NW-Ⅲ新型分子筛在空分装置上的应用

张 虎， 荀志伟

(灵石中煤化工有限责任公司，山西 灵石 031303)

引 言

空分装置通常均有前置式空气净化装置。其目的是脱除空气中的水分和二氧化碳(CO2在空气中含量为400×10-6),因为H2O和CO2的凝固点均高于空气分离的液化温度，所以他们的凝固会堵塞冷箱的换热设备，而吸附净化则是一种安全有效的方法。

1 分子筛吸附器的吸附原理与吸附剂

1.1 吸附原理

吸附是一种把气态或液态物质(吸附质)固定在固体表面(吸附剂)上的物理现象[1]。这种固体(吸附剂)具有微孔的活性表面，吸附质的分子受到吸附剂引力的作用，从而固定在上面。

引力的大小取决于：吸附剂表面的构造(微孔率)、吸附质的分压、温度。吸附伴随着放热，是一种可逆的现象，类似于凝结。如果增加压力，吸附能力增加，再降低温度，吸附能力继续增加。因此，在吸附时，压力升高，温度降低有利于吸附。反之，压力降低，温度升高有利于解吸。

1.2 吸附剂

吸附剂有分子筛、活性氧化铝。一般把仅使用分子筛吸附的叫单层床吸附器。而把使用分子筛、氧化铝两种吸附剂的吸附器叫双层床吸附器。

空分上的分子筛目前使用较多的是13X-APG型分子筛。利用其颗粒内部多孔性，以及对极性分子具有较强的亲和力，有选择地吸附水分、乙炔、二氧化碳等杂质，可以使空气得到纯化[2]。由于空气中的有害物质，如二氧化硫、氯化氢、氯和一氧化氮等，同时也会被分子筛吸附，会生成酸性腐蚀物质，直接与分子筛发生反应，在遇水的情况下，使分子筛内部晶格遭到破坏，从而影响分子筛的使用寿命[3]。故大中型空分设备在分子筛纯化系统前设置空气预冷系统，对空气中的酸性组分、氨气等进行洗涤净化，并对空气进行降温，以提高分子筛的使用寿命和吸附容量。

活性氧化铝具有抗压强度高、磨耗率低、不粉化、不爆裂等特点。其抗冷、热的突变性也很强[4]。在空气饱和含水量高时有较好的吸水性，而且与分子筛等高度的床层下，阻力也更低。

活性氧化铝价格相对较低，所以一般在处理空气温度较高(15 ℃～20 ℃左右)、饱和含水量较大时，通常在吸附床层空气进口均设置活性氧化铝，利用它对空气进行初步干燥，更经济，节能。所以现在大中型空分中选择双层床吸附器较为普遍。

2 新型分子筛和普通分子筛对比

结构上普通13X-APG分子筛和新型分子筛NW-Ⅲ均属于13X型分子筛，关键是将结构中的硅铝比降低(从1.2降到接近1)硅铝比越接近1，分子筛的低分压下吸附CO2的能力就越好。

由第159页图1可见，在低二氧化碳分压下，NW-Ⅲ比13X-APG高出约70%的吸附容量，这样的特性对新装置设计和既有装置改造均有好处。

图1 低CO2分压下不同型号分子筛的吸附容量

1) 升级到新型分子筛NW-Ⅲ可使既有空分装置达到以下几种情况。

①大气中CO2浓度不变的情况下，可以处理更多的空气量。

②大气中CO2浓度不变的情况下，可以处理进气温度更高的空气。

③大气中CO2浓度不变的情况下，吸附时间可以延长，这样减少分子筛的再生频次，降低分子筛的老化速率，延长分子筛的使用寿命，可以节省再生能耗，尤其是以电加热器为主加热源的。切换频次的降低也会对阀门的使用寿命延长。

④大气中CO2浓度明显上升的情况下，可以提供更多的吸附余量，保证在一定的吸附时间下出口空气质量达到空分要求。

2) 新空分装置在设计时采用高效分子筛NW-Ⅲ，可以达到以下两种情况。

①在保证一定的吸附时间条件下，纯化器的尺寸以及加热器的功率都可以减少，从而降低制造成本。

②在保证一定的吸附时间条件下，进气温度要求可以提升，从而可以降低冷水机组的功率。

3 应用实例

灵石中煤化工有限责任有限公司空分装置分子筛吸附器为立式双层床，下部为活性氧化铝型号为3-5A，装填量为2×1.6 t，装填高度0.4 m。上部为分子筛型号为13X-APG 4×8目，装填量为2×8 t，装填高度1.5 m。活性氧化铝与分子筛使用周期为5年半。2018年3月利用大修对其更换为新型分子筛。活性氧化铝型号为NW-301 3 mm～5 mm，装填量为2×1.5，装填高度0.3 m。新型分子筛型号为NW-Ⅲ4×8目，装填量为2×8.8 t，装填高度1.85 m。

实际运行结果如下。①将分子筛切换再生周期由4 h延长为6 h。②增加加温及冷吹时间。经估算分子筛吸附器再生电耗年可以节约22万元。见表1。

表1 新旧分子筛运行数据对比表

4 结论

分子筛吸附器是影响空分装置长周期运行的关键设备之一，分子筛目前使用较多的是13X-APG型分子筛。利用其颗粒内部多孔性，以及对极性分子具有较强的亲和力，有选择地吸附水分、乙炔、二氧化碳等杂质，可以使空气得到纯化。目前分子筛吸附性能也在不断提高。近年来，有些公司已经开发出第二代、第三代分子筛，其吸附容量大幅提高。不仅有利于节省设备的投资，节省再生能源。在国家提倡节能减排的大环境下，新型分子筛在空分装置上的应用势必将越来越普遍。