化學工程師
２０１４年第ｏ２期
正文章編號
穗師翻她
分子篩再生過程節能優化方案
薑長泓，王
靜（長春工業大學電氣與電子工程學院。吉林長春１３００１２）
摘要：針對以往空分裝置分子篩再生週期初期設定的情況，本文提出分子篩再生週期應具有針對性，
即綜合考慮分子篩吸附過程的結果、再生氣流量、溫度等因素調整分子篩再生週期。同時建立了分子篩再生過程的能量模型，通過計算確定不同分子篩再生時所需的能量，避免不必要的能源浪費。
關鍵詞：分子篩；再生；能量模型中圖分類號：ｔｑ１１６．１１
文獻標識碼：ａ
近幾年，隨著冶金工業、石油化工、煤化工等行業的迅猛發展，空分裝置技術也得到了快速發展，
１．１分子篩的吸附飽和度
分子篩的吸附程度可以用分子篩的吸附飽和
度來表示。針對氧化鋁和分子篩雙層床結構的分子篩純化器，它的切換時間取決於ａ１：０，和分子篩吸附飽和的時間。
ａ１０，的最長迴圈時間可以根據當前空氣溫度、濕度、ａｌ２ｏ，對水的吸附能力及氧化鋁的填充量計算得到。根據分子篩填充量、分子篩的吸附能力、空氣流量、床層高度等計算出分子篩達到吸
附飽和時所需的時間ｔ，選取 、中較小的作為
規模大型化、執行成本低、裝置操作穩定可靠等成為發展方向。特大型空分裝置數量越來越多。空分
裝置使用者的市場競爭也日益激烈，如何降低執行成
本就顯得尤為重要，同時，國家也積極倡導節能減
排【」。如何節能亦成為空分裝置研究的熱點問題。就空分裝置純化裝置而言，在分子篩再生過程中就存
在一定的能源浪費。目前，國內幾乎所有純化裝置
中的分子篩在再生時都按照預先設定的加熱時間
及ｎ 吹掃時間進行再生，這種既不考慮分子篩在上週期的吸附結果，又不考慮當下吹掃氮氣的流量及溫度等因素的再生過程勢必導致部分能源做了
一分子篩純化器切換週期ｔ。
對每一時間增量，分子篩吸附能力減少：ｄｔ，
則吸附飽和度【】：
ｄ＝ｄ￡
。無用功。這種不必要的能源浪費通過對分子篩吸附
程度及再生過程中各能量結構的分析是完全可以
避免的。
一分子篩吸附飽和度也是分子篩再生過程中的
１基本概念
個重要引數，它決定分子篩在再生過程中所需的
加熱時間。
分子篩距離飽和時間：
ｔ＝ｔｘ（１一ｄ）
收稿日期：２０１３一ｌｌ－０８
１．２分子篩的再生過程
分子篩的再生過程是吸附的逆過程，又被稱為
解析。解析的過程是一種物理反應過程，即採用低
作者簡介：薑長泓（１９６９一），男，教授，博士，２００６年畢業於吉林大學
機械製造及其自動化專業。
通訊作者：王
靜（１９８６一），女，碩士研究生，長春工業大學，測試計量技術及儀器在讀。
壓高溫的ｎ 對分子篩床層進行吹掃，使附著在分子
２０１４年第０２期薑長泓等：分子篩再生過程節能優化方案
篩篩孔內及表面的吸附質分子（ｃｏ 、ｈ０等）通過吸收周圍環境的熱量離開分子篩表面的同時被ｎ：帶
出分子篩吸附器的過程。且由可知再生氣量、再生
溫度和再生時間都需合理分配才能使再生達到理
想效果【３１。
２純化系統再生過程計算模型
２．１純化系統再生能量模型
在這裡只擷取再生溫度曲線加熱階段（ｂｃ）、冷吹階段（ｃｄ）的曲線為研究物件，見圖１。贈ｂ
ｔｏｏ時間
圖１分子篩吸附溫度曲線
汙ｎ：進口溫度曲線函式為 ｔ），汙ｎ 出口溫
度曲線函式為 ｔ）。分子篩在再生過程中所要經歷
的加熱時間為ｔ，冷吹時間為ｔｌ＝ｔｏ－ｔｉ。分子篩在再生
過程中需要的總熱量為ｑ，其熱量構成有四個部分：
吸附器本身顯熱（ｑ。）、分子篩顯熱（ｑ）、水和ｃｏ 的吸附熱（ｑ ）及熱損失（ｑ ，可取再生熱的２０％）。
所以再生所需總熱量：
ｑ，、ｑ：可以通過熱量計算公式得到，ｑ，根據分子篩上乙個吸附週期的ｈ２０、ｃｏ 的累積吸附量來
計算，假設只要給分子篩純化器相當的熱量，分子篩就可以完全解析。
