分子筛纯化器均压阀开度调节①

申 剑，武艳军，王利荣，左维强，张国斌

(云铜锌业股份有限公司气体分厂，云南昆明五华王家桥 650102）

·工艺与设备·

分子筛纯化器均压阀开度调节①

申 剑，武艳军，王利荣，左维强，张国斌

(云铜锌业股份有限公司气体分厂，云南昆明五华王家桥 650102）

分子筛均压时，可能导致空压机流量波动大，导致空压机电机超负荷，影响空分设备安全运行。分析均压时分子筛纯化器压力、温度变化;研究不同调节次数下均压阀V1207开度情况。结果表明，起始开度随调节次数减少而增大，同时压力波动增大。如:当调节次数为10、20和40次时，V1207起始开度分别为28.8、25.3和24.5，每次开度范围分别为1.8～3.4、1.0～1.7和0.5～1.1。

空分设备;分子筛;充压;运行优化

云铜锌业股份有限公司气体分厂16 000 m3/h空分装置于2002年2月建成投产，采用分子筛净化、增压膨胀、上塔规整填料、液氧内压缩、全精馏无氢制氩的常温分子筛净化大型内压缩空分流程，氧气设计产量为16 000 m3/h。

空气经除尘器除尘、预冷系统冷却洗涤，经分子筛净化，除去其水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物等杂质［1］。分子筛工作一定时间后，吸附能力急剧下降，导致净化效果差，使分子筛纯化器出口空气所含二氧化碳和水分浓度超标，故其需要再生。因此，分子筛纯化器常采用两只分子筛纯化器，其中一只吸附，另一只再生［2］。分子筛纯化器运行包括热吹、冷吹、均压、并行和卸压五个步骤，均压时空压机流量波动大，可能导致空压机电机超负荷，影响空分设备安全稳定运行。

文献［3］采用退火方法设计分子筛阀门开度程序进行模拟，并对拓扑结构进行能量优化，确定稳定构象晶胞常数、原子坐标，估算气体的密度、生成热，论证其稳定性。文献［4］采用水热合成法制备了一种吸水量高、脱附温度低介孔分子筛，易于实现工业化生产。文献［5］分析空分设备运行后分子筛纯化系统存在的不足，采取延长分子筛吸附器并行时间、减小吸附器升压速度和改进蒸汽加热器系统，实现空分设备长期稳定运行。文献［6］介绍了3套空分设备流程所存在的问题，针对各自特点进行能耗分析改造，实现了节能降耗。本文以热力学、流体力学等相关知识为理论依据，研究分子筛均压阀开度，对提高空分系统安全稳定性有极为重要意义。

1 分子筛均压分析

1.1 分子筛运行流程

分子筛运行流程如图1所示。设1号分子筛(MS1）吸附，2号分子筛 (MS2）冷吹刚结束。对于出预冷系统空气而言，MS2内部为低压状态，此时若打开进口阀V1202、出口V1204，必然会对分子筛床层造成较大冲击。因此，必须打开均压阀V1207，使出MS1部分空气进入MS2进行充压。在空分装置额定负荷或超负荷生产状态下，如果均压阀V1207开度不够合理，将会导致空压机流量、功率以及进冷箱气量大幅波动，影响整个空分设备运行稳定，甚至造成跳车事故。

图1 分子筛运行流程Fig.1 Themolecular sieve operation process

1.2 热力学分析

用热力学理论对分子筛均压时空气参数进行分析，可得空气焓［7］

式中，cp为比定压热容，J/(kg·K）;T为热力学温度，K;u为单位质量热力学能，kJ/kg;p为绝对压力，Pa;v为比体积，m3/kg;cv为比定容热容，J/(kg·K）; Rg为气体常数，J/(kg·K）。

空气设均压时出MS1空气温度、压力等参数不变，MS2可视为开口系统，据热力学第一定律［7］

式中，Q为热功率，kW;d ECV为储存能增量，kW;h为气体比焓，kJ/kg;cf为气体流速，m/s;g为重力加速度，m/s2;z垂直水平高度，m;m为质量流量，kg/s; Wi为推动功，kW;下标1、2分别表示进、出口气体参数。

经分析，MS1向MS2充压的过程可视为充气过程，忽略充入气体动能及位能，推动功为零(因为MS1向MS2充压时，除V1207外，MS2其他连接阀门都为关闭状态）。为方便描述，MS1充入MS2的气体参数使用下标in表示，即把h1改为hin，把m1改为min表示进入MS2空气质量和比焓。

2 压力分配及阀门开度优化

将每次阀门动作前后的中间温度为参考值，根据式(13）～(17）可知

第n次充入MS2空气质量为

由于每次阀门调节时间较短，空气比容可近似看为线性变化，故取第n－1到第n次之间的平均比容为阀门调节依据，则n－1到第n次之间的平均体积流量为

根据V1207阀门开度压力变化，并以体积变化为参考，以便调节分子筛充压稳定进行。

设V1207阀门开度为x，则［8］

式中，d为管径，m;ω为气体流速，m/s。

3 实例分析

3.1 基本参数

云铜锌业气体分厂空分基本参数如下:MS1出口绝对压力为0.556 MPa，MS1出口空气流量为81 000 m3/s，出气温度为12℃。MS2内绝对压力为0.100 MPa，空气温度为13℃，均压时间定为20 min。分子筛真空时容纳空气估算值为150 m3，V1207管径为90 mm，为了保证设备稳定运行，将V1207最大开度定为50。

