分子篩吸附劑中毒后空分裝置的安全生產(chǎn)分析

陳志沖，丁立中，宋 強

（中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003）

生產(chǎn)工藝

分子篩吸附劑中毒后空分裝置的安全生產(chǎn)分析

陳志沖，丁立中，宋 強

（中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003）

針對空分裝置運行過程中出現(xiàn)分子篩吸附劑中毒的情況，闡述了一些必要的處理措施，以期能對分子篩的工作情況進行客觀的判斷分析，最終達到無被迫事故停車，延長吸附劑使用周期的目的。

分子篩；水分；二氧化碳；中毒

大型空分裝置正常生產(chǎn)中，氣體的凈化是空分系統(tǒng)中不可缺少的一部分。分子篩純化系統(tǒng)是凈化空氣的關(guān)鍵設(shè)備，其工作狀態(tài)直接影響空分裝置的安全穩(wěn)定運行。目前，空分裝置使用的分子篩吸附器一般為立式和臥式2種，由3層格柵組成，內(nèi)格柵和中間層格柵之間裝分子篩，中間層格柵與外層格柵之間裝氧化鋁。當分子篩吸附劑中毒后，吸附效果下降，進而造成進入空分塔水蒸汽或二氧化碳含量超標，發(fā)生“堵塞”事故，空分裝置將被迫停車。因此，對分子篩吸附劑中毒后空分裝置的安全生產(chǎn)進行分析是必要的。

1 分子篩的吸附原理

目前，國內(nèi)空分設(shè)備采用分子篩清除空氣中的水分、乙炔、二氧化碳以及一些碳氫化合物，分子篩吸附劑使這一流程得以實現(xiàn)，保證空分設(shè)備的正常運行。

進入分子篩純化器的含水量飽和的空氣，先與底層的活性氧化鋁接觸。活性氧化鋁將空氣中所含的大部分水分清除掉，而上部的13X分子篩清除二氧化碳、乙炔及其他碳氫化合物。純化器正常工作是用活性氧化鋁、13X分子篩等吸附劑在常溫下將空氣中所含的水分、二氧化碳這些吸附質(zhì)吸附在其表面上。再生是利用吸附劑高溫下吸附容量減小的特性，通過加熱的手段將被吸附的吸附質(zhì)解吸出來，從而達到反復(fù)長期吸附凈化空氣。

2 分子篩純化系統(tǒng)工作流程

空分裝置分子篩純化系統(tǒng)再生采用電加熱器，并聯(lián)蒸汽加熱器進行再生。吸附器再生一般分4步進行：(1)泄壓。吸附器在工作周期即將結(jié)束時，將純化器內(nèi)的壓力降下來，將容器內(nèi)的帶壓空氣排出；(2)加熱。高溫污氮氣經(jīng)電加熱器或者蒸汽加熱器加熱，再由上而下通過吸附器；(3)冷吹。冷吹用的污氮氣不經(jīng)過電加熱而旁通進入吸附器；(4)均壓、倒換，使正在工作的一只吸附器中的空氣充入即將再生完畢的一只吸附器中，當兩吸附器壓差連鎖趨于零時，再生吸附器的壓力與工作吸附器的壓力已經(jīng)均衡，升壓結(jié)束。

3 發(fā)生分子篩吸附劑中毒的原因分析

分子篩吸附劑中毒原因可以從2個方面進行分析：(1)吸附器前端進水。在分子篩純化器前，為了降低加工空氣進入純化器的溫度，設(shè)有預(yù)冷系統(tǒng)，當冷凍機發(fā)生故障時，空氣進入分子篩吸附劑的溫度升高，空氣中飽和含水量也隨之升高。在空氣冷卻塔中，空氣是自下而入，從塔頂引出，進入分子篩純化器，水從塔頂噴淋與空氣接觸、混合而使空氣冷卻，當空冷塔中空氣流速過快，挾帶水分過多或者噴淋水量過多，水位自動調(diào)解失靈時，也會造成分子篩純化器進水事故發(fā)生，進而發(fā)生分子篩吸附劑中毒事件。(2)吸附器后端進水。當分子篩吸附器采用蒸汽加熱再生，發(fā)生蒸汽加熱器泄漏時，再生氣體含水量高，分子篩吸附水分負荷過大，進而造成分子篩吸附劑中毒。當子篩吸附劑長期使用，造成吸附性能下降，也會產(chǎn)生類似分子篩吸附劑中毒現(xiàn)象，進而使進入空分塔空氣中的水分和二氧化碳含量升高，再被帶入主換熱器和精餾塔，使主換熱器、液化器堵塞，精餾塔阻力上升。嚴重時必須停止運轉(zhuǎn)，重新全加溫。以上分析原因都是生產(chǎn)運行過程中必須重視、杜絕發(fā)生的。

4 分子篩吸附劑中毒處理措施

分子篩吸附劑中毒，分子篩再生不完全，大大降低分子篩吸附劑的吸附能力，影響對水分、二氧化碳的吸附，進入主換熱器的空氣中的水分、二氧化碳含量超標，進而主換熱器產(chǎn)生凍結(jié)，使阻力增大。對此，操作人員在發(fā)生分子篩吸附劑中毒后，應(yīng)立即處理空冷塔工況，同時對空分設(shè)備進行減量生產(chǎn)，以減少分子篩負荷量，并對分子篩進行特殊處理的操作。

