吸附劑裝填過程研究進展

葛銘霞，劉應書，楊 雄，鄭新港

（北京科技大學 機械工程學院，北京 100083）

0 引言

變壓吸附技術由于具有操作簡單、原料氣適應范圍廣和操作成本低等特點，使其在醫療保健、隧道施工、高原作業、鋼鐵冶煉、石油化工等各個領域發揮了重要作用。它的廣泛應用，使得延長吸附劑使用壽命和提高吸附器生產能力成為工業界關心的問題。作為氣體分離的核心介質，吸附劑壽命長短不僅關系到產品氣的質量和產量，還關系到企業生產成本和經濟效益，其主要影響因素包括吸附劑性能、分離工藝流程和吸附劑裝填性能。吸附劑和工藝流程一經確定，科學的裝填方法尤其重要。合理的裝填方法能避免在床層中留下過多空隙和死空間，降低吸附劑粉化速度，減輕因此引起的閥門泄漏和吸附塔部件損壞，降低后續設備出現運行事故的風險[1]。改善裝填效果還能改變吸附器內的流體力學特性，提高設備的生產能力[2]。因此，改進吸附劑裝填性能，延長其使用壽命，充分發揮其分離性能，已成為吸附分離領域重要的研究課題。本文將介紹吸附劑顆粒裝填技術的研究進展，對影響吸附劑裝填效果的因素進行分析，為吸附劑裝填技術的進一步研究開發和設計應用提供理論參考。

1 吸附劑裝填技術

目前我國大型變壓吸附設備的吸附劑裝填多采用布袋法，由工人手持帆布筒進行作業[3]。帆布筒一端連接進料斗，另一端由工人手持，通過擺動帆布筒將吸附劑顆粒均勻撒在吸附器床層上，吸附器內的工人需要穿平底木板鞋，一方面在吸附劑表面踩踏進行壓實，另一方面分散體重以防止吸附劑被踩碎[4]。但還有些操作條件惡劣的現場，甚至無法對吸附劑裝填面進行人工踩實處理。采用布袋法裝填的吸附器由于顆粒間架拱作用顯著，床層內容易出現空隙，因此裝填密度低、均勻性差，且裝填質量受人工操作影響較大而缺乏穩定性。

1970年以來，國外許多公司開發的緊密裝填技術能夠大大減少空隙和架拱[5]。緊密裝填法(Denseloading methods)的關鍵是讓顆粒自由降落到床層表面，降落過程中不與其它顆粒碰撞，非球形顆粒趨于水平排列，避免架拱形成空隙[38]，使裝填密度接近最大值。同時，控制吸附劑下落速度使之趨于徑向分布均勻，以保持床層水平，空隙分布均勻。

美國ARCO(Atlantic Richfield Company)公司發明了一種圓錐型顆粒分布器[6]，如圖1所示。該裝置通過旋轉速度的變化實現顆粒徑向密度均勻分布。此方法的缺點在于顆粒拋落范圍受到圓錐傾角和旋轉速度的限制，因此這種裝置只適合裝填內徑較小的容器。

圖1 圓錐顆粒分布器結構示意圖

美國Chevron公司設計的一種水平裝填裝置[7]，如圖2，虛線表示顆粒在其中的流動方向。一部分顆粒穿過上層圓盤中心的開孔落入下層圓盤，剩余部分由旋轉器拋撒出去。下層圓盤中心也有開孔，這部分從孔中下落的顆粒堆積到床層中心附近，從每層圓錐上滾落的顆粒撒到不同的徑向位置。使用該結構時頂部需要足夠的空間，因此適合裝填小而深的容器。此法的不足在于如不改變旋轉速度，那么能裝填的徑向區域有限。此后他們推出的一種改進裝置[8]，如圖3。將旋轉盤分割成更多的部分，用不同的半徑和角度拋灑顆粒來實現均勻。