理論上，分子篩再生過程在加熱階段，加熱器加熱功率一定、吸附飽和度不同時經過時間ｔｊ，汙ｎ：代人純化系統的熱量恰好滿足再生所需熱量，在冷吹階段經過時間ｔ，系統內剩餘熱量剛好滿足分子篩正常吸附工作時的顯熱。這一過程不僅使分子篩充分解析，而且加熱、冷吹時間的控制使系統避免了不必要的能源浪費。
下面我們根據分子篩動態吸
附過程中的一些引數計算分子篩再生的參考加熱
及冷吹時間。
２．２再生過程參考加熱時間
水在上一週期的累積吸附量【１：
∑ｍ．２ｏｄ∑ｄｂ
其中＝— ，為空氣中水含量百分比；ｒ ：進
純化器空氣流量，ｍｈ一。
：入口空氣表壓，ｂａｒ；ｐ，
為水蒸汽分壓，ｂａｒ；ｐ．，
ｏ：水的密度
ｃｏ：在上一週期的累積吸附量：
０２∑ｍｃｏｄ∑ｇ
式中 ｇｃ以為人口空氣中ｃｏ 含量；ｐｃｏ．
為ｃ０ 的密
度設解析ｌｋｇ ｈ ｏ及ｌｋｇ ｃｏ 所需熱量分別為ｑ２，ｑｌ，則
再生所需總熱量【５１１．
＝式中ｍ ：分子篩填充質量，口；ｃ：分子篩比熱容；
：吸附器本身質量，口；ｃ吸附器比熱容。
由再生溫度曲線計算的加熱過程汙ｎ 帶人系
統熱量：
ｑ＋＝式中
ｒ ：再ｎ２流量比熱容，０．
３ｌｋｃａｌ。
令ｑ＝ｑ，即當上一週期累計的ｈ：０、ｃｏ 解析所需總熱量等於再生溫度曲線加熱階段所能提供的
熱量時，停止加熱，得到分子篩再生的加熱時間ｆ。
２．３再生過程參考冷吹時間
若系統經冷吹時間ｔ後，系統剩餘熱量正好滿足分子篩下次正常工作的溫度要求，則冷吹效果最佳。由系統內的熱量構成可知，冷卻時需要帶出係
統的熱量為：
ｑ＝ｑｔ＋ｑｚ
ｌｍ ｎ 在ｔ（ｔ∈（ｔ））時刻隨溫度變化所吸收的熱量：
在冷吹時間ｔ內再生汙ｎ 帶出系統的熱量為：『ｏｐ
ｒｔ令ｑ。＝ｐ ，即吸附器及分子篩本身剩餘的熱量等於冷吹氮氣帶出系統的熱量時，冷吹完畢，進而求
薑長泓等：分子篩再生過程節能優化方案２０１４年第０２期
得分子篩再生的冷吹時間ｔ。平滑，即加熱ｎ：所供給系統的熱量與解析時ｈｏ、
ｃｏ 所吸收的熱量逐漸達到一種平衡狀態。利用純
２．４純化過程溫度曲線
以某廠２００００ｍ ｈ 空分裝置為例，再生汙ｎ流量為通過擬合可得到分子篩進口溫度曲線為：
一（化系統再生過程的計算模型分別得到了分子篩的加熱時間與分子篩的冷吹時間，再生週期結束後，
純化器內溫度在２０～３０℃之間。
一３結論
）））２
（ｅｘｐ（一（一一（
一（通過以上研究可知，分子篩純化系統的節能可
從分子篩再生時的過解析或解析不徹底人手。針對
這兩方面問題，本文提出的利用吸附飽和度計算吸
１１８５×ｅｘｐ（一（．一（
一一（ｘ＋
６，ｚ．
附時間以及分子篩再生時再生系統的能量平衡關
系，在理論上分子篩應該可以完全解析，且再生ｎ所提供的熱量與吸附質解析所需熱量恰好相等，此
分子篩出口溫度曲線：
一一１５－３１
一時，分子篩既解析完全，又不存在多餘的能量浪費。另外根據累計吸附的ｈ０、ｃｏ 量提供恰好的解析熱量，並最終冷吹結束時，系統內剩餘熱量正好滿
足分子篩下一週期正常工作時的溫度要求大概在２０℃左右。同時，通過純化器內時間一溫度曲線可
（ｅｘｐ（一（ｅｘｐ（＿（ｘ－
一（１２３．２
））一１８．５７ ｘ
３５－３１一（．
．．））＋８８．４３×
以直觀的看到在加熱、冷吹過程中純化器內的溫度
３×ｅｘｐ（一（））
ｌｕ６。
變化，方便隨時調整純化器進口ｎ 溫度以提高分子
篩再生效率。如果實際生產過程中，排除空氣壓力、
溫度、空氣流速等因素的干擾，實現上述再生時的能量控制，在能量充分利用的同時避免了不必要的浪費。
參深冷技術，２０１２．
通過以上熱量計算模型計算得到，此時得到再
生過程吸附床層內部溫度分布見圖２。
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（上接第５４頁）
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