空分設備預冷系統的設計

蔣 旭，江楚標，徐偉民，丁友勝，趙小瑩

（中空能源設備有限公司，浙江杭州310052）

空分設備預冷系統的設計

蔣 旭，江楚標，徐偉民，丁友勝，趙小瑩

（中空能源設備有限公司，浙江杭州310052）

介紹了預冷純化系統的重要性，對一般空分裝置的除雜、預冷系統性能的設計加以詳盡闡述。空分設備預冷在成套流程中有舉足輕重的作用，所以組織設計合理的預冷系統不僅可以滿足流程需要，還可以使成套裝置的投資與運行費用保持較好的合理性與經濟性。

空分設備；預冷系統；設計

1 前言

當前空分設備產業的發展已日趨成熟，隨著國民經濟的不斷發展，特別是國內冶金、石化、煤化工等行業的迅猛發展，對大型空分裝置的需求迅速增長，使得空分設備不斷向大型，更加精細，系統設計更加準確的方向發展，分系統保障設計的理念已經為廣大技術人員所認同。而不管大小每個系統對整套空分設備來說都是牽一發而動全身，一個系統出問題或者不合格，則會導致后續工藝一系列不合格或者無法進行，甚至產生較大的安全影響。預冷和純化系統作為原料氣體進入冷箱內的常溫處理工藝，在空分裝置中的地位舉足輕重，只有滿足裝置要求，低溫精餾工藝才能順利進行，任何一個系統出問題，都會影響空分設備正常運行甚至導致故障停車。預冷系統的流程組織及單體設備的性能對整套空分裝置的性能影響重大，在設計中不容忽視。

2 預冷系統性能的設計

由于空分設備一般是面向冶金、化工及石化等行業，空氣當中化學物質較多，這也是空分設備需要解決的問題。

大氣中二氧化硫、氧化氮、硫化氫、氯化氫、氯、氨等雜質經空冷塔后被水洗滌，而一氧化氮不能被水洗滌清除，也不能被分子篩吸附。

（1）0.595 MPa(A)下不同溫度出氣含水（為摩爾分數，除以1.6即為質量分數，飽和氣態）及空塔頂端筒體出口流速見表1。

表1 飽和（氣態）及空塔頂端筒體出口流速

（2）12℃時不同壓力下進氣含水（飽和氣態）及空塔頂端筒體出口流速見表2。

由此可以看出一定壓力下，隨著氣體溫度的升高，7℃時的含水量（氣態飽和）是10℃時的82.5%，12℃時的含水量（氣態飽和）是10℃時的117.5%，15℃時的含水量（氣態飽和）是10℃時的142.5%，21℃時的含水量（氣態飽和）是10℃時的207%。

表2 12℃時不同壓力下進氣含水（飽和氣態）及空塔頂端筒體出口流速

一般分子篩純化器設計進氣溫度要求小于15℃，一般以12℃以下為設計點，但是裝置在運行過程中，如果外加冷源出現故障，或者冷凍水泵量小甚至停機時，導致空冷塔出口溫度時常達到21℃左右，這樣將導致出口空氣中含水量（氣態）幾乎是設計溫度10℃的2倍。