圖2 Chevron公司裝填裝置結構及顆粒流動示意圖

圖3 Chevron公司裝填裝置結構示意圖

日本Idemitsu公司設計的一種均勻布料裝置[9]，如圖4。一根轉軸帶動若干層布料器同時旋轉，控制器改變旋轉速率使呈周期變化。布料器呈階梯狀排列，設計好每一級布料器的半徑，供入旋轉器中的顆粒會沿徑向撒入容器。通過計算顆粒散落的距離來確定每一級布料器的直徑，使得小半徑布料器在最大轉動速度下拋落顆粒的堆積位置，和大半徑布料器在最小轉動速度下拋落顆粒的堆積位置最接近。采用這種方式裝入的顆粒，徑向的堆積位置呈規則變化，結果表明該裝置可進一步改善顆粒徑向分布的均勻性。

裝填過程中還需要注意對裝填環境的控制，要將吸附劑接觸大氣的時間減至最短，避免吸附劑失效[3]。

圖4 顆粒裝填裝置系統示意圖

中小型變壓吸附設備的裝填，可采用敲擊、抽真空、振動頻率漸次衰減等方式，盡量減少吸附劑間的空隙，達到密實效果[10]。敲擊就是在裝填吸附劑時不斷用橡皮錘或木錘敲擊吸附劑界面部位。抽真空裝填是用真空泵從底部不斷地抽容器內的空氣，減少氣體對吸附劑的阻力，并利用壓差壓實吸附劑。振動頻率漸次衰減是用衰減器控制振動裝置的振動頻率，裝填過程中振動頻率漸次衰減，使得分子篩在吸附器內部能夠充分夯實。結果表明該法效果很好，某公司變壓吸附制氧機采用該方法實現了批量填料生產。很多公司為中小型吸附器裝填配備專門的車間，控制封閉房間內的溫度、濕度，減少人員進出次數，控制屋內環境，并裝備配套的振動設備。

國內企業衡量裝填質量的主要指標是堆積密度，通過檢測裝填后的床層體積計算得到。但此法測量的數據不夠準確，多種吸附劑多層裝填時測量困難，且只在裝填好之后檢測，僅能作為控制質量的手段。由于缺乏準確、快速的檢測手段，裝填中即使出現空洞也很難及時發現，造成裝填質量不穩定。同時，還有一個衡量裝填質量的重要指標——空隙率分布[11]國內的研究不夠深入，沒有進行過檢測。

吸附劑顆粒間的接觸力主要為摩擦力和局部粘性力，現有的裝填方法主要從減少顆粒間相互作用的角度出發，卻難以克服顆粒間的接觸阻力，因此應考慮采用定向裝填與振動相結合，既降低顆粒間的干擾又克服顆粒接觸阻力。引入振動后，振動的能量傳遞給吸附劑，使其參與運動，顆粒位置重新排列而實現密實。密實過程會引起顆粒間或顆粒內的應變，由于顆粒體內應力的分布和傳遞是不均勻的，因此僅從整體上改善顆粒分布的均勻性。合理應用密實技術為改進裝填工藝提供了一種新思路，可以作為吸附劑顆粒裝填技術發展的新方向，進行相關理論研究和設備開發。

2 結束語

隨著變壓吸附工藝在化工等行業中地位的不斷提升，通過優化吸附劑裝填結構、改進裝填技術來提高效益、降低能耗的要求顯得日益迫切?？偨Y國內外裝填技術的研究，可以得出以下幾點：

1）對于變壓吸附裝置的裝填，改進吸附劑裝填參數是提高裝填效果的發展趨勢；

2）緊密裝填法是提高容器裝填密度和均勻性的有效方式，采用該原理設計的分布器結構可以有效提高床層裝填質量；

3）振動方法是裝填吸附劑的有效措施，可以使吸附劑在運動中發生重排，提高密實度，改善吸附劑床層均勻性；

4）實際的吸附劑裝填問題看似簡單，卻十分復雜，許多機理問題至今還不清楚，應進一步開展顆粒密實規律的理論研究，以指導吸附劑緊密裝填技術的開發與裝填設備的應用。

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