機載制氧系統分子篩床動態評定方法探討

劉文彪 賀旺 方玲 夏艷

摘 ? 要：本文分析了影響分子篩床活化率的因素，并詳細介紹了應用沖洗技術動態評定分子篩床活化率的方法，同時，對這種方法的機理作了探析。本文介紹的應用沖洗技術評定分子篩床活化率的方法，簡稱沖洗法，這是一種比較符合機載制氧系統分子篩床實際工作狀態的動態測試方法。但沖洗試驗過程很短，測試沖洗時間以秒鐘計量，如采用手動計時，計時動作快慢可能會引起操作誤差。如采用自動計時，需從雙向閥門和測氧儀閾值指示點引出起迄計時信號，并設配套的計時控制電路。

關鍵詞：機載制氧系統 ?分子篩床活化率 ?沖洗

中圖分類號：V45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0167-02

1 ?概述

分子篩床是機載制氧系統的基礎部件，其性能水平如何直接影響機載制氧系統的基本性能，而分子篩床活化率是衡量篩床性能水平的主要指標。

動態過程是通過對分子篩床的氧/氮交互沖洗時間的測試，間接評定分子篩床活化率，以此評價機載制氧系統分子篩床性能水平。

這種評定方法是在相同流量、相同環境和相同分子篩床特定條件下進行的。首先使分子篩床充滿氧氣至飽和，然后測出以氮氣沖洗氧氣的時間。轉換供氣氣源后，再測出以氧氣沖洗氮氣的時間。將測得的沖洗時間經處理后，從已知相同分子篩床的沖洗時間與活化率關系圖線上查對出被測分子篩床的活化率。

2 ?影響分子篩床活化率的主要因素

分子篩床活化率是指篩床所含的活化分子篩與分子篩總裝填量之比，總裝填量為活化分子篩與失去活化作用的分子篩之和。

活化率除取決于所裝填的分子篩活性以外，還與篩床結構設計和分子篩裝填狀況有關。

對特定類型的分子篩床，其裝填量雖然確定一致，但如果裝填得疏密不均勻，也將直接影響分子篩的O2/N2分離效果。密區流阻大，疏區流阻小，當變壓氣流沿徑向截面流過床筒時，大部份氣流將經疏區流過，這樣密區的分子篩就不能充分發揮其吸附效能。

影響分子篩床活化率的諸因素中除了分子篩百分比含水量外，都可以通過嚴格的分子篩材料生產、篩床結構設計和裝填工藝的質量控制程序，都能將不利影響因素控制在最小。

水汽是在環境空氣中普遍存在的影響分子篩活性的“污染物”，由于水分子的強極性和尺寸小的緣故，能很容易地進入分子篩的內部孔穴，并被強烈地吸附。吸水后的分子篩吸附效能降低，甚至完全失去活化作用。

機載制氧系統的引氣來自發動機的增壓空氣，即使飛機環控系統裝有除水裝置，引入空氣中仍然能含有一定量的水汽，這些水汽引起分子篩材料失效的主要原因是氣流進入篩床單向流動時間過長，即吸附/解吸循環被中斷，進入篩床分子篩中的水分子不斷被吸附累積所引起的。所以，在裝機使用的長期工作過程中，水汽是影響分子篩床活化率的主要因素。

3 ?建立模型

假定在相同流量、相同環境和相同分子篩床特定條件下進行的，本文所討論的評定方法即在試驗環境為常壓（101.3kPa）、常溫（25℃±5℃），測試壓力為0.4MPa，出口流量為30L/min條件下進行。評定步驟如下：

（1）配備不同活化率的分子篩床。

分別配備活化率為1.0、0.75、0.50、0.20和0.0的同類型分子篩床。

（2）沖洗時間測試。

通過交互沖洗試驗分別測定以上不同活化率的分子篩床氧→氮和氮→氧沖洗時間。

（3）繪制出分子篩床沖洗時間與活化率關系圖線。

以沖洗時間為橫坐標，活化率為縱坐標，繪制出分子篩床沖洗時間與活化率關系圖線。

完成以上步驟，即可建立起評定模型。對所要被測的分子篩床按步驟2，根據試驗結果從沖洗時間與活化率關系圖線上查對出被測分子篩床的活化率，從而實現對機載制氧系統污染情況和水合狀態的評價。

