CN106031864A - 分子筛的微波再生技术 - Google Patents

Abstract

本发明将微波通过波导管直接导入需要再生的分子筛容器中，相当于把需要再生的分子筛直接置于微波场中。在利用气流通过分子筛容器，将被吸附物质带出，从而实现分子筛的再生。本发明所提供的再生方法可以在非常短的时间内实现分子筛的再生，并且节能、高效、安全可控、装置简单、操作方便。

Description

分子筛的微波再生技术

技术领域

本发明属于分子筛应用领域，具体涉及分子筛的再生技术。

背景技术

分子筛(又称合成沸石)是一种多孔的陶瓷类固体颗粒，它具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当。分子筛对物质的吸附来源于物理吸附(范德华力)，其晶体孔穴内部有很强的极性和库仑场，对极性分子(如水)和不饱和分子表现出强烈的吸附能力，一般分子筛的对水的饱和吸附量可以达到重量的8～12％。

由于分子筛可以选择性吸附一些极性分子，因此在工业装置中通常作为吸附剂来使用。例如：在天然气的处理过程中，为了便于天然气的储存和运输，需要用压缩机把天然气加压液化，由于水和二氧化碳的冰点温度太高，在这个处理过程中天然气中含的微量水分或微量的二氧化碳很容固化(结冰)，从而导致工艺设备破坏。所以在实际工业装置中必须要使天然气中的含水量小于1ppm，二氧化碳的含量少于50ppm。为了到达这个目的，使用分子筛作为吸收剂是较好的选择。通常的天然气处理装置单套每天处理的天然气量在1万立方到300万立方，要实现天然气的水含量降低到3ppm以下每天需要的分子筛数以吨计(6～60吨)分子筛，分子筛吸附一定水分后(8～12％)达到饱和状态，不再具有吸附功能。

不再具备吸附功能的分子筛就需要再生处理。目前，分子筛再生的方法都是通过对分子筛加热，把热能通过分子筛传给被吸附物质的分子，被吸附的物质分子获得的热能迅速变成分子能，分子运动加剧，当分子动能足以克服分子筛对它的吸附时，分子便游离出来，分子筛得以再生。由于分子筛的型号不同再生需要的温度也不尽相同，一般需要加热150-250摄氏度，分子筛才能取得较好的再生效果，在150-250度范围内，温度越高分子筛的再生效果就越好。

对于传统的再生方法来说，分子筛被加热是再生过程中最关键和最重要的一个过程，在这个过程中被吸附的物质分子获得能力，运动加剧，摆脱了分子筛的吸附力，以多种状态游离在分子筛的空腔内或跑到分子筛颗粒与颗粒之间的空隙，这是通入一定量气体就可以把被吸附的物质带出，这一过程也可以辅采取变压(减压)方式以加速被吸附物质的排出。

常用方法有气体加热方式和直接加热方式：

1，气体加热方式：选择某种适合的气体(空气、氮气、CO2、其他原料气等)，通过加热炉把气体加热后连续通入分子筛容器，这样逐步把分子筛加热到需要的再生温度。其缺点在于：由于分子筛到热性能很差，传热速度慢，能耗非常大。由于气流温度高循环技术难度大，如果能够使热气流循环通过分子筛容器，这样就可以节省部分能源，由于分子筛需要被加热到200多度，气流的温度需要近300度，解决循环动力也是一个难题，虽然有高温风机可以提供循环动了，由于高温条件下风机的密封问题、温度变形问题等都会导致系统运行故障和装置的使用寿命，所以大多数装置都没有采用循环系统。

2，直接加热方式：对于用量较少的分子筛也可以直接通过电加热棒、加热板、远红外加热板、导热油等加热方式，直接与分子筛物料接触加热。其缺点在于：由于分子筛的主要成分是结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，加之分子筛的多空特性，使得分子筛的导热性很差，升温速度很慢，每次再生过程都需要较长时间5-8小时，同时也消耗大量能源。这种加热方式热效率底、加热时间长、加热不均匀、温差太大，导致分子筛的再生效果差。此外，由于分子筛传热速度慢，加热源控制不好就会导致加热体本身过热损坏。

发明内容

发明目的：为了解决如上所述的现有技术中存在的问题，本发明提供了一种快速、高效、便捷的再生方法-“微波再生技术”，它能够使被吸附的物质分子在微波场(快速变换的电磁场)，迅速摆脱分子筛的吸附作用，达到再生条件。

