空气净化技术

空气是多组分的混合气体,除氧、氮及稀有气体组分外,还含有水蒸气、二氧化碳、乙炔及其他碳氧化合物,并含有少量灰尘等固体杂质。 这些杂质随空气进入空压机与空气分离装置中会带来较大的危害。 固体杂质会磨损空压机的运转部件,堵塞冷却器,降低冷却效果及空压机的等温效率。由于空分装置是在低温下工作的(最低点达-192℃)。 所以,如果带进水分和二氧化碳,则以冰和干冰形式析出,使管道容器堵塞,冻裂,直接危害生产。 乙炔及其他碳氢化合物在空分装置中聚积导致爆炸事故的发生,所以为了保证空气分离装置的安全运行,必须对原料空气进行净化。

空气净化主要指清除空气中的机械杂质、水分、二氧化碳、乙炔。 净化主要采用过滤法、冻结法、吸附法等几种方法。 过滤法是利用过滤材料把空气中颗粒状杂质清除的方法。 冻结法是将杂质转变成固体加以清除;应用较多的是吸附法,此法是利用固体表面对气体杂质的吸附特性而使空气净化。

一、机械杂质的脱除原理

1.空气过滤原理

常用的空气过滤器分湿式和干式两类。 根据过滤器除尘原理,空气过滤器可分为干式和湿式两种。 湿式过滤器靠油膜黏附灰尘;干式过滤器属表面式过滤器,靠织物网眼阻挡尘粒。 湿式包括拉西环式和油浸式;干式包括袋式、干带式和自洁式空气过滤器等。 自洁式过滤器是目前空分设备最普遍选用的过滤器。

2.自洁式空气过滤器

目前一般大型空分,都采用的自洁式空气过滤器,自洁式过滤器由高效过滤筒、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室和出风口、框架等组成,如图7．2．1所示。

(1)自洁式空气过滤器工作过程

①吸气过程:在压缩机吸气负压作用下吸入周围的环境空气。 当空气穿过高效滤筒时,粉尘由于重力、静电和接触等被阻留在滤筒外表面,净化空气进入净气室,然后经出风管引出。

图7．2．1 自洁式空气过滤器

②过滤过程:在压缩机吸气负压作用下,自洁过程:当电脑发出指令,电磁阀启动并驱动隔膜阀,瞬间释放一股压力为0．4~0．6MPa的脉冲气流,专用喷头整流喷出,文氏管卷吸、密封、膨胀,从滤筒内部均匀地向外冲击,将积聚在滤筒外表面的粉尘吹落,自洁过程完。

③清灰过程:有3种方式,定时定位,可任意设定间隔时间和自洁时间;差压自洁,当压差超指标时,进入自动连续自洁;手动自洁,当电控箱不工作或粉尘较多时,可采用手动自洁。 反吹自洁过程是间断的,每次仅1~2组处于自洁状态,其余仍在工作,所以具有在线自洁功能。 自洁式过滤器核心部件过滤筒,采用进口RK-300高效防水滤纸,经特殊工艺生产而成。 自带前置过滤网,防止柳絮、树叶及异物吸入,延长过滤筒使用寿命。 采用电脑控制机电一体化,安装简单便捷,只需配管通电、通气即可工作。

(2)自洁式空气过滤器特点

①过滤阻力小,小型机150Pa,大型机300~800Pa。

②过滤效率比一般过滤器提高5%~10%。

③适应性广,采用进口高效防水过滤纸,在潮湿多雾地区不受太大影响。

④耗气少,反吹时压缩空气需求量仅为0．1~0．5m3/min,电容量为100~500W。

⑤占地面积小,产品为积木式结构,大型机可采用多层叠放。

⑥结构简单,设备轻,为同容量的布袋式过滤器及其他过滤器的1/2左右。

⑦防腐性能好,净气室采用优质涂层及不锈钢内衬,杜绝过滤后的二次污染。 外表面采用高级防腐船用漆,保证室外环境下长期不受腐蚀。

⑧日常维护工作量小,约两年更换过滤筒,更换过滤筒不需停机。

二、水、乙炔、二氧化碳的脱除

常温分子筛吸附法是空气主要的净化方法,可以用来清除水分、二氧化碳、乙炔及其他碳氢化合物。

1.吸附原理

某种物质的分子在一种多孔固体表面浓聚的现象称之为吸附。 被吸附的物质叫“吸附质”,而具有多孔的固体表面的吸附物质称作“吸附剂”。 依据吸附质与吸附剂之间的吸附力的不同,吸附又可分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附的吸附力为分子力也称为范德华吸附;而化学吸附则是由化学键的作用而引起的。 净化空气所采用的吸附法纯属物理吸附。当吸附达到饱和时,使吸附质从吸附剂表面脱离从而恢复吸附剂的使用能力的过程谓之再生(或解吸)。

2.吸附剂的再生

再生就是吸附的逆过程。 由于吸附剂吸饱被吸组分以后,就失去了吸附能力。 必须采取一定的措施,将被吸组分从吸附剂表面赶走,恢复吸附剂的吸附能力,这就是“再生”。

再生的方法有两种:一种是利用吸附剂高温时吸附容量降低的原理,把加温气体通入吸附剂层,使吸附剂温度升高,被吸组分解吸,然后被加温气体带出吸附器。 再生温度越高,解吸越彻底。 这种再生方法叫加温再生或热交变再生,是最常用的方法。 再生气体用干燥氮气较好或用空气。

