PSA空分装置分子筛应用中常见几个问题的分析樊绍立
作者：樊绍立
概论：
分子筛，通俗说就是筛选分子的筛子。它是将分子性质相近的混合气体各组分进行筛选分离的中间物质。要使用好分子筛并让它为我们更好服务，就必须要明白它的构造、成分、工作原理及筛选过程。
分子筛的微观结构就像一个绣球，它的内外由框架连接，孔连孔、洞连洞。如果把它孔洞的内外表面积加起来是很大的，并且当球体直径一定时这个表面积越大，说明它吸附性能越好。孔洞是在分子筛基料中加入微量元素(当然还要有适当的粘合剂)充分粉碎混合烧结，在一定的温度下形成均一、固定的晶格而形成的。比表面积及均一晶格决定了分子筛的吸附能力；原料及微量元素决定了它的吸附种类；分子筛的生产环境及生产工艺决定了它的使用性能。
被分离物质能否被分子筛吸附，主要取决于被分离物质分子的直径、极性、价键饱和性……。对于基本条件相近的的几种分子的分离，除使用性能好的专用分子筛外，还要给分子筛创造一个好的、合理的、准确的工作条件（设计、制造、安装、程序、工艺……），只有这样，才能让分子筛发挥出它的作用。近年来，不少商家看好变压吸附（PSA）行业，认为这项技术不复杂，设备简单，因此盲目上马，结果是生产的变压吸附设备达不到设计水平，问题百出，给用户带来无尽的烦恼和经济负担。笔者就分子筛应用中常见的几个问题，做一分析，错误之处，请各位斧正。
问题一：分子筛变压吸附设备产品纯度（浓度）每况愈下。这个问题我想从以下几个方面论述。首先，我们必须明白：分子筛循环工作（吸附和再生）是有残留率的。这就像一件雪白的衬衣，穿脏了经正常洗涤后是无论如何也不能达到原始的白度（除非采取漂白等特殊处理）。分子筛在使用一段时间后，也会出现这种现象，质量不好的分子筛其残留率甚至可达30%！这就要求我们的设计人员要充分考虑到这一点，在设计时要留有余地。当然，在使用的过程中如果不能让分子筛得到充分彻底解吸也能使分子筛残留率增大，污染也能使分子筛残留率增大。使用不当增大了分子筛的残留率就不是分子筛的质量问题了。分子筛没有解吸彻底引起的残留，当解吸得到改善时，是可以恢复的；而分子筛被污染中毒引起的残留率是不能得到恢复的。需要说明的是：PSA装置中使用的分子筛依其着床的优劣在使用和解吸一段时间后（一般经过使用地气候变化周期），其残留率就应维持在一个百分值上下不再大幅变化。如果装置的产品纯度波动一直趋下降趋势，其原因就要从以下两个方面来判断了：一个是装置的气源处理有问题，分子筛在有毒气氛中被逐步污染；二是管道或程控阀内、外漏气，需及时修复。先简单说第二个问题：PSA装置是依靠快速程控阀来实现程序转换的，程控阀的质量优劣直接关系整个系统的工作状态，如何选择好的程控阀并准确配套是PSA成功与否的关键之一。笔者在东北安装一套小型PSA装置，运行八年纯度下降至60%多，经认真检查分析，判断是阀门管道年久失修出现内漏引起的，同时空压机运行多年效率已下降，供气不足。检修管道阀门更换新的空压机，装置产出产品纯度仍能达到最初设计水平。再来说第一个问题：分子筛是强吸附剂，它具有选择吸附吸附质的能力，但它对水分及油份也是亲和的。其中少量的水汽被分子筛吸附后还能在解析时排掉，因此被用于无热再生干燥器（并不是说空气中的水分不用处理了）；而油份对分子筛是绝对有害的，它可使分子筛中毒并不可能通过活化得到恢复。中毒的分子筛就不具有吸附能力，那么我们如何来处理空气中的油份呢？有人说：我们有能力把空气中的油份处理干净；我们只要把空气中油份处理到3ppm以下（还有说1ppm以下）就可以满足分子筛工作需要……。其实这些说法都没有根据，油份不可能处理为零，3ppm、1ppm的说法更不可靠，缺乏科学依据，一般小型变压吸附设备生产厂家也不具备专业检测手段。其实，极微量的油份对分子筛都是有害的，我们把空气中的油份处理为零是相当困难的。笔者在PSA实践中是这样处理的：对PSA用空气的净化处理是必要的、严格的，一定要在保证最小的压力损失的前提下尽可能配置完善。技术控制的原则和手段是：吸附塔的直径要和使用的空气量合理配合（空塔速度），根据自己处理空气的能力和水平，按分子筛被污染的速度加合适的安全系数。假设，按平均值，每天分子筛床被污染的厚度0.1mm，那么每年达36.5mm，十年达365mm，即0.365m。在设计时，把安全系数加在饱和区（不能任意加大塔的径高比及增加吸附单元，有关这个问题另文叙述），这样分子筛的使用寿命就在我们的掌控之中了。凭空说保证分子筛使用十年甚至十五年是没有科学依据和科学手段的。分子筛质量再好，不能科学使用，它的优势是不能得到发挥的。