4.1 增加系統(tǒng)產(chǎn)冷量，保證空分塔的安全運行

分子篩吸附下降，進入空分塔空氣中二氧化碳含量超標，導(dǎo)致主冷液體中總碳氫含量累積升高，對空分塔穩(wěn)定運行造成風(fēng)險，因此，監(jiān)控出分子篩后的二氧化碳含量和主冷液位中的碳氫含量尤為重要。增加系統(tǒng)產(chǎn)冷量，排放主冷液位，保證主冷碳氫含量在可控范圍內(nèi)。關(guān)小氧氣輸出閥，減少氧氣產(chǎn)量；緩慢增加膨脹空氣量，必要時可以增開1臺膨脹機；緩慢關(guān)小下塔純液氮回流閥，使下塔底部壓力保持不變；調(diào)節(jié)液氮進上塔調(diào)節(jié)閥，使下塔液空純度不變。

4.2 降低空氣進分子篩溫度

分子篩的工作溫度使用范圍一般在8～13℃，一旦超出這個范圍，將會增加負荷量，降低吸附效果甚至失去吸附作用。進入分子篩空氣溫度的升高，帶入分子篩純化器的飽和水分含量升高，溫差相應(yīng)擴大，同時因進主換熱器溫度及進分餾塔溫度均上升，影響分餾塔的正常工作。因吸附是放熱過程，溫度升高，吸附質(zhì)的分子熱運動加強，從吸附表面脫離返回氣體中的分子數(shù)增加，吸附劑的吸附容量隨溫度的升高而降低，對分子篩純化器的使用周期影響較大，因此要努力降低分子篩進口溫度。冷凍機作用是為噴淋冷卻塔提供低溫冷凍水，一方面使空氣降溫來降低空氣中的含水量，另一方面使分子篩處于最佳的吸附溫度。同時，還可適當減少空氣量，以減輕吸附器的負荷，縮短吸附周期，以保證在吸附容量允許的范圍內(nèi)工作，注意監(jiān)控好吸附器出口空氣中二氧化碳的含量。

4.3 優(yōu)化分子篩工作程序，調(diào)整加溫冷吹時間

加熱再生過程可通過再生溫度曲線來判斷。泄壓階段，由于壓力下降，分子篩的吸附容量減小，原來被吸附的水分和二氧化碳分子有部分解吸出來，溫度下降。加熱階段，污氮氣進口溫度迅速升高，但是出口溫度開始還會繼續(xù)下降，然后才逐漸升高，此時的熱量首先消耗在解吸所需的熱量上，將床層中上部分的分子篩解吸，并將熱量貯存在床層中。這一階段對再生效果的影響因素是污氮氣流量、加熱時間和再生溫度。主要是監(jiān)控污氮氣進口溫度。冷吹階段，污氮出口溫度會繼續(xù)升高。該階段之初是利用貯存在分子篩床層內(nèi)的熱量對下部的分子篩繼續(xù)進行解吸，直至冷吹曲線的最高點——“冷吹峰值”。 影響冷吹峰值的因素主要是加熱階段進純化器的再生污氮氣的溫度高低、流量大小等。在冷吹階段主要是出口的峰值溫度，該溫度是整個床層再生是否徹底的標志，如果該處的溫度能達到要求，內(nèi)部的溫度肯定要超過此溫度，表示內(nèi)部均已再生完畢。因此，要保證對分子篩進行加熱所需的蒸汽壓力、流量等要滿足工藝設(shè)計要求。

4.4 如何判斷采取的措施是否取得成效

利用分子篩純化器各階段溫度曲線解決實際問題，分析分子篩純化器各階段溫度曲線，可以幫助我們判斷純化器的工作狀態(tài)及事故原因。

首先，可以根據(jù)分子篩吸附器吸附溫度曲線來判斷，一般情況下，分子篩吸附器吸附溫度曲線基本上是一條水平的直線，空氣出吸附器溫度由于吸附放熱的影響，溫度略高于進口溫度，大部分時間也近似一條直線。其次，還可以根據(jù)再生溫度曲線的變化，判斷分子篩吸附器加熱再生是否徹底；根據(jù)吸附器溫度曲線冷吹峰值的狀況，縮短工作吸附周期，在經(jīng)過多次再生后，隨著峰值溫度的逐漸提高，逐步延長再生各階段的時間，當該峰值溫度達到要求時，分子篩吸附器再生徹底。最后，可以根據(jù)分子篩吸附器后二氧化碳在線儀表監(jiān)測空氣中二氧化碳含量是否在可控范圍之內(nèi)，來判定分子篩吸附器是否恢復(fù)正常運行。

5 結(jié)論

分子篩純化系統(tǒng)是空氣凈化的關(guān)鍵設(shè)備，分子篩吸附劑中毒造成進塔空氣中二氧化碳含量超標是非常嚴重的事故。因此，在日常的生產(chǎn)操作中，保證精心操作，調(diào)控好凈化空氣量、調(diào)控好分子篩工作溫度以及分子篩再生的周期，確保分子篩活化充分，對凈化后空氣做好二氧化碳含量監(jiān)控，避免二氧化碳含量超標，從而實現(xiàn)空分裝置安全生產(chǎn)。

Safety Production Analysis of Air Separation Plant after Molecular Sieve Adsorbents Poisonining

CHEN Zhi-cong, DING Li-zhong, SONG Qiang
(Liaoyang Petrochemical Company, CNPC, Liaoyang 111003, China)

TQ 424.25

B

1671-9905(2014)03-0053-02

陳志沖（1973-），男，大學(xué)本科，現(xiàn)任遼陽石化分公司動力廠空分二車間安全總監(jiān)。電話：15134096661，E-mail: chenzc1@petrochina.com.cn

2014-01-02