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分子筛各类事故底层诱因的 数值分析与处理 分子筛吸附系统是化工类工业中的核心工艺系统，用于吸附、置换、催化等操作。但是由于工业工艺的不稳定性，分子筛的生产、安装、使用又分别归属于不同的专业和公司，技术衔接中经常出现各类问题。在实际生产应用中，分子筛的事故往往与分子筛的核心吸附能力无关，而大多是由于三方技术人员对吸附器的底层设计数据不了解导致。 本文不是单纯地将分子筛事故案例罗列，而是参照大量的施工中的实际问题，以及基于计算机仿真数值分析，系统全面地梳理了分子筛吸附设备的各类工程特征，并对部分工程处理量化解析。让不同专业间有一个统一的认识，尽可能地避免多方沟通上的误判。 本文的量化解析选取的模型为某特定设备或国标查询数据，解析数据不代表全部类型吸附设备应用情况下的数值，但是其结论对所有应用环境具有参考价值。（详细分析数据索取，请联系微信号microslim。） 1．吸附器的应力与变形。 1．1．卧式床的附加应力。 卧式床结构中，支撑床层除了承受分子筛颗粒的重量，还要承受外壳变形产生的横向拉应力。其实此拉应力才是导致卧式床故障率高的核心要素。 在设备安装之初的调试阶段，这种拉应力可以忽略；但是分子筛吸附器处于长期的温度和受力交变情况下，设备慢慢产生一定程度的变形。在设备运行后期，圆柱外壳发生扁塌，随着床层横向拉力的不断增大，床层受力情况发生变化。绝大多数分子筛更换的施工人员文化基础差，不能正视这些受力变化，依旧按照最初的装填模式更换分子筛颗粒。最终导致“床层撕裂破损”。 ANSYS仿真数据显示：卧式床在外壳刚度降低，发生扁塌形变后，局部应力集中点的拉应力是未发生变形时剪应力的数十倍。如上图所示案例中，假设罐体线变形1‰（1mm／1M线弯曲挠度），最中心处工字钢焊缝受力增大约15倍（拉应力和剪应力之和）。超过了几乎全部常用钢材的最大许用应力。 吸附器设备蠕变，刚度失效导致床层内部应力增加，是卧式床发生泄漏的第一诱因。但在已知的各类分子筛事故案例中都不关注这一底层诱因，而是简单地认定为分子筛更换团队的“施工水平不行”。 1．2．立式径向流的多应力交错现象。 立式床结构中，所有的分子筛颗粒的重量并不是“堆放”在塔体底层，而是被隔离网“悬挂”在顶端。（如下以径向流双层床为例，单层床情况类似。） 分子筛和氧化铝中间层隔离网的板层孔竖向布置，承受全部的分子筛颗粒重量，竖向拉应力为8MPa±10%，变形量约为1.7mm/M（线变形1.7‰，材质估算材质为压容钢），几乎已经达到了选材的应力和变形极限。应力集中点出现在上下两条环焊缝中，其中底层环焊缝由于同时受到剪切应力作用，焊缝故障率较高。 受气流和颗粒压力的双重影响，外层隔离网承受交变的周向拉应力，内层隔离网承受交变的周向压应力，交变值通常为＋5KPa～－15KPa之间。这几乎达到了薄壁筒体设计变形极限的25%左右（100%时筒体扁塌）。 气流影响下，圆柱壁的径向变形比约为5mm/M；但是底层支撑圆盘为刚度设计，径向变形比为0。上下变形比相差极大，导致底层焊缝在承受数百吨物料重量时，还要承受变形产生的剪切应力，以及气流变化产生的交变应力。此处焊缝包含三种极限状态下的应力状况（过载、剪切、交变），包含三种材质和厚度的物料交汇（底板12-20mm热锻制钢、竖板6-8mm冷轧钢、内纱网1mm铜质），因此底层焊缝极易发生损伤，而且损伤发生后形成的连锁反应也非常严重。 1 N$ p7 b5 [4 b8 d( M