3.2 调节次数为10时阀门开度

表1 V1207调节10次时阀门开度值Table 1 The valve opening is calculated under 10 times

经过计算，当V1207在10次 (每次调节时间间隔为120 s）调节时，所得第1、2、3、……、10次阀门开度，如表1所示。

3.3 调节次数为20时阀门开度

经过计算，当V1207在20次 (每次调节时间间隔为60 s）调节时，所得第1、2、3、……、20次阀门开度，如表2所示。

3.4 调节次数为40时阀门开度

经过计算，当V1207在40次 (每次调节时间间隔为30 s）调节时，所得第1、2、3、……、40次阀门开度，如表3所示。

表2 V1207调节20次时阀门开度值Table 2 The valve opening is calculated under 20 times

表3 V1207调节40次时阀门开度值Table 3 The valve opening is calculated under 40 times

4 结 语

分别采用均压阀V1207调节次数为10、20和40均压运行，均压时间为20 min，运行结果与本文理论预测一致，验证本文理论正确性。结果表明:

1.初始阀门开度随调节次数的增大而减小。当调节次数分别为10、20和40次时，V1207起始开度分别为28.8、25.3和24.5。

2.阀门调节范围随调节次数的增大而减小。当调节次数分别为10、20和40次时，阀门每次开度范围分别为1.8～3.4、1.0～1.7和0.5～1.1。

3.空压机流量波动量随调节次数的增大而减小，压力波动随调节次数的减小而增大。

通过对空分分子筛均压阀进行研究，成果对空分设备运行稳定性有一定指导意义。

［1］李化治.制氧技术 ［M］.北京:冶金工业出版社，2003:37-50.

［2］张军．DCS在大型空分制氧装置的应用［J］．冶金自动化，2008，32(4）:32-34.

［3］朱水平.计算机模拟对分子筛性能结构及模板机理研究［D］.天津:南开大学，1998:16-29.

［4］李宏愿，魏渝伟，庞玲玲．高吸水介孔分子筛的合成［C］//第14次全国分子筛学术年会论文集.洛阳，2009:175-179.

［5］王洪洋.鞍钢35000 m3/h空分设备分子筛纯化系统的优化操作［J］.深冷技术，2006(3）:46-48.

［6］庞厚芳，高宪国，齐光辉.空分设备加温流程的优化与应用［J］.深冷技术，2009(5）:9-11.

［7］沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学［M］.3版.北京:高等教育出版社，2006:36-45.

［8］祈德庆.工程流体力学 ［M］.上海:同济大学出版社，1995:130-136.

The M olecular Sieve Absorber Optim ization

SHEN Jian，WU Yanjun，WANG Lirong，ZUOWeiqiang，ZHANG Guobin

(Gas Production Factory，Yunnan Yuntong Cop per Zinc Industry Co.，Ltd.，Kunming 650102，China）

To an air separation plant，the flow volatility of air compressormay be overloaded and the safe operation may be impacted，when themolecular sieve pressurizing.The pressure and temperature change of the molecular sieve were analyzed.The V1207 opening number were researched under different regulate.The results show that the initial opening and the pressure fluctuations increase if the regulating number decreases.For example，the V1207 start opening is28.8，25.3 and 24.5 and the each opening is 1.8－3.4，1.0－1.7 and 0.5－1.1，with the regulating number is 10，20 and 40.

air separation equipment;molecular sieve;pressurizing;operation optimization

MS1向MS2充压过程中，主要是要保证MS2压力变化量相对平稳，若调整阀门波动过大，会使得充压损失增大，可能使得空压机背压波动大，造成空压机流量、功率增大，造成能源浪费。
为保证压力平稳变化，将充压过程分为n次，设充压前MS2起始压力为p0(可近似看为当地大气压），冲压后压力为pn，最终压力上升(pn－p0），每次调节阀门压力变化为(pn－p0）/n。第1次、第2次、……、第(n－1）次、第n次充压后压力分别为p1=［p0+(pn－p0）/n］、p2=［p0+2(pn－p0）/n］、……、pn－1=［p0+(n－1）(pn－p0）/n］、pn。MS2充压前温度为T0，充压后的温度为Tn，第1次、第2次、……、第(n－1）次、第n次充压后的温度分别为T1、T2、……、Tn－1、Tn。分析可得

TQ116.11

B

1007-7804(2012）04-0018-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.04.004

2012-03-19

云南云铜锌业股份有限公司科技计划项目

申 剑 (1985），男，硕士研究生，主要从事空分系统经济性、可靠性理论研究工作，曾以第一作者在EI核心源刊等发表论文7篇，参加国家自然基金等项目10余项，yzshenjian85@126.com。