另一种再生方法叫降压再生或压力交变再生。 再生时,降低吸附器内的压力,甚至抽成真空,使被吸附分子的分压力降低,分子浓度减小,则吸附在吸附剂表面的分子数目也相应减少,达到再生的目的。

3.吸附剂

作为吸附剂应该是多孔固体颗粒。 它具有巨大的表面积。 此外,吸附剂应该有一定的机械强度和化学稳定性,容易解吸(或再生),价格低廉。13X分子筛是目前空分设备中选用的一种吸附剂,如图7．2．2所示。

图7．2．2 分子筛吸附剂

分子筛吸附剂的吸附特点为:

(1)选择吸附

根据分子大小不同的选择吸附:各种类型分子筛只能吸附小于其孔径的分子。 根据分子极性不同的选择吸附:对于大小相类似的分子,极性越大则越易被分子筛吸附。 根据分子不饱和性不同的选择吸附:分子筛吸附不饱和物质的量比饱和物质为大,不饱和性越大吸附得越多。 根据分子沸点不同的选择吸附:沸点越低越不易被吸附。

(2)干燥度很高

分子筛比其他吸附剂(硅胶、铝胶)可获得露点更低的干燥空气,通常可干燥到-70℃以下。 因此,分子筛也是极良好的干燥剂。 即便气体中的水蒸气含量较低,分子筛也具有较强的吸附力。 分子筛对高温、高速气体,也具有良好的干燥能力。

(3)有其他吸附能力

分子筛在吸附水的同时,还能吸附乙炔、二氧化碳等其他气体。 水分首先被吸附。 吸附顺序是H2O>C2H2>CO2,对于碳氢化合物的吸附顺序为C+4>C3H6>C2H2(C2H4·C2O·C3H8)>C2H6>CH4。

(4)分子筛具有高的稳定性

在温度高达700℃时,仍具有不熔性的热稳定性。 除了酸与强碱外,对有机溶剂具有强的抵抗力,遇水不会潮解。

(5)有简单的加热可使其再生

一般再生温度为200~320℃,再生温度越高再生越完善,吸附器工作性能越好,但分子筛寿命会缩短。 随再生次数的增加,吸附容量要降低。

分子筛在分离与净化气体方面有很大的应用价值,不但能高效地进行净化和分离,同时也能将吸附物质回收,得到高纯度的气体。

4.影响吸附的因素

(1)温度

吸附是放热过程,温度升高吸附质的分子热运动加强,从吸附表面脱离返回气体中分子数增加,静吸附容量随温度的升高而降低,所以动吸附剂的吸附容量随温度的升高而下降。

(2)压力

压力高其吸附质的分压力也高即浓度提高,单位时间内碰撞吸附剂表面的分子数增加,因而被吸附的几率增加。 所以压力升高静、动吸附容量都增加。

(3)空气的流速

流体的流速高,吸附质在吸附床层内停留过短,吸附效果差,传质区增长,动吸附容量减小。 但流速过低,净化设备单位时间内处理的气量少。

(4)吸附剂的再生完善程度

吸附剂的解吸(或再生)越彻底,吸附过程中的吸附容量越大。

(5)解吸是吸附的反过程

所谓解吸,即采用一定的方法将积聚在吸附剂表面的吸附质分子赶走,恢复吸附剂的吸附能力。 当再生温度高,压力低以及解吸气体中吸附质的含量越小,吸附剂的再生越完善。

(6)吸附剂床层高度

5.分子筛净化系统运行与维护

(1)分子筛纯化系统流程

分子筛纯化系统电加热器再生流程如图7．2．3所示。

图7．2．3 分子筛纯化系统流程

被压缩的空气经预冷系统冷却到一定温度后,自下而上通过分子筛吸附器(以下简称吸附器)时,空气中所含有的H2O、CO、C2H2等杂质相继被吸附清除,净化后的空气进入冷箱中的主换热器。 两只吸附器交替使用,一只工作时,另一只再生。

吸附器的再生一般分4步进行:第1步降压;第2步加热(用加热的干燥气体吹扫吸附剂);第3步吹冷(用未经加热的干燥气体吹扫吸附剂);第4步升压。

(2)分子筛净化系统操作注意事项

①对分子筛吸附器的安装要求:要认真检查上、下筛网有无破损,固定是否牢固;分子筛是否充填满,并且扒平;认真封好内、外筒人孔,防止相互窜气。

②分子筛吸附器在运行时,要定期监视分子筛温度曲线和出口二氧化碳的含量以判断吸附器的工作是否正常。

③要密切监视吸附器的切换程序,切换压差是否正常。 如遇故障,要及时处理。

④要密切注意冷冻机的运行是否正常。 如遇短期故障,造成空气出口温度升高时,应及时缩短吸附器的切换周期,并及时排除故障。

⑤空压机启动升压时,应缓慢进行,防止空气流速过大。 向低温系统送气,或系统增加负荷(启动膨胀机、开启节流阀)时,要缓慢进行,防止系统压力波动。

⑥空分设备停车时,应立即关闭分子筛吸附器后空气总阀,以免再启动时气流速度过大而冲击分子筛床层。