传统的再生法是首先把分子筛加热到一定温度，吸附在分子筛内物质吸收热能，热能变化成分子动能，分子运动加剧从而摆脱分子筛的吸附作用，分子筛的温度必须维持在一定温度以上，温度降低分子的动能变小，运动变慢，极性分子又会被分子筛吸附。

而本发明所提供的再生方法与其完全不同，第一，分子筛在微波场中它本身的极性和库伦场遭受快速变化的强电场干扰，瞬间失去对被吸附分子吸附作用；第二，被吸附的极性分子在微波场中快速运动、震动等，可以直接摆脱分子筛对它的吸附并从分子筛的吸附表面游离出来。第三，由于极性分子在微波场的剧烈运动，温度快速升高(在很短的时间内就可以达到传统方法要求的再生温度)，从而加剧了分子运动，这使得分子筛的再生变得更加彻底。

为了实现这一目的，如何将微波引入容器中，以及如何使微波分散均匀，是至关重要的问题，本发明通过以下手段来实现：

技术方案：本发明利用波导管将微波直接导入需要再生的分子筛容器中，并在容器内产生均匀的微波场，使分子筛上的被吸附物游离出来；向该容器中通入气体，利用气流将被吸附物质带出。所述分子筛容器为金属容器。

所述的波导管分为内波导管和外波导管，分别设置于容器内与容器外，容器的界面处设置非金属盲板，或设置高压阀门。所述的内波导管管壁为非屏蔽的，可以使微波从管壁导出；所述外波导管管壁为屏蔽的。这是因为本发明的微波时通过磁控管产生，磁控管是不能受压的电器设备，分子筛容器在生产过程中有很高的工作压力，微波再生需要一个微波通道连接分子筛容器和磁控管，必然有一个高压与常压的过度面，本再生技术的过度面是选用高强度的非金属材料盲板实现微波从常压去向高压区传到，这种高强度盲板可以使微波通过，正常生产状态下的高压工艺气体却被很安全的阻止在容器内部；另外的一个替代性的方案就是在该界面安装高压阀门建立个微波通道，再生时阀门打开，正常生产时阀门关闭。优选的，在高强度非金属盲板的外侧安装多孔金属屏蔽板，能够保证容器能够在高压下生产，同时又能保证再生过程中微波不泄漏，

微波在容器外的传输通过外波导管实现，所述的外波导管管壁为屏蔽的，为常见的波导管。外波导管可以是方形或圆形导管，材质为常用金属(铝合金、不锈钢、碳钢)，外波导管不需要承压。

微波在容器内的传输和分布通过内波导管实现，所述的内波导管管壁为非屏蔽的，可以使微波从管壁导出。内波导管可以是金属或非金属材料，需要承受正常生产过程的压力，它可以是非金属实心圆柱体，也可以是开有微波出口的金属管。使用非金属材料时，可以选用陶瓷或玻璃的实心管。也可以选用金属管，所述的金属管的管壁必须开设微波孔或微波槽。

在试验中我们还发现，如果容器长度较长，会出现靠近微波输入端的分子筛接受到的微波能量较多，而靠近波导管末端(即远离入口处)的分子筛接受到的微波能量较少的这种现象，为了解决这一问题，我们将内波导管微波槽的分布做了调整，从微波输入端至末端，管壁上的孔或槽逐渐增多，其分布逐渐由疏到密。对于陶瓷或玻璃制成的波导管来说，从微波输入端至末端，波导管的密度从大到小逐渐减少。通过调整孔的分布情况以及调整密度这两种手段，可以使得微波在容器中分布的更加趋于均匀。

由于微波场中电场改变方向达每秒几十亿次，电场的强度也远远超过分子筛本身晶体孔穴内部的极性和库仑场，分子筛即刻失去对极性分子的吸附作用；如此同时，被吸附的极性分子在微波场(高速变换的电场)作用下也快速地运动、旋转、碰撞、震动并产生大量的热能，温度快速升高，随着温度的升高，分子的运动进一步加剧，被吸附分子完全摆脱了分子筛的吸附，并游离出来。

此时，我们将气体通过分子筛容器，利用气流就可以把游离出来的被吸附物质置换出来，从而实现分子筛的再生。在这一过程中，如果通入分子直径小于分子筛孔径的气体，会有更好的效果，气流可以完全进入分子筛的空腔，把所吸附物质带走，使得再生更加彻底。

微波波长越长，频率就越低，但穿透能力就越好。本发明可以使用的微波的频率范围为500MHz～13GHz。考虑到分子筛再生过程中微波的穿透力，本发明所述的再生方法优选使用915Mhz微波或其它波长更长的微波。

