高压乙炔干燥器的工作原理

再谈分子筛高压乙炔干燥器的工作原理及使用中应注意的一些问题丹阳市亚洲工业气体设备厂石兴发朱贤富一、前言分子筛高压乙炔干燥器，是上世纪八十年代末从瑞典ＡＧＡ公司引进的溶解乙炔成套设备中的主要装置之一。引进后，由于该装置具有其他高压乙炔干燥器所不具备的特点，如无乙炔损耗、安全性能高、处理能力强、干燥效率不随工作时间变化、操作方便可靠、自动化程度高及分子筛使用寿命长等，很快得到国内溶解乙炔行业的好评。此时，生产该干燥器吸附剂３Ａ分子筛的合资企业”上海环球分子筛有限公司”也正式投产。有了符合要求的分子筛，给欲测绘仿制该装置的国内几个单位创造了条件。很快，该装置在国内溶解乙炔行业得到了推广。１０多年来，使用分子筛高压乙炔干燥器的单位也日益增多。近两年来。笔者走访了全国各地的数十家溶解乙炔厂，发现许多厂家对该设备的工作原理及必要的管理措施仍了解甚少。尽管在以前的行业会议或杂志上曾经有过介绍分子筛高压乙炔干燥器的文章，但笔者认为仍有必要再次向广大同行做些介绍，以便大家能更好地了解它、使用它。二、乙炔干燥的必要性１．溶解乙炔气瓶（以下简称乙炔瓶）对炔酮比有一定范围的要求，炔酮比最高值为０．５２。控制炔酮比是为了保证乙炔瓶的安全使用性能。４０Ｌ乙炔瓶的丙酮充装量为１４ｋｇ，乙炔最大装量为７．０ｋｇ，其炔酮比为０．５。充灌时如乙炔中带水过多。就会使乙炔瓶中丙酮的含水量上升，而丙酮的挥发性能远大于水，因而乙炔瓶在实际使用中丙酮易带出，水一般不会带出。经过多次反复充装的乙炔瓶，瓶内水分不断累积增多，在保持溶剂重量不变的情况下。会直接影响瓶内丙酮的浓度。使丙酮对乙炔的溶解度下降，充灌时炔酮比上升，最终导致乙炔瓶充气量不足或静置后瓶内压力偏高，直接影响乙炔瓶的使用和安全性能。２．乙炔瓶内充填的硅酸钙填料，对水的亲和力远大于丙酮。如瓶内有水存在，会以吸附竞争形式削弱丙酮对填料的渗透性能，占领部分填料的空隙。使填料实际可使用空隙率下降，降低了填料在乙炔充灌中应有的作用。．３．水会对乙炔瓶的内壁起一定的腐蚀作用，影响乙炔瓶的实际使用寿命。４．雷柏（Ｒｅｐｐｅ）反应机理的研究表明，水的大量存在将使雷柏反应的几率增大。从而证明与活化水的参与有关。５．由于硅酸钙填料对水的亲和力较强，而且相对而言水的沸点比较高（１００。Ｃ）．一旦乙炔瓶进水。如要将其除去，比除去乙炔瓶内多余的丙酮要困难得多。目前。几乎没有一家生产厂在做乙炔瓶内水的处理工作。一般，处理一个含水ｌ一２ｋｇ的乙炔瓶，在加温、抽真空的条件下。约需花３０个小时。因此。在乙炔实现定点充装以后。每一乙炔生产厂都将面临进水乙炔瓶的处理问题。因此。对乙炔气进行干燥处理，主要是为了保证安全，其次是为了减少乙炔瓶不必要的报ｌ７２技术论谈篇废。三、分子筛的干燥原理分子筛高压乙炔干燥器中使用的分子筛是３Ａ分子筛，也称ＫＡ分子筛，由Ａ分子筛母体４Ａ分子筛（ＮａＡ分子筛）经过与ＫＣｌ交换（交换率大于６０％）而成。Ａ分子筛的基本形式ＮａＡ如下式所示：Ｎａｌ２〔（Ａ１０４）１２·（Ｓｉ０４）１２〕。