问题二：分子筛的粉化。PSA变压吸附的工艺原理决定了分子筛的粉化是必然的，它是由于PSA升压吸附及解析再生过程引起的分子筛与分子筛之间、分子筛与吸附塔壁之间的摩擦产生的；还有进排气时气流对分子筛的冲击也是分子筛粉化的原因。相比之下，真空变压吸附设备(VSA)分子筛粉化就小的多。我们今天主要讨论的是PSA，也就是加压吸附、减压再生工艺（我们今天用到的"压力"是指相对压力，也就是所谓的表压）。明白了分子筛粉化的原因，我们在设计和安装过程中就要采取措施，尽量减小以上问题的产生：比如要控制分子筛不能在塔内窜动相互摩擦碰撞；要把吸附塔壁搞光滑，减小摩擦；分子筛装实压紧（接近分子筛生产厂家给出的堆积密度）……，总之，要使分子筛在塔内受控，即使震动摩擦不可避免，也要尽可能减小，特别是要避免分子筛之间的碰撞摩擦。有的厂家的PSA装置出现了粉化，怀疑是分子筛质量问题，将粉化原因归罪于分子筛的抗压强度不够，是没有道理的，其原因还是出在PSA设备上。分子筛的抗压强度，是在实验室里硬对硬测定的，其抗压能力都在20牛顿以上，而我们的分子筛床中分子筛是堆装的，气流的冲击力及分子筛自身的重力和人为控制分子筛床压力的总和也不至于把分子筛压碎！至于粉化的程度多大才是合格的，这很难说。我个人认为：分子筛的粉化过程应是缓慢的，不易察觉的。直观判断：在产品气出口不见白色（或黑色，炭分子筛）粉末。技术上应保证受控分子筛十年内不失控，当然还要保证气源的纯洁，不能让气源中对分子筛有害物质促使它粉化。
问题三：分子筛的吸附压力多大？根据分子筛的等温吸附曲线（试验曲线），分子筛在0Mpa（表压）压力下就可以出现吸附作用（静吸附），在0.3-0.55Mpa间吸附能力最大，0.7-0.75Mpa以上曲线平坦或趋于下降。这样，我们就可把吸附压力定在0.3-0.7Mpa之间；对于真空变压吸附，吸附压力考虑在0.02Mpa-0.04Mpa之间（风压）。碳分子筛的吸附压力比氧分子筛要稍高一点，PSA可在0.5-0.8Mpa间。吸附压力不是越高越好，吸附压力太高不但不能增加产品产量，可能还会使产量下降并会对分子筛产生相当大的冲击力而降低分子筛的使用寿命。
问题四：分子筛的使用寿命有多久？分子筛的理论使用寿命无限长，甚至它完全粉化为粉末也照样具有吸附作用。要让分子筛达到长寿，就要给它创造满足它使用的环境条件和工作条件，这实际上是很难得，不可能完全满足。事实上，分子筛的使用离不开外围配套的各种设备，我们只要考虑让分子筛的使用寿命能大于其配套设备寿命就行了。如空分设备配套的空气压缩机，不管是活塞的、螺杆的、滑片的，都有其机械寿命。目前多数厂家使用有油螺杆式空气压缩机，它的螺杆寿命大约八至十年，届时机械磨损已经判定了它的死亡。作为PSA的配套设备已经寿终正寝，科学技术的发展，还要让分子筛缝缝补补又三年的继续工作吗？优良的设计要考虑吸附床内气体的均匀分布和水平直线上升，保证不让分子筛床层穿透；不让分子筛长期工作在低纯度区（50%以下），要让吸附塔解吸彻底，要减少分子筛的疲劳程度；吸附质和吸附剂的相对速度（物料）要合适；气源处理要达标；床层要装合理，要防止床层串动分子筛磨损粉化------。准确的设计，合理的配套，精细的安装，保证原料气的质量等是分子筛长寿的关键。有的厂家，让用户两年、半年甚至三个月换一次分子筛是不负责任的。当然，选择优良的分子筛也很关键。我认为：处理的好，让分子筛寿命大于其配套设备寿命是没有问题的。
作者：樊绍立大学文化高级工程师从事空分及PSA研究、设计、制造近三十年，主持设计、制造、安装大中小型PSA装置，具有丰富的专业理论水平和实际安装经验。现任上海久圣医疗设备有限公司总工程师。
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