由于微波也是一种不断变化的电磁场，它只对极性分子起作用，这跟分子筛的吸附机理完全一致，微波再生适用于各种类型的分子筛的再生。极性分子能被分子筛吸附，同理其在微波场中也会剧烈运动。因此，本发明所提供的再生技术可以应用于多种类型和形状的分子筛，如：3A型、4A型、5A型、13X等，也不论分子筛的形状是柱状、球星或其它多面体状。

有益效果：本发明所提供的再生方法可以在非常短的时间内实现分子筛的再生，通过专用微波导管把微波导入分子筛容其中，不需要把分子筛从容器其中取出，减少了分子筛的装填困难，同时也避免了分子筛的损坏。并且节能、高效、安全可控、装置简单、操作方便。

本发明所提供的再生技术将会有利于分子筛的在各个工业领域的广泛使用，尤其是各种工业气体处理领域，如：天然气的净化装置，各种空气处理装置等。它可以大大降低能耗，同时减少工业气体的排放，改善环境。这一技术应用还可以大大降低工厂的运行成本，提高经济效益。

附图说明

图1本发明的示意图

具体实施方式：

本发明通过合理设计分子筛容器、微波导管的尺寸和结构，把微波直接导入分子筛容器，实现分子筛的在线微波再生。如图1所示，所述的波导管分为外波导管和内波导管，外波导管可以是方形或圆形导管，材质为常用金属(铝合金、不锈钢、碳钢)，外波导管不需要承压，是常见的波导管；内波导管可以是金属或非金属材料，需要承受正常生产过程的压力，可以是陶瓷或玻璃制的实心圆柱体，也可以是开有微波孔或微波槽的不锈钢管。

根据容器总长度选择内波导管的长度和开孔位置，使微波分布均匀。当容器长度较长时，为了使微波分布均匀，内波导管微波槽的分布必须调整，从微波输入端至末端，管壁上的孔或槽逐渐增多，其分布逐渐由疏到密。对于陶瓷或玻璃制成的波导管来说，从微波输入端至末端，波导管的密度从大到小逐渐减少。通过调整孔的分布情况以及调整密度这两种手段，可以使得微波在容器中分布的更加趋于均匀。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

实施例1：

在自然状态下(常温、常压)，取球型(2-3mm)A3分子筛500克，装入透明玻璃杯状容器中，放在2.45GHz微波炉(功率0.7Kw)中3分钟，测分子筛表面温度约136摄氏度，观察底层分子筛有液态水痕迹，部分分子筛被浸湿，自然环境下密封冷却2分钟，称分子筛重为质量减轻468克，减重6.4％。

实施例2：

第二次实验，更换不同分子筛厂家生产的3A型号分子筛，取自然状态下分子筛1000克放玻璃杯中，放在2.45GHz，0.7Kw微波炉中5分钟，测分子筛表面温度约156摄氏度，观察杯壁有明显雾气，取出后冷却3分钟立即称量(尚未完全冷却)，此时分子筛重量为932克，推算分子筛减重68/1000＝6.8％。

实施例3：

在自然状态下(常温、常压)，取球型(2-3mm)A3分子筛6,000克，放在微波实验专用容器里，分子筛厚度40mm,把装有分子筛的容器放入915MHz的微波箱中，微波功率20Kw，启动微波发生器，通过视窗可以观察到分子筛表面有烟雾产生，温度计显示温度逐步升高，五分钟后筛表面温度约150摄氏度。关闭微波发生器(磁控管)，分子筛在箱内冷却5分钟后，取出称重为5530克，减少重量470克，减重470/6000＝7.8％。取相同条件和批次的分子筛500克，实测含水量为12％。

从实施例1～实施例3，采用微波进行再生，与传统的加热再生相比，具有再生速度快，能耗低等特点。无论是2.45GHz的微波场还是915MHz的微波场都对已吸附水的分子筛作用明显，有着较好的减重效果，即分子筛中的吸附水被释放，分子筛得到再生。

但是，工业生产中，如果从容器外侧进行微波处理，将会损失大量的能量，且难以控制微波的泄露。如果采用本发明所提供的方法将微波引入容器内部，将可以很好的解决这一难题。详见下述实施例