２７Ｈ２０它由正八面体平切而成。且含有２４个顶角、６个四元环及８个六元环，总体积为１６０埃３，直径为６．６埃。当Ｋ＋取代Ｎａ＋成为ＫＡ分子筛时。由于Ｋ＋半径大于Ｎａ＋半径，而两者价数相同（同为一价），其单元晶穴孔径由４．２埃变为３埃，所以ＫＡ分子筛也称３Ａ分子筛。物质分子的直径一般均在几个埃范围内，如水为２．７—３．１埃，乙炔为３．２埃，氧为３．４—３．８４埃等，当上述气体混合物通过ＩｒＡ分子筛时，仅有水及乙炔会被吸附，其他分子因为直径大于３埃而无法进入分子筛晶穴内。因此，ＫＡ分子筛以３埃为界把混合气体筛分，留下小于３埃的气体分子，大于３埃的气体分子则可以直接通过而不被吸收。这就是ＫＡ分子筛也被称为３Ａ分子筛的原因。ＫＡ分子筛由于是正八面体平切而成，故分子在晶穴内是８面被吸附的，吸附能力为一般干燥剂（如硅胶）的８倍左右。由于水分子直径比乙炔分子直径更接近ＫＡ分子筛孔径，两者被吸附的能力差８倍以上，当湿乙炔通过ＫＡ分子筛时，水分子被留在分子筛孔穴内，此时实际上不发生与乙炔的共吸附。Ａ型分子筛具有下列特点：１．温度对吸水量的影响远小于一般干燥剂（如硅胶）；２．干燥能力随干燥剂含水量的上升而减弱；３．干燥能力与湿乙炔流速影响不大；４．在相同湿度的条件下，吸水容量大于其他干燥剂（如硅胶）。由于温度对Ａ型分子筛影响不大，故它的加热再生效果不及其他干燥剂。所以，ＡＧＡ公司利用吸附剂变压吸附量变化的原理，用吸附后的部分干燥气体在变压后来吸附干燥剂的水分，达到干燥剂负载自然平衡的目的。这种变压吸附干燥后乙炔的露点温度可达一４０℃以下（小于１００ＰＰｍ），完全能满足溶解乙炔工艺的要求。三、分子筛高压乙炔干燥器的工作程序１．分子筛高压乙炔干燥器的主要性能工作介质：ｃ２Ｈ２工作压力：１．６’２．５ＭＰａ处理能力：１８０ｍ３／ｈ工作温度：３０℃进气含水量：饱和水蒸气干燥乙炔含水量：（１００ｐｐｍ运转周期：２０分钟运用方法：无热再生全自动干燥周期：ｌＯ分钟再生时间：一８分钟再生气量：约占处理气量的８％一１２％均压时间：一２分钟干燥器简体强度试验压力：３０ＭＰａ２．分子筛高压乙炔干燥器工作程序（１）湿乙炔通过进气球阀进入干燥器两只吸附筒中的一只。气体从吸附筒底部进入、顶部流出。在吸附筒中，湿乙炔中的水分被分子筛吸附，干燥的乙炔气体通过单向阀、热交换器及背压阀进入充灌排。１７３技术论谈篇（２）吸附筒中的已吸附水分的分子筛，利用部分（１０％左右）干燥乙炔进行再生。该部分气体在单向阀与热交换器之间与去充灌排的乙炔气分开；通过再生气回路，在热交换器中升温后通过单向阀从顶部进入被再生的吸附筒。再生气逆向通过分子筛使其再生，供下一周期使用。吸附水分的再生气通过球阀，经阻火器送人压缩机前的低压系统回收。（３）重复（１）、（２）工序，吸附筒、球阀更换另一组，整个周期为２０分钟。在干燥器工作期间，两只吸附筒的工作切换由程序控制器控制，在切换前吸附筒必须进行均压，避免产生对分子筛的冲击。３．