刘文彪 贺旺 方玲 夏艳

摘   要：本文分析了影响分子筛床活化率的因素，并详细介绍了应用冲洗技术动态评定分子筛床活化率的方法，同时，对这种方法的机理作了探析。本文介绍的应用冲洗技术评定分子筛床活化率的方法，简称冲洗法，这是一种比较符合机载制氧系统分子筛床实际工作状态的动态测试方法。但冲洗试验过程很短，测试冲洗时间以秒钟计量，如采用手动计时，計时动作快慢可能会引起操作误差。如采用自动计时，需从双向阀门和测氧仪阈值指示点引出起迄计时信号，并设配套的计时控制电路。

关键词：机载制氧系统  分子筛床活化率  冲洗

中图分类号：V45                                     文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0167-02

1  概述

分子筛床是机载制氧系统的基础部件，其性能水平如何直接影响机载制氧系统的基本性能，而分子筛床活化率是衡量筛床性能水平的主要指标。

动态过程是通过对分子筛床的氧/氮交互冲洗时间的测试，间接评定分子筛床活化率，以此评价机载制氧系统分子筛床性能水平。

这种评定方法是在相同流量、相同环境和相同分子筛床特定条件下进行的。首先使分子筛床充满氧气至饱和，然后测出以氮气冲洗氧气的时间。转换供气气源后，再测出以氧气冲洗氮气的时间。将测得的冲洗时间经处理后，从已知相同分子筛床的冲洗时间与活化率关系图线上查对出被测分子筛床的活化率。

2  影响分子筛床活化率的主要因素

分子筛床活化率是指筛床所含的活化分子筛与分子筛总装填量之比，总装填量为活化分子筛与失去活化作用的分子筛之和。

活化率除取决于所装填的分子筛活性以外，还与筛床结构设计和分子筛装填状况有关。

对特定类型的分子筛床，其装填量虽然确定一致，但如果装填得疏密不均匀，也将直接影响分子筛的O2/N2分离效果。密区流阻大，疏区流阻小，当变压气流沿径向截面流过床筒时，大部份气流将经疏区流过，这样密区的分子筛就不能充分发挥其吸附效能。

影响分子筛床活化率的诸因素中除了分子筛百分比含水量外，都可以通过严格的分子筛材料生产、筛床结构设计和装填工艺的质量控制程序，都能将不利影响因素控制在最小。

水汽是在环境空气中普遍存在的影响分子筛活性的“污染物”，由于水分子的强极性和尺寸小的缘故，能很容易地进入分子筛的内部孔穴，并被强烈地吸附。吸水后的分子筛吸附效能降低，甚至完全失去活化作用。

机载制氧系统的引气来自发动机的增压空气，即使飞机环控系统装有除水装置，引入空气中仍然能含有一定量的水汽，这些水汽引起分子筛材料失效的主要原因是气流进入筛床单向流动时间过长，即吸附/解吸循环被中断，进入筛床分子筛中的水分子不断被吸附累积所引起的。所以，在装机使用的长期工作过程中，水汽是影响分子筛床活化率的主要因素。

3  建立模型

假定在相同流量、相同环境和相同分子筛床特定条件下进行的，本文所讨论的评定方法即在试验环境为常压（101.3kPa）、常温（25℃±5℃），测试压力为0.4MPa，出口流量为30L/min条件下进行。评定步骤如下：

（1）配备不同活化率的分子筛床。

分别配备活化率为1.0、0.75、0.50、0.20和0.0的同类型分子筛床。

（2）冲洗时间测试。

通过交互冲洗试验分别测定以上不同活化率的分子筛床氧→氮和氮→氧冲洗时间。

（3）绘制出分子筛床冲洗时间与活化率关系图线。

以冲洗时间为横坐标，活化率为纵坐标，绘制出分子筛床冲洗时间与活化率关系图线。

完成以上步骤，即可建立起评定模型。对所要被测的分子筛床按步骤2，根据试验结果从冲洗时间与活化率关系图线上查对出被测分子筛床的活化率，从而实现对机载制氧系统污染情况和水合状态的评价。

