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(xì)介紹了應(yīng)用沖洗技術(shù)動(dòng)態(tài)評(píng)定分子篩床活化率的方法，同時(shí)，對(duì)這種方法的機(jī)理作了探析。本文介紹的應(yīng)用沖洗技術(shù)評(píng)定分子篩床活化率的方法，簡(jiǎn)稱沖洗法，這是一種比較符合機(jī)載制氧系統(tǒng)分子篩床實(shí)際工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。但沖洗試驗(yàn)過(guò)程很短，測(cè)試沖洗時(shí)間以秒鐘計(jì)量，如采用手動(dòng)計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)動(dòng)作快慢可能會(huì)引起操作誤差。如采用自動(dòng)計(jì)時(shí)，需從雙向閥門和測(cè)氧儀閾值指示點(diǎn)引出起迄計(jì)時(shí)信號(hào)，并設(shè)配套的計(jì)時(shí)控制電路。

關(guān)鍵詞：機(jī)載制氧系統(tǒng) ?分子篩床活化率 ?沖洗

中圖分類號(hào)：V45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（c）-0167-02

1 ?概述

分子篩床是機(jī)載制氧系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，其性能水平如何直接影響機(jī)載制氧系統(tǒng)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(biāo)。

動(dòng)態(tài)過(guò)程是通過(guò)對(duì)分子篩床的氧/氮交互沖洗時(shí)間的測(cè)試，間接評(píng)定分子篩床活化率，以此評(píng)價(jià)機(jī)載制氧系統(tǒng)分子篩床性能水平。

這種評(píng)定方法是在相同流量、相同環(huán)境和相同分子篩床特定條件下進(jìn)行的。首先使分子篩床充滿氧氣至飽和，然后測(cè)出以氮?dú)鉀_洗氧氣的時(shí)間。轉(zhuǎn)換供氣氣源后，再測(cè)出以氧氣沖洗氮?dú)獾臅r(shí)間。將測(cè)得的沖洗時(shí)間經(jīng)處理后，從已知相同分子篩床的沖洗時(shí)間與活化率關(guān)系圖線上查對(duì)出被測(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分子篩裝填狀況有關(guān)。

對(duì)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(qū)流阻大，疏區(qū)流阻小，當(dāng)變壓氣流沿徑向截面流過(guò)床筒時(shí)，大部份氣流將經(jīng)疏區(qū)流過(guò)，這樣密區(qū)的分子篩就不能充分發(fā)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(guò)嚴(yán)格的分子篩材料生產(chǎn)、篩床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝填工藝的質(zhì)量控制程序，都能將不利影響因素控制在最小。

水汽是在環(huán)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(qiáng)極性和尺寸小的緣故，能很容易地進(jìn)入分子篩的內(nèi)部孔穴，并被強(qiáng)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(jī)載制氧系統(tǒng)的引氣來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓空氣，即使飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)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(jìn)入篩床單向流動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，即吸附/解吸循環(huán)被中斷，進(jìn)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(jī)使用的長(zhǎng)期工作過(guò)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(huán)境和相同分子篩床特定條件下進(jìn)行的，本文所討論的評(píng)定方法即在試驗(yàn)環(huán)境為常壓（101.3kPa）、常溫（25℃±5℃），測(cè)試壓力為0.4MPa，出口流量為30L/min條件下進(jìn)行。評(píng)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(shí)間測(cè)試。

通過(guò)交互沖洗試驗(yàn)分別測(cè)定以上不同活化率的分子篩床氧→氮和氮→氧沖洗時(shí)間。

（3）繪制出分子篩床沖洗時(shí)間與活化率關(guān)系圖線。

以沖洗時(shí)間為橫坐標(biāo)，活化率為縱坐標(biāo)，繪制出分子篩床沖洗時(shí)間與活化率關(guān)系圖線。

完成以上步驟，即可建立起評(píng)定模型。對(duì)所要被測(cè)的分子篩床按步驟2，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果從沖洗時(shí)間與活化率關(guān)系圖線上查對(duì)出被測(cè)分子篩床的活化率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載制氧系統(tǒng)污染情況和水合狀態(tài)的評(píng)價(jià)。

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(cè)定完全失去活化作用的分子篩的百分比含水量。

（2）通過(guò)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(yè)，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(jìn)行配量裝填。

