成本的高低，常取雙塔和三塔流程，而雙塔流程在制氮裝置中尤為多見，其整個裝置包括兩只吸附器和一只緩沖容器。

　　③吸附器內部結構的設計

　　吸附器內部結構的設計包括床層的確定和各種輔助結構，如上下過濾器、導流器、壓緊機構、氣體均布器等的設計。吸附器通常可分單層床和雙層床，結構見圖3，兩種結構上下通氣口皆設有過濾器、氣體分布器。

　　單層床結構在分子篩吸附劑上設有絲網孔板、氣缸壓緊裝置，在吸附器工作時，氣缸活塞受壓差產生一個下推力并通過絲網孔板把分子篩壓緊，避免了因氣流過大而造成的分子篩沸騰流化、過濾器絲網被沖擊破損現象，從而延長分子篩的壽命，保證吸附器的正常運行。該結構簡單可靠，在氣缸活塞允許的行程內，能很好地克服分子篩沸騰粉塵現象。而雙層床結構設置了雙層填料，在分子篩上部增添了壓緊填料，兩者之間通過絲網隔開，在吸附器工作時，依靠壓緊填料的重量壓緊絲網分子篩，同樣起到單層床壓緊裝置的作用，并不受以上所說的行程限制，但該結構在設計或裝配不當的情況下，運行時中會發生中間絲網傾斜造成分子篩和壓緊填料相混合的現象，從而導致分子篩的加劇磨損。

　　④動作閥的選擇

　　雙塔流程當中兩只吸附器的周期性交替工作，是通過由程序控制器控制的電磁(氣動)閥來完成的。由于切換周期短、閥的動作頻繁，因此要求所選用的閥壽命在50萬次以上，并且某些閥須有雙向通氣的功能。確定了閥的類型之后，再根據各閥所通過的氣量及一般所采用的流速確定該閥的通徑和規格。如該裝置選用了本公司自制的DN50、DN80、DNl00電磁氣動蝶閥，壽命長，密封性好。

　　2.5產品氣緩沖罐的設計及產量測定系統的選用

　　由于采用雙塔流程，產品氣的排出有較大的壓力波動性，選用一定容積的緩沖罐對改善吸附器的工作狀況和產品氣的穩定供出皆有較大的好處。緩沖罐容積的大小與裝置氣體產量有關，每個周期產生的脈動氣量對緩沖罐壓力不致引起太大的波動是緩沖罐容積選取的原則，一般壓力波動△p不超過0.1MPa。

　　對于中小型的裝置，、其產量測定常采用法蘭孔板形式，氣流通過孔板產生的壓差通過差壓變送器轉換成某一電流信號，再通過二次儀表把這電流信號以流量單位顯示出來。通過該結構，可以達到自動控制產品流量在所需值的目的。

　　2.6過濾系統

　　根據用戶的產品氣(氮氣)的使用環境，過濾系統有時是必不可少的。在該裝置上，配備了粗、細兩種過濾器，粗過濾器為帶反吹的切換型結構，細過濾器選用一次性可換芯的精過濾器，過濾精度達0.01μm。

　　2.7控制系統

　　碳分子篩有其顯著的特性：第一，受水分影響時，對其它氣體的吸附性減弱，表面硬度下降，表現在整機性能上就是純度下降，產品氣夾帶粉末，導致動作閥故障。第二，受油分影響后，由于對油分未能進行解析再生，分子篩最終失效。為了使分子篩發揮其正常性能、保證吸附器的正常工作，在各機組的常規控制保護基礎上，裝置視情況的不同布置有進吸附器空氣溫度設定連鎖，冷干機的冷凝水排出故障報警，產品純度超標報警等措施，以及動作閥的程序自動控制和中控室的信號顯示控制。#p#分頁標題#e#

　　3調試中常見故障及主要原因

　　在現場調試中，除了不諳流程而誤操作外，比較常見的故障現象有：

　　(1)各配套運動機組的故障現象：①空壓機的供氣量不足或供氣壓力過低；②冷干機除水不正常或與整個裝置不匹配。(2)吸附器組的故障現象：①吸附器組的有關壓力指示不正常；②動作閥切換緩慢或不動作；③產品氣、解析放空氣當中有粉末夾帶。(3)產品氣分析指示系統故障現象：①分析系統指示純度偏低；②流量未達到設計指標。

　　以上幾個故障的發生原因，經分析為：設計選型不合理、本身機組或儀表存在故障；動作閥關閉密封不嚴；電磁閥存在故障或粉末引起動作閥故障；吸附器床層發生流化現象，造成分子篩摩擦沖擊嚴重產生粉末；進水、油分嚴重引起分子篩硬度減低加劇粉化或分子篩失效；運行周期各階段時間設置不當等等。

　　4使用中應注意的問題

　　調試交付后，用戶除了會使用操作外，會維護并了解裝置的原理流程是很必要的。在掌握各配套機組的使用性能后，為了維護使用好吸附器這個核心裝置，以下幾點是值得考慮的：前面已經講到，分子篩忌水、忌油、怕磨損，因此在裝置運行當中要特別注意空氣的質量(含水、油量)，在日常操作中經常檢查空壓機是否上油、濾油系統是否正常、冷干機制冷除水是否正常。還要經常檢查產品氣排出過濾器和解析氣放空口，是否有堆積或夾帶過多的分子篩粉末；定期檢查吸附器內分子篩的磨損量，并確定是否須增添等等，如有以上現象，應及時解決。如能正常操作和維護，使用壽命將會大大延長。作者簡介：季宗升男，工程師，1966年12月出生，1988年浙江大學化工機械專業本科畢業，現在杭州制氧機(集團)公司軍品廠從事產品設計工作。