分子筛纯化系统再生过程的优化控制

魏来 李楠

（1长春工业大学 电气与电子工程学院 吉林长春 130012 2吉林化工学院 信息与控制工程学院 吉林 132022）

1 引言

大型制氧机流程中，需要清洁空气，分子筛纯化器用于过滤空气中H2O、CO2、乙炔等杂质的重要设备。应用变温吸附方法，利用其在常温下进行吸附，而在高温下解吸再生的原理，使两只纯化器交替使用，达到连续净化空气的目的[1]。其工作的状态直接影响制氧机的运转工作周期，是制氧机的“咽喉”部位。

分子筛进行再生时，冷吹阶段污氮气出纯化器温度是一个十分重要的变量，该温度指标中，冷吹峰值温度和冷吹结束温度是保证分子筛再生过程的重要指标，通过优化控制，在保障分子筛纯化系统正常工作前提下，同时达到节能减排的作用。

2 分子筛纯化系统工艺介绍

2.1 纯化系统

分子筛纯化系统主要由2个吸附器，以及加热设备等构成。如图1所示，压缩空气经预冷系统，从分子筛吸附器底部进入，首先由外层活性氧化铝床层吸附水分，再由内层分子筛床层吸附水分、C2H2、CO2和碳氢化合物，这样净化空气就可以送到后续工序。[2]这个过程叫吸附过程。吸附器不能无限制的吸附，当分子筛和活性氧化铝吸附达到饱和时，需要解吸附。这一过程由污氮气从顶部吹入，使吸附器解吸脱附，称为再生过程。两个吸附器始终交替互换，一个吸附，同时另一个再生。

图1 分子筛纯化系统工艺流程图

2.2 再生过程

再生过程比较复杂，分为4个阶段：降压，加热，冷吹和充压。

降压阶段。分子筛在吸附空气中杂质时，其工作压力一般在500kPa以上。当分子筛吸附器由吸附进入再生时，先要降压，打开降压阀将压力降低至10kPa左右。降压过程中，吸附器的静吸附容量减小，可以使小部分气体分子和水分子从分子筛中解吸出来[3]。

加热阶段。通常用加热器给污氮气加热，升温后的污氮气从吸附器顶进入分子筛床层，床层温度逐渐上升，使大多数气体分子和水分子脱附出来。

冷吹阶段。直接将污氮气吹入分子筛。一是利用之前保留的热量继续解吸，二是利用污氮气把热量带出去，为下一次吸附做准备。这个阶段，分子筛出口处污氮气温度是一个非常重要的指标。冷吹阶段出口污氮气温度有一个最高点，即冷吹峰值，是体现再生过程是否完全的重要指标。冷吹结束时，污氮气出口处温度也是一个非常重要的变量。若温度过高，吸附器由再生转为吸附时，空气会把多余的热量带入换热器中，会影响其工作。该温度如果过低，会使吸附效果下降，满足不了工况要求。这两个参数是本文重点研究的问题。

充压阶段。将分子筛吸附器升压至吸附时的工作压力，准备投入吸附状态。

3 冷吹温度的控制

再生过程中，冷吹阶段的污氮气出口温度有两个需要控制的指标。一是冷吹峰值温度T1，通常来讲若该峰值能达到160℃，表明纯化器中的分子筛能够完全再生。二是冷吹结束温度T2，该温度要求控制在与入口温度差<5℃。他们主要由加热时间t1和冷吹时间t2决定，同时也受进入分子筛的污氮气温度TN2、流量FN2以及空气温度TO2、空气含杂质量AO2影响。也就是说，可以把T1和T2作为系统输出，把污氮气温度TN2、流量FN2以及空气温度TO2、杂质含量AO2作为主要干扰，根据这些主要干扰大小，采用多变量前馈补偿控制，通过调节加热时间t1和冷吹时间t2，使冷吹温度T1和T2满足要求。

4 前馈补偿控制器

根据前文分析，选择冷吹峰值温度T1和冷吹结束温度T2作为被控变量，进入分子筛的污氮气温度TN2、流量FN2，空气温度TO2和空气杂质含量AO2作为前馈补偿的主要扰动变量，加热时间t1和冷吹时间t2作为操作变量，构成一个多变量前馈补偿控制系统。则可用如下方程描述：

其中，pij为分子筛冷吹过程中相关输入输出通道的传递函数。可以通过多种方法取得。

根据多变量前馈补偿原理，用状态方程表示为：

则分子筛冷吹过程的多变量前馈控制补偿器状态方程为：

最终能够建立控制状态方程：

公式（4）建立了扰动变量与操作变量之间的关系，可以很方便的通过计算机来实现前馈控制。

5 结语

经过运行分析，证明该方法可以根据再生气入口温度、再生气流量，空气温度和空气杂质含量多少，自动调整冷吹过程的加热时间和冷吹时间，确保再生完全，从而保障了分子筛吸附效果。与按固定时间控制的方法相比，固定时间控制为了保证系统安全，只能以最大加热量和最短切换时间进行控制，势必增加了能源的浪费。而采用前馈控制后，能够根据空气质量，空气温度等等，自动调整加热时间和冷吹时间，保证分子筛纯化系统最佳运行状态，实现了对分子筛纯化系统的优化，也达到节约能源的目的。

[1]郭传喜,浅谈分子筛的温度曲线[J].大化科技,2010,(1）.

[2]仝献华,陈和林,分子筛控制系统的优化[J].河北冶金,2011,(9）.

[3]孙全海,分子筛纯化器温度曲线的观察与分析 [J].深冷技术,1999,(4）.作者简介魏来（1980—），男，吉林省吉林市人，硕士，长春工业大学讲师。控制理论与控制工程方向。

李楠。

吉林省科技发展计划项目（20130206007GX，20140204029SF）。