再生气体的需求量可用下式求得（供调整再生气量时用）：Ｖ再＝１．１５×Ｖ×Ｐ再／Ｐ干式中Ｖ再一再生气体，ｍ３／ｈＶ一干燥气体，ｍ３／ｈＰ千一工作压力，ＭＰａ（绝对压力）Ｐ再一再生气压力，ＭＰａ（绝对压力）１．１５－－常数在实际操作过程中，一般可不做该计算，只要控制好进入干燥器气体总量的１０％左右作为再生气量，就能满足再生气量需求。４．干燥器工作时序图Ｉ５．分子筛高压乙炔干燥器示意图及阀门的工作状态①示意图１．吸附简２．换热器３．流量计４．单向阀５．针形阀６．球阀Ｉ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ｖ、Ⅵ、Ⅶ一气动球阀②气动球阀正常工作状态２０分钟周期分为二个时序。第一时序为Ａ吸附筒干燥、Ｂ吸附筒再生；第二时序为Ｂ吸附筒干燥、Ａ吸附筒再生。第一时序：，吸附筒（１Ａ）干燥工作１０分钟，吸附筒（１Ｂ）解析再生８分钟，充气均压２分钟。ａ．０—８分钟气动球阀Ｉ、Ⅳ开，气动球阀Ⅱ、Ⅲ、Ｖ、Ⅵ、Ⅶ关闭（必须保证Ｉ阀打开后，Ⅱ阀才能关闭）。ｂ．２—８分钟气动球阀Ⅶ开。Ｃ．８—１０分钟气动球阀Ｖ、Ⅵ开，气动球阀Ⅳ、Ⅶ关闭（吸附筒Ｂ开始均压）。第二时序：吸附筒（ＩＢ）干燥工作ｌＯ分钟，吸附筒（１Ａ）解析再生８分钟，充气均压２分钟。ｄ．１０—１８分钟。气动球阀Ⅱ、Ⅲ开。气动球阀Ｉ、Ｖ、Ⅵ关闭。（必须保证Ⅱ阀打开后，Ｉ阀才能关闭）ｅ．１２—１８分钟气动球阀Ⅶ开。ｆ．１８—２０分钟气动球阀Ｖ、Ⅵ开，气动球阀Ⅲ、Ⅶ关闭（吸附筒Ａ开始均压）。１７５技术论谈篇ｇ．返回第一时序到ａ。四、分子筛高压乙炔干燥器工作中常见的故障Ｉ．被再生的吸附筒内压偏高这是一个比较常见的问题。在干燥器的正常工作状态下，除非在均压过程。一般情况为在干燥工作中的吸附筒压力应大于Ｉ．６ＭＰａ；另一只处于再生状态的吸附筒应趋于常压。当该吸附筒在球阀（Ⅲ或Ⅳ）和（Ⅶ）全打开的情况下，仍产生压力偏高的现象，应视为有故障存在。一般有可能是：①单向阀漏气被再生的吸附筒上干燥乙炔出口的单向阀（４Ａ或４Ａ’）密封圈损坏，使得干燥乙炔通过此阀进入该吸附筒，造成压力偏高现象。处理方法：停机更换单向阀密封圈。②出口管道积水（湿乙炔出口管）吸附筒底部到中压阻火器的管道内有积水现象。使湿乙炔气（再生气）排出，产生阻力（液封）。处理方法：停机排出积水。应考虑在适当的位置加装放液口，并定时排放。２．干燥器工作压力超压。导致压缩机自动停机干燥器正常工作压力在１．６—２．５ＭＰａ之间，如果在充灌压力未达到要求时，干燥器的工作压力就已超过２．５ＭＰａ。这种现象往往是在短时间内产生的，瞬间导致压缩机自动停车。①背压阀控制失灵背压阀在使用过程中，由于某种原因，造成控制压力超过正常工作的最高压力（２５ＭＰａ）。检查阀门内膜片是否疲劳（造成不易调节）。压力控制是否超高等。②干燥效果不好，高压出口管道出现水合晶体干燥效果好坏，取决于操作是否正常。一般认为。干燥的乙炔是不会出现水合晶体的。如已出现水合晶体，只能采用热水或蒸汽解冻（停车后压力下降也能解冻）。