而在12℃時，隨著壓力的降低（從595 kPa(A)降低至450 kPa(A)，含水量（氣態）增大30%，而流速此時由0.72 m/s增大到0.95 m/s，空冷塔的水氣比為0.41，阻力600 Pa/m，而空冷塔用散堆填料覫50鮑爾環的比表面積a為112 m2/m3；孔隙率ε為0.901，填料因子120 L/m，堆積密度75 kg/m3，對于填料流體力學和傳質性能的最基本特性為比表面積和孔隙率，a/ε常稱為干填料因子，其值小表明它的處理能力較大。而隨著空塔汽速的增大，向上流動的汽體對液膜流動產生了牽制作用，隨著空塔汽速的增長，液膜下降逐漸減小，因此床層中液體持有量持續增加，這時阻力隨著氣速的增加增大得更快，當增加到一定程度時，氣體流動和液體流動之間產生了嚴重的交互作用，最后，液相轉變成連續相，氣相成為分散相，鼓泡通過床層，與此相對應的空塔汽速為液泛汽速。液泛汽速是空塔汽速的上限。由美國化學工程師手冊中埃克特1970年版的通用壓降關聯圖，查圖并計算各值后得到，在此壓力及水氣比之下，泛點汽速為：0.9618 m/s，要求空塔汽速超過此值時停車，以防止發生液泛造成大量水涌出，同時阻力值增大，而阻力增大大約是汽速增大的2.5倍，當流速增大至0.95 m/s時，阻力值為1080 Pa/m，即（（0.95/0.72-1)×2.5+1)×600 Pa，一般推薦鮑爾環每米阻力500～800 Pa，當阻力值大于800 Pa時，傳質傳熱效率急劇下降（汽體影響液膜流動），此時對應汽速為0.816 m/s，即（（800/600-1)/2.5+1)×0.72（也叫載點汽速，到達或者在此值以下應設置報警值），通常最大操作能力比填料允許阻力最大值對應汽速（即載點汽速）小5%～10%，即設計汽速要求為0.775 m/s以下。

而對于氣體出口段，氣體通過分布器通道截面一般會減小至1/3，導致流速增大3倍，本例中為3×0.72 m/s=2.16 m/s，上升氣離開填料時速度上升，大于液泛點,肯定會導致帶液，一般設置一段上升氣液分離段（液滴先做豎直上拋運動，當液滴表面推動力與重力相等時，做勻速運動，當表面推動力小于重力時，做減速運動開始氣液分離，一般以除去1000滋m直徑以上的液滴為臨界值，分離空間高度為0.8 m，以100μm直徑以上的液滴為臨界值，分離空間高度為2.285 m），出口設置除霧器除去液態水滴（氣液分離空間不足，會致使除霧器處理負荷增大）。而除霧器的最佳操作氣速為1.1 m/s～1.6 m/s，分離大于5μm直徑以上的液滴，以此粒子直徑計算，以10%的除霧器出口截面積上（直徑3 m，氣速1.1 m/s，筒體直徑3.5 m）布滿液膜，則每小時進入的液態水質量為9 m2×0.785×5μm（厚度）× 1000 kg/m3×0.1×3600=127.18 kg，占空冷塔出口總質量的0.07%，效果不好則會大于此值。

由此可知，氣體總流量140000 m3/h（質量流量181439 kg/h）595 kPa(A)時的空氣當中所含氣態水為：0.235%/1.6=0.1469%，質量為266.5 kg；帶出的液態水質量為：127.18 kg；液態水為氣態水一半左右。

而空塔流速增大，會導致液體霧沫化（液體表面膜擾動）程度加大，進而導致出口帶粒子水截面積比例值上升，從而帶水量激增。所以實際上空冷塔帶水由飽和氣態和微小直徑液態水兩部分組成，而飽和氣態水由壓力與溫度決定，微小直徑液態水則是由氣體流速、分布器氣體通道率、上升氣氣液分離空間高度、出口除霧器效果等幾個因素決定。

影響預冷系統降溫效果的因素很多，如：噴淋水量、噴淋設備的結構、設備的傳熱傳質效率等等。其中關鍵的因素是水—氣比，即噴淋水量與氣體流量的比值。因為氮氣的飽和含水量是有一定限度的，所以在水冷塔中水溫能夠降低的程度，首先取決于水—氣比。水—氣比大時，水的溫降數值小，因而空氣不可能被冷卻到比較低的溫度；水—氣比小時，水氣之間的接觸面積小，傳熱、傳質條件差，空氣溫度也難以降低。因此應有最佳水—氣比存在，此時空氣被冷卻后的溫度達最低值，若忽略了這個原理，水冷塔的噴啉水量在設計中沒有優化到最佳值，將降低氮水預冷系統的降溫效果。水冷塔的降溫效果越好，空分裝置的能耗越低。

