分子筛性能指标及评价体系建立研究

胡苏阳，花亦怀，曾伟平，李秋英(中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028)

0 引言

在分子筛性能筛选评价体系的研究中，由于影响因素众多、且彼此有一定关联，导致指标量在一定程度上有所重迭，研究样本的分布规律也比较复杂。而层次分析法(AHP)可以将复杂的关联情况简化，先通过综合评价因子替代原来的指标量，再按照不同权重将评价目标进行综合评价。这种简化结构的处理对于研究分子筛的工程化应用具有重要意义。

1 评价指标的选取

针对分子筛吸附性能及脱附再生性能，大部分研究采用的主要性能研究指标如下。

1.1 吸附容量

是评价吸附剂优良与否的基础指标。大部分研究是以特定条件下(温度、压力)的吸附容量作为筛选吸附剂及吸附剂合成品质优良的评价标准。

1.2 吸附速率

在实际工程中有较大意义。吸附速率越高则可越快达到平衡，用于吸附的设备体量就越小，单位时间的原料气处理量就越大。

1.3 吸附选择性(分离系数)

在实际工程中有较大意义。用来判断某一吸附剂对原料气中不同组分优先吸附的能力。

1.4 化学稳定性(热稳、水稳)

热稳定性：通过观测高温下的吸附剂结构进行热稳定性评价。

水稳定性：大部分研究表明分子筛的吸附量会受相对湿度和吸附循环次数的影响。对原料气中水分含量较大的研究意义较大。

1.5 抗压强度(堆积密度研究)

对实际工程中的大型吸附容器具有较大研究价值，吸附剂抗压强度越高就说明其机械稳定性越好，更适用于气体处理设备中的大型容器。

1.6 吸附剂磨损率

受磨损的吸附剂其结构会产生变化，从而影响吸附性能。磨损率在移动床及流化床吸附工艺中研究较多，以一段吸附时间过后吸附剂的损失质量与原质量比值进行判断。

1.7 吸附剂使用寿命(循环使用性)

目前大部分分子筛吸附剂寿命为4～5年，部分研究针对吸附剂的寿命进行研究，以期开发出寿命更长、能耗更低、成本更低的满足工程实际需求的新型吸附剂[1]。

1.8 再生时间

再生时间可与吸附速率协同研究，吸附速率快再生时间短就可有效减小吸附容器体积，减少吸附剂用量。

1.9 再生度(解吸量)

品质优良的吸附剂必须满足吸附量大、易再生且再生程度完全的要求。

根据实际条件进行分子筛工业应用性能指标的选取，应满足能够直接反映出分子筛吸附剂的吸附、脱附性能以及工业应用所需满足的性质条件。吸附性能选取的指标有吸附量和分离系数；再生性能选取的指标有再生度和再生时间；应用性能选取的指标为磨损率和价格。

2 评价体系建立及权重确定

AHP法建立的评价体系灵活简便，可兼顾定性定量两种分析方法处理各种评价指标，迅速地在我国诸如工程计划、性能评价、能源系统分析、经济管理、科研评价等领域得到广泛的应用。

利用层次分析法对分子筛性能进行分析评价并确定多指标评价的权重，要先进行评价指标层次的划分。对分子筛性能筛选过程的评价指标层次划分如图1所示。

图1 分子筛性能评价层次划分图

如图1所示，将分子筛性能评价层次分为目标层、准则层和方案层三种。其中目标层G为最高层，内容为期望达到的目标，这个目标要求是唯一的，即筛选出综合性能最优的分子筛吸附剂。

准则层中采用的准则元素即为评判分子筛性能的各个评价指标，上层准则层A中包括吸附性能、再生性能和经济成本；下层准则层B中包括吸附量、分离系数(吸附选择性)两个评价吸附性能的指标因素，再生时间和再生度(解吸量)两个评价再生性能的指标因素，以及价格这一经济性的指标因素。准则层B中的所有元素分别划归为准则层A元素的下属，可由前期调研以及进行后期实验的探究得到。

为达到从各种分子筛中选出性能最优分子筛的目的，层次划分的基层为方案层，包括可供选择的所有不同种类、型号的分子筛。

本次建立的评价指标体系中，在比较吸附性能、再生性能及经济成本的重要程度时，考虑到吸附性能会直接影响分子筛吸附CO2的吸附效果，而再生性能关乎工艺中分子筛稳定循环利用的效果，因此将两者放在近似相等的重要程度上。经济成本也是分子筛筛选中重要的考量标准，目前市场上的分子筛出厂条件均有所差异，且当分子筛的经济成本被摊销到实际工艺的使用周期中，在总的成本中所占的比重并不起决定作用，且相对于传统胺法脱酸工艺相比，其工艺成本也已经大大降低，因此更重要的是考虑吸附性能和再生性能这两个直接影响工艺效果的因素，经济成本与性能相比重要程度稍低。

对于第三评价层次，吸附性能中有吸附量和分离系数两个元素，由于所评价的分子筛选择的是不同种类及型号的产品，其本身的吸附量和分离系数均有很大的不同，对分子筛的吸附效果产生直接影响，因此认为两者具有同等重要程度，而吸附选择性直接关系到分子筛能否适用于天然气脱碳，因此认为分离系数比前者的重要程度稍高。再生性能中有再生度和再生时间两个元素，分子筛再生后的最终效果关系整体循环工艺的下一次的吸附脱碳效果，要比再生的时间重要，因此认为再生度比再生时间的重要程度稍高。经济成本对应的元素只有价格，其重要程度完全传递给了这一个元素。

3 构建评价模型

综合评价需要通过一定的数学方法将多个评价指标值量化，这样被评价对象才能有较为全面的评价，常用的数学评价模型有：线性加权法、非线性加权法、增益型线性加权法，以及理想点法。

其中，增益型线性加权法是首先针对无量纲化的评价指标构造增益函数，再在此基础上构建具有增益作用的线性加权评价函数。该方法能够利用各段的增益体现指标的梯级价值，评价值与指标值不呈线性关系，可以避免线性加权容易产生的指标偏废的问题，与吸附剂筛选中的部分指标评价的特点一致。

4 结语

通过AHP法建立了分子筛性能筛选所用的评价方法。首先选择了有关分子筛性能的原始评价指标；其次通过层次分析法划分了分子筛性能评价的层次；最后构建适用于分子筛性能筛选的评价模型，为最优分子筛的性能筛选奠定了理论方面的基础。