实施例4：

常温常压下取3A分子筛700公斤(约1立方米)，放入金属分子筛容器(1.2立方米)，直径1米，高度1.6米。通过波导管把磁控管与容器连接，外波导管为常规波导管，设置于容器外，内波导管为陶瓷实心圆柱体，设置于容器内，容器的界面处设置高强度非金属盲板，在高强度非金属盲板的外侧安装多孔金属屏蔽板，确保微波无泄漏的导入容器中，磁控管功率20Kw，频率915MHz。一切准备就绪后开机，微波通过波导管进入分子筛容器，同时向容器内通入氮气，每分钟流量约5立方米。通过安装在分子筛罐上的测温仪记录温度变化。

通过实验数据分析，915MHz的微波对分子筛的穿透能较好，大约2小时分子筛温度达到200度，3小时外层温度达到230度，达到分子筛完全再生条件，分子筛的脱水率10.5％，分子筛的再生程度超过90％，完全满足设计要求。

实施例5：

常温常压下取3A分子筛700公斤(约1立方米)，放入金属分子筛容器(1.2立方米)，直径1米，高度1.6米。通过波导管把磁控管与容器连接，外波导管为常规波导管，内波导管为开有微波槽的不锈钢管，内波导管与外波导管分别设置于容器内与容器外，容器的界面处设置高压球阀，建立个微波通道，再生时阀门打开，正常生产时阀门关闭。确保微波无泄漏的导入容器中，磁控管功率20Kw，频率915MHz。一切准备就绪后开机，微波通过波导管进入分子筛容器，同时向容器内通入氮气，每分钟流量约3立方米。通过安装在分子筛容器上的测温仪记录温度变化。

通过实验数据分析，915MHz的微波对分子筛的穿透能较好，大约2小时分子筛温度达到200度，3小时外层温度达到230度，达到分子筛完全再生条件，分子筛的脱水率10％，分子筛的再生程度超过90％，完全满足设计要求。

实施例6：

常温常压下取3A分子筛700公斤(约1立方米)，放入金属分子筛容器(1.2立方米)，直径1米，高度1.6米。通过波导管把磁控管与容器连接，外波导管为常规波导管，内波导管为开有微波槽的不锈钢管，从微波输入端至末端，管壁上的孔或槽逐渐增多，其分布逐渐由疏到密。容器的界面处设置高强度非金属盲板，在高强度非金属盲板的外侧安装多孔金属屏蔽板，确保微波无泄漏的导入容器中，磁控管功率20Kw，频率915MHz。一切准备就绪后开机，微波通过波导管进入分子筛容器，同时向容器内通入氮气，每分钟流量约6立方米。通过安装在分子筛罐上的测温仪记录温度变化。

通过实验数据分析，915MHz的微波对分子筛的穿透能较好，大约2小时分子筛温度达到200度，3小时外层温度达到230度，达到分子筛完全再生条件，分子筛的脱水率10.8％，分子筛的再生程度超过91％，完全满足设计要求。

另外需要说明的是，本发明并不限于上述实施例中的具体细节，其工艺条件及参数都可以做相应的调整。例如分子筛的装入量、容器的体积、磁控管的功率等。上述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如，导入微波和通入氮气的顺序可以调整。

Claims (10)

1.一种分子筛的再生方法，其特征在于利用波导管将微波直接导入需要再生的分子筛容器中，并在容器内产生均匀的微波场，在微波的作用下，使分子筛上的被吸附物游离出来；向该容器中通入气体，利用气流将被吸附物质带出。

2.如权利要求1所述的分子筛再生方法，其特征在于所述的波导管分为内波导管和外波导管，分别设置于容器内与容器外，容器的界面处设置非金属盲板，或设置高压阀门。

3.如权利要求2所述的分子筛再生方法，其特征在于所述的内波导管管壁为非屏蔽的，可以使微波从管壁导出；所述外波导管管壁为屏蔽的。

4.如权利要求2所述的分子筛再生方法，其特征在于所述内波导管为陶瓷或玻璃。

5.如权利要求4所述的分子筛再生方法，其特征在于所述的内波导管，从微波输入端至波导管末端，其密度从大到小逐渐减少。

6.如权利要求2所述的分子筛再生方法，其特征在于所述内波导管为金属管，其管壁开设微波孔或微波槽。

7.如权利要求6所述的分子筛再生方法，其特征在于所述内波导管，从微波输入端至波导管末端，其管壁上的微波孔或微波槽逐渐增多，分布逐渐由疏到密。

8.如权利要求1至7任意一项权利要求所述的分子筛再生方法，其特征在于所述气体的分子直径小于分子筛的孔径。

9.如权利要求1至7任意一项权利要求所述的分子筛再生方法，其特征在于所述的微波的频率为500MHz～13GHz。

10.如权利要求1所述的分子筛再生方法，其特征在于所述的分子筛容器为金属容器。