3 預冷系統外加冷源的選取

空氣分離設備的進氣溫度取決于季節、氣候、安裝地點及對空氣的預冷程度。冷箱內進氣溫度升高將使得：（1）對于外壓縮流程來說，先進溫節流效應下降，膨脹空氣量增大，產品能耗增加，內壓縮則影響不大；（2）純化系統吸附器工作條件惡化，清除H2O的負荷加重；（3）主換熱器熱負荷增大，換熱面積增大；（4）空氣分離設備的工況趨于不穩定，采取措施降低空氣分離設備的進氣溫度，具有很好的經濟價值，所以設置預冷系統降低進氣溫度是一項有效的經濟、節能措施。

大型空分的預冷系統一般均采用氮水預冷系統，且與壓縮機的末級冷卻器合并，即取消末級冷卻器，將其熱負荷移到空冷塔中，空氣在空冷塔下部被常溫冷卻水冷卻，再經上部低溫冷凍水進一步冷卻低溫冷凍水來自水冷塔，在水冷塔中，水被空分返流的干燥污氮氣（部分水汽化，使污氮氣飽和）冷卻。這就是直接接觸式氮水預冷系統的工作原理。

在流程組織型式上，氮水預冷系統可分為兩類：即有外加冷源和無外加冷源的預冷系統，其中有外加冷源的預冷系統又可按冷源的不同種類分為：冷水機組提供外加冷源和液氨蒸發提供外加冷源兩種，而液氨蒸發提供冷源適合于有液氨條件的化工行業廠家（設計時要求滿足無氨工況運行）。對于大型空分裝置的預冷系統是否需要外加冷源，即當氮氣產品量與氧氣產品量之比小于1時，僅靠水冷塔降低水溫，就能將出空冷塔空氣溫度降至12℃左右時，可采取無外加冷源的預冷系統，而當無外加冷源的前提下出空冷塔空氣溫度較高時，雖然亦可采用增加分子篩用量，加大主換熱器的換熱面積等措施組織流程，但與增加外加冷源的流程相比有以下不足之處：首先從制冷的基本理論而言，有外加冷源的低溫制冷循環，由于進氣溫度降低而循環的經濟性提高，因為其在較高溫度下的制冷量通過低溫制冷循不被轉移到低溫下，而同樣數量的冷量在低溫下的品質更高，即獲得同樣多的冷量，溫度越低消耗的功越多（當然還與制冷機組的COP值有關）。其次，無外加冷源的條件下，由于進純化系統吸附器的溫度較高，分子篩吸附劑用量提高，再生氣量增加，去水冷塔的污氮量減少，出空冷塔的空氣溫度上升，預冷、純化系統相互關聯影響，在夏季氣溫較高的惡劣條件下，若無外加冷源，預冷、純化系統的穩定運行，將缺乏有力的保障。

一般有外加冷源有以下幾種：

（1）制冷劑為氟利昂

氟利昂在低壓下到達飽和溫度后蒸發吸熱，制冷機組就是利用這一特性進行制冷。采用氟利昂為工質的制冷機組的壓縮機有活塞機和螺桿機和離心式三種。活塞式適合小型機組，價格較為便宜；離心式適合較大型機組，在空分當中應用不多；螺桿機工作時間長，制冷量范圍較大，應用范圍最廣。對于螺桿機來說，雙螺桿需要噴油潤滑，壓縮工質與潤滑油是混合在一起的，采用內置油分離器將其與制冷劑分離；單螺桿只需少量要冷凍機油即可，其制冷劑是干凈的，價格較占優勢；蒸發器有干式和滿液式兩種，同時可增加熱回收。

氟利昂工質的制冷機組在空分設備中的應用主要有三種，即氣量小無氮水預冷系統時采用冷氣機組，有氮水預冷系統且需要配置外加冷源時選擇冷水機組，在空分裝置流程換熱需要配置外加冷源時選擇低溫冷氣機組。