2．分子筛颗粒的状态。 2．1．卧式床的颗粒漂浮现象。 在卧式床中，气流上下往复流动。气流自下而上吹动时，分子筛颗粒受气流影响而产生一定的悬浮。尤其是底层隔离网附近的氧化铝颗粒，整体呈现悬浮状态。通常情况下，50%～110%重力被气流吹起（实际生产中受控，不会大面积悬浮，而是局部喷涌），产生类似于“流沙”的流动态，床层顶部局部喷流而呈现环形坑痕迹。相反地气流自上而下流动情况下，底层隔离网承受150%～200%的颗粒重量。 中间层隔离网通常为软材质网，装填时上下层之间不受力。但是在吸附生产过程中，隔离网被下层氧化铝顶起，整体承受向上的横向撕裂力。与大多数工程人员的理解不同，中间层隔离网的作用并不是防止颗粒下漏的，而是阻止颗粒上流。中间隔离网的作用是防止下层悬浮状态的流体颗粒流入上层分子筛；同时束缚下层氧化铝的扰动，均衡各处不稳定、不平衡的气流。在很多施工中，经常出现对中间网的作用理解错误，导致铺设过于随意，多块隔离网之间没有相互缝合，起不到隔离效果，最终影响分子筛装填效果。 底层隔离网通常为软硬结合的双层网（硬骨架网和软隔离网缝合）。活化时气流自上而下，骨架网承受数十吨的颗粒重量和气流压力。吸附时气流自下而上，软隔离网承受气流吹力，进而软硬两层网相互分离。在装填施工时，施工人员不了解两层网之间的受力关系，经常只是简单拼接铺设，而不是将软硬隔离网相互缝合加固。最终容易在软隔离两层网受相反力后，软硬网相互分离进而撕裂，导致泄漏现象发生。 2．2．立式床的颗粒装填量的选取。 立式吸附器的物料颗粒呈竖直布置，气流与分子筛装填方向垂直，这样没有了颗粒悬浮的气流问题，但是对于装填量有了新的要求。在立式吸附器的顶端通常设置有1.5米左右的封闭区域，在该区域内的颗粒不参与置换，称为“不流通死区”。同时由于该区域颗粒不能进行活化反应，经常发生吸湿粉化现象。 实际生产中，八成以上的用户不知道最佳装填高度，而是“尽量装满”（多数用户即使知道装填高度限制，依旧选择装满。潜意识里认为装满是最好的）。由于顶端“不流通死区”的存在，其实装的越多粉化问题越严重。 针对这一问题，我用Fluent仿真分析系统，还原不同装填高度下分子筛颗粒的流通情况。仿真分析数据显示：顶端的不流动死区的大小程度，仅与相对装填高度有关。与区域宽度、颗粒大小、气流速度等关系较小。当装填过线高度ΔH约为装填宽度T的0.92倍时（ΔH≈0.92T），顶部空腔气流流速最低。当相对装填高度低于0.5时，局部气流增大而出现“悬浮短路”风险；当相对装填高度高于1.3时，死区内气流基本静止，“吸湿粉化”风险增大。 参考颗粒沉降比例，推荐相对装填过线高度定为1.3倍（ΔH＝1.3T）。（已查询的设备装填标准均遵循此数值设定，如果哪家单位的装填高度有自己的规定，请联系作者microslim，我们更新你们专门仿真模型分析。此仿真模型使用了二维正方形网格、多孔材质球形粒度4mm、介质为常温1bar空气。） 3．热腐蚀现象与选材问题。 与施工导致的故障相似，几乎所有的事故都涉及选材错误问题。这是一个容易忽视又很重要的问题。 3．1．隔离网的“漏”与“补”。 床层发生泄漏后，通常由于生产工艺限制，无法及时完整修复，只能采取局部修补方案。修补中常见的错误为“必须堵严实了”，用一块更密实的网或铁板隔离出一个大的区域，以防泄漏扩大。 由上文我们知道，封堵位置附近会存在一个“不流通死区”，这个区域内的分子筛颗粒容易吸湿粉化。实际案例中显示的工程风险远不止于此，粉化区域的“高湿”和“高温”产生一个复合环境：热腐蚀。 3．2．“热腐蚀”现象。 市场上的纱网，通常看起来为“黄铜网”或者“不锈钢网”。但是实际情况是：黄铜脆性大，不适合编织；不锈钢为碳基材料，不适合冷加工。这导致严格的“黄铜”和“不锈钢”几乎不能快速机械化加工，也很难出现批量的网材。通常市场上的这两种常见材质：八成以上为合金材质，选材纯度都达不到要求。（纯度合格的隔离网由于成本高，大多需要专门订制。） 经过实际选材测试和合金比例估算，最常见的软材质“20目黄铜合金网”，热退火温度仅约为550℃左右；存在冷加工痕迹的“不锈钢网”属于马氏体类不锈钢合金，热退火温度约为600℃左右（中国市场的常见网材测试，温度按照合金比例估算，无法试验验证。该结论不代表部分高规格订制网材的性质）。 550℃和600℃的退火温度特性，使得这两种选材对温度和腐蚀较为敏感，进而容易在温度不高情况下出现“热腐蚀现象”。