4 ?配備不同活化率的分子篩床

配備不同活化率的分子篩床：

（1）使用分子篩百分比含水量重量分析儀測定完全失去活化作用的分子篩的百分比含水量。

（2）通過真空加熱分子篩活化處理工藝與分子篩百分比含水量重量分析儀配套作業，制備若干公斤純凈的活化分子篩。

（3）分別取純凈的活化分子篩和失去活化作用的分子篩，按分子篩床活化率分別為：1.0、0.75、0.50、0.20和0.0的要求，進行配量裝填。

5 ?沖洗時間測試

試驗環境為常壓、常溫試驗程序如下。

（1）將被測分子篩床的輸入/輸出口與試驗設備上的相應接口氣密連接。

（2）壓力、流量調定。

將雙向閥門轉到氧氣輸入，緩慢旋轉氧氣瓶開關至完全打開，調節氧氣減壓器壓力限于0.4MPa ，使得氧氣不斷流入分子篩床，讓篩床被氧氣飽和（測氧儀讀數為100%）。然后，同時調節針形閥和氧氣減壓器，在保持流量計讀數為30L/min時，使壓力表讀數為0.4MPa。之后，將雙向閥門轉到氮氣輸入，緩慢旋轉氮氣瓶開關至完全打開，并調節氮氣減壓器，使壓力表讀數為0.4MPa。

（3）氧→氮沖洗。

將雙向閥門轉到氧氣輸入，讓篩床被氧氣飽和。然后，將雙向閥門轉到氮氣輸入，同時開始記時，當篩床中氧濃度由100%降至37%時停止記時，并讀取該沖洗過程的時間t1測。

（4）氮→氧沖洗。

接著上述試驗，讓篩床被氮氣飽和（測氧儀讀數為0%）后，將雙向閥門轉到氧氣輸入，同時開始記時，當篩床中氧濃度由0%升至63%時停止記時，并讀取該沖洗過程的時間t2測。

按上述要求和方法分別對已知不同活化率的分子篩床進行試驗。測試數據按表1格式

進行整理：

t空——同類型分子篩床空隙容積所需的沖洗時間，即活化率為0.0的分子篩床沖洗時間。

以較高活化率的分子篩床氧/氮交互沖洗試驗為例，氧→氮沖洗試驗過程的變化規律。一個被氧飽和然后以氮沖洗的分子篩床反映了氧氣從分子篩的結構微孔中擴散出來并被氮氣所置換這一過程。當氮氣前沿通過分子篩床時，起初氧濃度沒有明顯變化，然后氧濃度急劇下降至零。這是由于氮分子的極性較強，易被分子篩吸附，而氧分子比氮分子尺寸小、極性弱，易被置換，因而起始時，輸入的沖洗定流量氮氣幾乎都被床內分子篩所吸附，同時置換出來的氧氣維持篩床出口氧濃度不變。當氧氣被置換干凈后，就出現氧濃度急劇下降。整個沖洗過程時間較短。

氮→氧沖洗試驗過程的變化規律，圖線表明，當氧氣前沿通過分子篩床時氧濃度上升變化比較平緩。這是由于氧分子的極性比氮分子弱，氮分子不易被置換，在用沖洗定流量氧氣置換氮氣過程開始后，就有氧氣與被置換的氮氣同時輸出篩床，使篩床出口氧濃度比較平緩地上升，因而，將氮氣都置換干凈的整個沖洗過程時間也相對較長。

在氧/氮交互沖洗時間測試中，篩床氧濃度的下降幅值H1和上升幅值H2均取63%作為讀取沖洗時間的閾值，因為該變化幅值內，對應圖線段的斜率較大，讀取的沖洗時間對比性明顯。因而，氧濃度變化幅值的選取也可據沖洗試驗圖線的斜率變化情況而作調整。

兩組圖線都表明：分子篩床活化率大，被置換的氧（或氮）氣多，所需沖洗時間長。反之，分子篩床活化率小，所需沖洗時間就短。活化率為1.0的分子篩床的氧→氮與氮→氧沖洗試驗圖線有明顯的區別。氧→氮圖線表明，當氮氣前沿通過分子篩床時，氧濃度下降更急劇，而在氮→氧沖洗情況下，氧濃度的變化反而更平緩。

活化率為0.0的分子篩床的氧/氮交互沖洗完全是篩床空隙容積的沖洗，其所裝填的分子篩的微孔完全被水分子充滿，已不能發生氧/氮置換，反映在圖2和圖3上的沖洗試驗圖線是互相呈鏡相狀態的變化規律。對特定的分子篩床來說，其結構幾何參數和分子篩裝填量都已確定，那么篩床空隙容積的沖洗時間也就是一個確定的數。

6 ?沖洗時間與活化率關系圖線

分別以（t1測-t空）和（t2測-t空）作為不同活化率的分子篩床沖洗時間繪制兩條相應的沖洗時間與活化率關系圖線。

由于氧、氮沖洗試驗圖線氧濃度的急劇變化，計時誤差甚小，而對分子篩床來說，看重的也是分子篩床對氮氣的吸附能力，因此，氧→氮圖線應選作主要參照用。氮→氧沖洗過程作為清除篩床中被吸附氮氣的復原手段也是不可或缺的。

根據以上所述，該動態評定方法提供了一種極好的質量控制程序，以確保活化分子篩床得以正確裝填，同時，也有利于確定外場定期檢查和翻修更換分子篩床的時間和周期。

參考文獻

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