5 ?沖洗時(shí)間測(cè)試

試驗(yàn)環(huán)境為常壓、常溫試驗(yàn)程序如下。

（1）將被測(cè)分子篩床的輸入/輸出口與試驗(yàn)設(shè)備上的相應(yīng)接口氣密連接。

（2）壓力、流量調(diào)定。

將雙向閥門轉(zhuǎn)到氧氣輸入，緩慢旋轉(zhuǎn)氧氣瓶開(kāi)關(guān)至完全打開(kāi)，調(diào)節(jié)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(cè)氧儀讀數(shù)為100%）。然后，同時(shí)調(diào)節(jié)針形閥和氧氣減壓器，在保持流量計(jì)讀數(shù)為30L/min時(shí)，使壓力表讀數(shù)為0.4MPa。之后，將雙向閥門轉(zhuǎn)到氮?dú)廨斎耄徛D(zhuǎn)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)至完全打開(kāi)，并調(diào)節(jié)氮?dú)鉁p壓器，使壓力表讀數(shù)為0.4MPa。

（3）氧→氮沖洗。

將雙向閥門轉(zhuǎn)到氧氣輸入，讓篩床被氧氣飽和。然后，將雙向閥門轉(zhuǎn)到氮?dú)廨斎?，同時(shí)開(kāi)始記時(shí)，當(dāng)篩床中氧濃度由100%降至37%時(shí)停止記時(shí)，并讀取該沖洗過(guò)程的時(shí)間t1測(cè)。

（4）氮→氧沖洗。

接著上述試驗(yàn)，讓篩床被氮?dú)怙柡停y(cè)氧儀讀數(shù)為0%）后，將雙向閥門轉(zhuǎn)到氧氣輸入，同時(shí)開(kāi)始記時(shí)，當(dāng)篩床中氧濃度由0%升至63%時(shí)停止記時(shí)，并讀取該沖洗過(guò)程的時(shí)間t2測(cè)。

按上述要求和方法分別對(duì)已知不同活化率的分子篩床進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)按表1格式

進(jìn)行整理：

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

以較高活化率的分子篩床氧/氮交互沖洗試驗(yàn)為例，氧→氮沖洗試驗(yàn)過(guò)程的變化規(guī)律。一個(gè)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(jié)構(gòu)微孔中擴(kuò)散出來(lái)并被氮?dú)馑脫Q這一過(guò)程。當(dāng)?shù)獨(dú)馇把赝ㄟ^(guò)分子篩床時(shí)，起初氧濃度沒(méi)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(qiáng)，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(shí)，輸入的沖洗定流量氮?dú)鈳缀醵急淮矁?nèi)分子篩所吸附，同時(shí)置換出來(lái)的氧氣維持篩床出口氧濃度不變。當(dāng)氧氣被置換干凈后，就出現(xiàn)氧濃度急劇下降。整個(gè)沖洗過(guò)程時(shí)間較短。

氮→氧沖洗試驗(yàn)過(guò)程的變化規(guī)律，圖線表明，當(dāng)氧氣前沿通過(guò)分子篩床時(shí)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?dú)膺^(guò)程開(kāi)始后，就有氧氣與被置換的氮?dú)馔瑫r(shí)輸出篩床，使篩床出口氧濃度比較平緩地上升，因而，將氮?dú)舛贾脫Q干凈的整個(gè)沖洗過(guò)程時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

在氧/氮交互沖洗時(shí)間測(cè)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(shí)間的閾值，因?yàn)樵撟兓祪?nèi)，對(duì)應(yīng)圖線段的斜率較大，讀取的沖洗時(shí)間對(duì)比性明顯。因而，氧濃度變化幅值的選取也可據(jù)沖洗試驗(yàn)圖線的斜率變化情況而作調(diào)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(shí)間長(zhǎng)。反之，分子篩床活化率小，所需沖洗時(shí)間就短?；罨蕿?.0的分子篩床的氧→氮與氮→氧沖洗試驗(yàn)圖線有明顯的區(qū)別。氧→氮圖線表明，當(dāng)?shù)獨(dú)馇把赝ㄟ^(guò)分子篩床時(shí)，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(fā)生氧/氮置換，反映在圖2和圖3上的沖洗試驗(yàn)圖線是互相呈鏡相狀態(tài)的變化規(guī)律。對(duì)特定的分子篩床來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和分子篩裝填量都已確定，那么篩床空隙容積的沖洗時(shí)間也就是一個(gè)確定的數(shù)。

6 ?沖洗時(shí)間與活化率關(guān)系圖線

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

由于氧、氮沖洗試驗(yàn)圖線氧濃度的急劇變化，計(jì)時(shí)誤差甚小，而對(duì)分子篩床來(lái)說(shuō)，看重的也是分子篩床對(duì)氮?dú)獾奈侥芰?，因此，氧→氮圖線應(yīng)選作主要參照用。氮→氧沖洗過(guò)程作為清除篩床中被吸附氮?dú)獾膹?fù)原手段也是不可或缺的。

根據(jù)以上所述，該動(dòng)態(tài)評(píng)定方法提供了一種極好的質(zhì)量控制程序，以確保活化分子篩床得以正確裝填，同時(shí)，也有利于確定外場(chǎng)定期檢查和翻修更換分子篩床的時(shí)間和周期。

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