即：设备的工艺温度明明不高，滤网却呈现显著的灼烧痕迹。如下图，隔离网被烧毁穿透的“热腐蚀”照片。 3．3．隔离网的选材。 在中国市场中，由于隔离网普遍存在“合金”情况，因此在隔离网的耗材选择上需要增加一项———灼烧，将购置的滤网放在燃气炉上灼烧10分钟。 十分钟后，黄铜网表面擦拭后依旧为黄铜本色即为合格，发生裂、断、黑等即可认定为合金铜。不锈钢网焰色为黄色，擦拭后光亮为合格；焰色发绿、发红，材质发生裂、断、黑等即可认定为合金，不宜使用。 3．4．隔离网“补丁”的选择。 隔离网发生泄漏后，选择合适的“补丁”是必要的。但是介于以上分析，隔离网的补丁应遵循以下原则。 3．4．1．同目数或低目数原则。选择补丁时，严格限制所选择的补丁网的目数，尽可能选择低网眼密度的稀疏网。网层不易多层折叠使用。 3．4．2．充分考虑弹性余量。隔离网的补丁在气流冲击下是不停抖动的，受力也在频繁变化中。这就需要隔离网的补丁需要充分考虑变形余量，在隔离网的紧固压紧装置中留有足够的弹性余量。 3．4．3．压紧装置尽可能选择窄条。主要为了减小补丁后的流通死区。 3．4．4．硬骨架网和软隔离网缝合处理。由于受力的形式不同，两层隔离网分离是泄漏事故的原因之一。用钢丝缝合两层网能尽可能地减少事故复发几率。 3．4．5．隔离网的纹理与应力变形方向呈一定角度。隔离网铺设时，隔离网额外承受应力变形是重要的损伤原因之一。隔离网的交错铺设使得网格具有一定的变形承受力，缓和吸附器变形引起的撕裂损伤。 4．装填方式的选择。 在分子筛装填中，客户经常对装填的方式提出各类要求，如：物料面必须严格平整、6个孔要同时同量装填、第1个孔装填30秒装填第2个孔，等等。 对于如上要求，我们通常尽量满足。本文通过计算的方式，给每一个操作一个量化的结论。并不是让施工人员用量化的原则和客户争论对错，而是让我们在执行每一项操作时都能有一个心底的尺度。哪一个原则必须坚持？哪一项操作习惯其实并不重要，可以通过其它方式缓和矛盾？ 4．1．颗粒的流动性。 分子筛颗粒通常为球形，球形颗粒堆成的锥型堆，最大静置锥角仅为25°至30°，振动或气流扰动情况下锥角仅为5°至8°（长条颗粒分别为35°～40°和10°～15°）。这样的流动性，即使装填孔不均匀装填，系统开启后各个孔的最大高度差仅为0.2米。 吸附器在气流影响下，床层移位变形约为为5mm/M，0.2米的偏差会在两个置换周期后消失。不会对系统稳定性产生影响。 4．2．颗粒对筒体的径向力。 在径向流床体中，颗粒装填不均衡，产生的最大径向力Fmax仅为50～60KN。相比之下气流产生的径向力为450～600KN。对筒体产生变形（1‰）的最小力Bmin约为1.2～1.8MN。 由此可以看出，装填的偏差对设备的影响力是很微弱的。 5．内部施工时的几点易忽略常识。 5．1．金属网丝是可燃物。 与常识不相同。不锈钢和铜质的细丝网，由于其絮状结构，其本质上是一种极易燃烧的可燃物。吸附器内的任何切割和焊接都是极具风险的操作，需要严格的防护措施。 5．2．分子筛颗粒可长时间贮存氮气。 分子筛颗粒具有极高的气体贮存效果。即使经过长时间置换，施工人员进入吸附器内后也会存在很高的缺氧风险。抽风机连续抽风是不可缺少的操作。 5．3．分子筛颗粒是流体。 与施工人员的常识不同，分子筛颗粒不应理解为沙滩的沙子。它是流动性很强的流体。尤其是在气流流动、设备振动情况下，分子筛的流动性尤为明显。施工人员操作时一旦发生泄漏，被颗粒掩埋的风险极大，逃生的时间也很短暂。同时分子筛的密度小于人体，一旦掩埋事故发生，颗粒的流动性会使受困人员陷入最底层，施救难度大。
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发表于 2019-8-12 21:03:03
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