4  配备不同活化率的分子筛床

配备不同活化率的分子筛床：

（1）使用分子筛百分比含水量重量分析仪测定完全失去活化作用的分子筛的百分比含水量。

（2）通过真空加热分子筛活化处理工艺与分子筛百分比含水量重量分析仪配套作业，制备若干公斤纯净的活化分子筛。

（3）分别取纯净的活化分子筛和失去活化作用的分子筛，按分子筛床活化率分别为：1.0、0.75、0.50、0.20和0.0的要求，进行配量装填。

5  冲洗时间测试

试验环境为常压、常温试验程序如下。

（1）将被测分子筛床的输入/输出口与试验设备上的相应接口气密连接。

（2）压力、流量调定。

将双向阀门转到氧气输入，缓慢旋转氧气瓶开关至完全打开，调节氧气减压器压力限于0.4MPa ，使得氧气不断流入分子筛床，让筛床被氧气饱和（测氧仪读数为100%）。然后，同时调节针形阀和氧气减压器，在保持流量计读数为30L/min时，使压力表读数为0.4MPa。之后，将双向阀门转到氮气输入，缓慢旋转氮气瓶开关至完全打开，并调节氮气减压器，使压力表读数为0.4MPa。

（3）氧→氮冲洗。

将双向阀门转到氧气输入，让筛床被氧气饱和。然后，将双向阀门转到氮气输入，同时开始记时，当筛床中氧浓度由100%降至37%时停止记时，并读取该冲洗过程的时间t1测。

（4）氮→氧冲洗。

接着上述试验，让筛床被氮气饱和（测氧仪读数为0%）后，将双向阀门转到氧气输入，同时开始记时，当筛床中氧浓度由0%升至63%时停止记时，并读取该冲洗过程的时间t2测。

按上述要求和方法分别对已知不同活化率的分子筛床进行试验。测试数据按表1格式

进行整理：

t空——同类型分子筛床空隙容积所需的冲洗时间，即活化率为0.0的分子筛床冲洗时间。

以较高活化率的分子筛床氧/氮交互冲洗试验为例，氧→氮冲洗试验过程的变化规律。一个被氧饱和然后以氮冲洗的分子筛床反映了氧气从分子筛的结构微孔中扩散出来并被氮气所置换这一过程。当氮气前沿通过分子筛床时，起初氧浓度没有明显变化，然后氧浓度急剧下降至零。这是由于氮分子的极性较强，易被分子筛吸附，而氧分子比氮分子尺寸小、极性弱，易被置换，因而起始时，输入的冲洗定流量氮气几乎都被床内分子筛所吸附，同时置换出来的氧气维持筛床出口氧浓度不变。当氧气被置换干净后，就出现氧浓度急剧下降。整个冲洗过程时间较短。

氮→氧冲洗试验过程的变化规律，图线表明，当氧气前沿通过分子筛床时氧浓度上升变化比较平缓。这是由于氧分子的极性比氮分子弱，氮分子不易被置换，在用冲洗定流量氧气置换氮气过程开始后，就有氧气与被置换的氮气同时输出筛床，使筛床出口氧浓度比较平缓地上升，因而，将氮气都置换干净的整个冲洗过程时间也相对较长。

在氧/氮交互冲洗时间测试中，筛床氧浓度的下降幅值H1和上升幅值H2均取63%作为读取冲洗时间的阈值，因为该变化幅值内，对应图线段的斜率较大，读取的冲洗时间对比性明显。因而，氧浓度变化幅值的选取也可据冲洗试验图线的斜率变化情况而作调整。

两组图线都表明：分子筛床活化率大，被置换的氧（或氮）气多，所需冲洗时间长。反之，分子篩床活化率小，所需冲洗时间就短。活化率为1.0的分子筛床的氧→氮与氮→氧冲洗试验图线有明显的区别。氧→氮图线表明，当氮气前沿通过分子筛床时，氧浓度下降更急剧，而在氮→氧冲洗情况下，氧浓度的变化反而更平缓。

活化率为0.0的分子筛床的氧/氮交互冲洗完全是筛床空隙容积的冲洗，其所装填的分子筛的微孔完全被水分子充满，已不能发生氧/氮置换，反映在图2和图3上的冲洗试验图线是互相呈镜相状态的变化规律。对特定的分子筛床来说，其结构几何参数和分子筛装填量都已确定，那么筛床空隙容积的冲洗时间也就是一个确定的数。

6  冲洗时间与活化率关系图线

分别以（t1测-t空）和（t2测-t空）作为不同活化率的分子筛床冲洗时间绘制两条相应的冲洗时间与活化率关系图线。

由于氧、氮冲洗试验图线氧浓度的急剧变化，计时误差甚小，而对分子筛床来说，看重的也是分子筛床对氮气的吸附能力，因此，氧→氮图线应选作主要参照用。氮→氧冲洗过程作为清除筛床中被吸附氮气的复原手段也是不可或缺的。

根据以上所述，该动态评定方法提供了一种极好的质量控制程序，以确保活化分子筛床得以正确装填，同时，也有利于确定外场定期检查和翻修更换分子筛床的时间和周期。

参考文献

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