但要查明影响干燥效果的原因。③程序控制出错分子筛高压乙炔干燥器的工作程序绝对不能有误。特别是球阀Ｉ、Ⅱ，在一只阀门关闭前，必须保证另一阀门处于“开启”状态。一旦出现程序控制错误，必须停车检查：ａ．控制气动元件的气源压力是否正常（空气压力必须大于０．４ＭＰａ）；ｂ．控制气动元件的气源管路是否有漏气现象；ｃ．程序控制器的控制元件是否损坏。３．干燥乙炔气量不足，钢瓶充灌时问增加①再生气量过大采用分子筛干燥器能使压缩机产量降低１０％左右。该１０％左右的气源用来作再生气源。一般在正式运转前。通过调节再生气回路上的针形阀（５）来控制再生气量。平时。不要随意变动针形阀的开启大小，因为开大了会影响产量。干燥气源都进入再生回路；开小了再生效果不好。②球阀或单向阀内漏环阀或单向阀的密封圈损坏，当该阀处于关闭状态时，就造成气体内渗漏进入再生回路。处理方法：更换密封圈。１７６技术论谈篇４．程序控制器失灵目前，分子筛高压乙炔干燥器的程序控制系统绝大部份采用气动元件，时间控制采用凸轮（包括ＡＧＡ公司产品）。造成不正常的原因可能是：①气动元件质量不好处理方法：更换气动元件。②气源压力偏低处理方法：调整气源压力，使其不低于０．４ＭＰａ。③采用的气源没有经过净化处理如气源没有经过净化处理，气源中有可能带有水分或微粒。气动元件对气源要求很高，不纯的气源会影响气动元件的使用寿命。处理方法：给气源净化，即使是从无油润滑空压机内出来的气源也要进行净化，必须除去气源中的水、油及微粒。五、关于分子筛高压乙炔干燥器应重新拾起的几个重要概念１．乙炔气中含水量大部分在压缩系统除去分了筛的干燥能力不是无限大的。而且它随着吸水量的增加干燥能力就降低。分子筛干燥器的运用周期（２０分钟）及处理能力（１８０ｍ３／ｈ），是根据干燥剂的装填量，在工作压力１．６ＭＰａ的条件下计算出来的。分子筛干燥器在使用时，必须与背压阀配套使用，就是为了保证干燥器能在１．６ＭＰａ以上的工况条件下工作。保证干燥器的工作压力大于Ｉ．６ＭＰａ，主要是为了使进人干燥器的乙炔气中含水量能控制在最低范围内。严格地说，湿乙炔的水分绝大部分是在压缩系统内被除去。乙炔压缩采用等温压缩。在温度不变的情况下，由于加压，水的分压上升，当超过此时的饱和蒸汽分压值时，超过部分的水汽将以水的方式在气态中析出。但此时。乙炔含量没有发生变化。同时，在压缩系统中有冷却及油水分离设备，经压缩的气体还要进行冷却。使与温度对应的饱和水蒸汽量减少。当常温乙炔的水分压超过某温度下（如３５℃）的饱和水蒸汽时，超过部分也以水的形式从气态中析出。因此，在压缩系统中，乙炔脱水是以加压、冷却（Ｔ＝３５℃）、分离形式完成的。湿乙炔在进入分子筛高压干燥器前。已分离出乙炔中的７０％一８０％含水量。因此，在压缩系统中必须及时排放被分离出来的液体（水、油等）。这是一个相当关键的操作过程，在实际工作中往往容易被忽视。当年ＡＧＡ公司来华指导调试开车的技术人员，要求每１５分钟必须排放一次压缩系统分离出来的液体。目