Описание и классификация
Под понятием «молекулярное сито» чаще понимают синтетические кристаллические силикаты алюминия, реже – природные микропористые гидратированные алюмосиликаты с кристаллической структурой, известные как цеолиты. Внешне молекулярные сита представляют из себя гранулы (цилиндрические или сферические) с желтоватым, бежевым или серым оттенком.
Молекулярные сита отличаются по своей кристаллической структуре. Существует множество видов молекулярных сит, но наиболее часто используемые — это A, X и Y. Каждый вид отличается размером пор и свойствами в зависимости от катиона – положительно заряженного иона в порах. Сорбируемые и удерживаемые вещества в зависимости от вида молекулярного сита и размеров пор представлены на рисунке 1.
Наиболее часто используемые в промышленности марки молекулярных сит: 3A, 4A, 5A, 10X, 13X и т. д. в формате сферических гранул с размером частиц от 1,7 до 5 мм. В некоторых специфических областях приложения, например, при заполнении аппаратов с фасонной формой или в случае наличия требований к более плотной засыпке при очистке жидкостей, используются цилиндрические гранулы – черенки.
Полости, способные захватывать и удерживать адсорбат в молекулярном сите, образуют порядка 50 % объёма засыпки, а каждый грамм молекулярного сита имеет среднюю внутреннюю площадь поверхности от 700 до 800 м². В процессе адсорбции порами происходит захват молекул, размеры которых меньше, чем размеры пор, а удерживаются молекулы, большие по размеру, чем сами полости. О том, как этот процесс описывается в упрощенном варианте по Л.Д. Ландау можно прочитать в статье.
Основные характеристики молекулярных сит:
- высокая адсорбционная способность и высокая селективная адсорбционная эффективность.
- высокая способность к осушению газов при высоких температурах и скоростях движения потока.
Например, для воздуха: чем ниже содержание водяного пара, т.е. чем ниже относительная влажность, тем выше адсорбционная способность. Но при высокой относительной влажности адсорбционная способность значительно меньше, чем у силикагелей.
- стабильность (технологическая надежность), способность сохранять нормальную адсорбционную способность при температурах ниже 200 °C.
- относительно длительный срок службы от 4 до 8 лет в зависимости от условий эксплуатации, эффективности регенерации и стабильности режимов работы системы.
- собенно высокая адсорбционная способность по отношению к воде, ацетилену и углекислому газу.
Применение молекулярных сит в ВРУ
Адсорберы на основе молекулярных сит (обычно молекулярные сита 5А) используются в воздухоразделительных установках высокого и среднего давления для одновременного поглощения воды, углекислого газа и ацетилена, что позволяет исключить множество негативных последствий при реализации технологического процесса, обеспечивает простоту эксплуатации и высокое качество продуктов. В крупных воздухоразделительных установках низкого давления в адсорберах обычно используются молекулярные сита 13X.
В преобладающем большинстве случаев для предварительного осушения сжатого до давления 6…6,5 бар (абс.) воздуха со 100 % влажностью после водяного скруббера в адсорберах блока комплексной очистки первым по ходу движения потока предусмотрен слой оксида алюминия, который существенно снижает относительную влажность и повышает эффективность дальнейшей очистки на молекулярном сите.
Факторы, влияющие на срок службы молекулярных сит:
- частая принудительная регенерация, особенно высокотемпературная;
- cлишком резкий сброс и набор давления в адсорбере приводят к механическому разрушению молекулярного сита и запыливанию адсорбера;
- подтопление адсорбера за счет уноса капельной влаги из водяного скруббера, повышение температуры воздух на выходе из водяного скруббера с последующим перенасыщением слоя оксида алюминия – т.е., все ситуации, приводящие к увеличению относительной влажности на входе в слой молекулярного сита.
Основные этапы работы системы очистки с 2-мя адсорберами с молекулярным ситом:
- параллельная работа двух адсорберов с последующим переводом загрязненного адсорбера в режим регенерации;
- сброс давления;
- продувка подогреваемым отбросным азотом;
- продувка холодным отбросным азотом;
- ожидание завершения цикла работы активного адсорбера;
- выравнивание давления.
Обстоятельства, при которых требуется высокотемпературная регенерация:
- первичное заполнение / перегрузка молекулярного сита и/или оксида алюминия;
- подтопление / внешнее случайное загрязнение;
- плановая высокотемпературная регенерация не реже одного раза в два года в случаях, если система работала это время исправно, или если эффективность очистки начала снижаться со временем.