其中冷水機組要求蒸發器冷凍水和冷凝器冷凍水運行時水量不能增長太大，否則壓力損失較大，一般壓力損失為30～90 kPa，且機組越小阻力越大；同時機組啟動要求冷凝器冷卻水溫不低于25℃，這點對于北方地區冬天啟動時需要設置外來熱水。冷水機組對水質要求也較高，蒸發側冷凍水污垢系數0.018 m2·℃/kW，冷凝器冷卻水的水質要求污垢系數0.044 m2·℃/kW；水質差時會影響換熱，從而影響制冷機組的COP，一般螺桿式冷水機組制冷范圍為41.86萬kJ/h～837.36萬kJ/h。

低溫冷氣機組制冷工質為氟利昂（主要成分為CCl2F2），采用真空泵抽真空壓力一般為80 kPa(A)，溫度可以到238 K（蒸發溫度）,一般制冷最低溫度只能到243 K，當然為了有調節余量，可以對廠家提出適當低1 K左右的要求。

（2）制冷劑為液氨

液氨一般是1700 kPa(G)，45℃節流到500 kPa(G)左右（蒸發溫度5℃左右），如果100 kPa(G)左右的話蒸發溫度會到-20℃，這樣會導致冷凍水凍結在氨蒸發器內。所以應用氨蒸發器最重要的是控制好壓力。同時要滿足無氨工況運行（即設置空冷塔節流去水冷塔流路），制冷量可大可小，對于有液氨的業主液氨制冷較為經濟劃算。

（3）制冷劑為溴化鋰水溶液

溴化鋰吸收式冷水機組，有蒸汽，熱水和直燃型。根據熱水或者蒸汽溫度高低，分為低溫水系（88℃～83℃），高溫水系（130℃～110℃），根據利用次數，分為單效（熱水進口溫度88℃）和雙效（進口熱水溫度120℃以上）兩種。單效即只利用一次，適合溫度在88～120℃時的熱水或者120℃以下的蒸汽，一般壓力在800 kPa(G)以下；雙效即利用兩次，第一次利用完后熱源溫度依然能夠滿足要求，還可以利用第二次（即兩個蒸發器，兩個冷凝器串聯），一般蒸汽要求130℃以上，同時量要求大，對于有工廠廢氣余熱的業主應用溴化鋰冷水機組的較為劃算，其制冷量范圍為：251.2萬kJ/h～2512.1萬kJ/h。

溴化鋰吸收式制冷其特點是使用壽命比壓縮式短；節電不節能，耗汽量大，熱效率低；機組長期在高真空下運行，外氣容易侵入，若空氣侵入，造成冷量衰減，故要求嚴格密封，給制造和使用帶來不便；機組排熱負荷比壓縮式大，對冷卻水水質要求較高；溴化鋰溶液對碳鋼具有強烈的腐蝕性，影響機組壽命和性能。

但是利用低品位的廢熱制冷，是溴冷機的優勢。

（4）裝置低溫氣體冷源

空分裝置本身就是制冷機（膨脹制冷），只不過冷量品位較高，能耗也較大，所以一般不會成為常溫制冷的首選，但是一些情況下會出現冷量浪費或者閑置，利用空分裝置冷源也可以節省投資，在量不大的情況下也是可以利用的。例如對于內壓縮流程當低壓板式的流量較小時，采用混合式板式（均為高壓，純化器后空氣在286 K進入，這樣利用了一部分熱源，換熱更充分），但是污氮氣要求滿足再生氣體條件，則是需要在283 K時中抽，這樣會給裝置帶來一部分換熱不足冷損；再如外壓縮流程無冷水機組的流程，膨脹機增壓端需要一股冷源將增壓空氣冷卻到15℃，這種情況下采用一股5℃的氮氣或者污氮氣與之換熱（有一定冷損由膨脹機補償，當然一般這種裝置產液比例小），即可滿足裝置運行，也不需要外設冷源。

4 常見預冷系統故障

4.1 低溫水垢的形成

在pH值為8.8的條件下冷卻水中將有大于10的碳酸氫根轉化為碳酸根。在這種情況下冷卻水中的碳酸根離子含量將大于25 mg/L，超過水質控制指標5 mg/L的5倍，致使水中的CaCO3含量在0℃至40℃范圍內遠遠超過其溶解度而以價穩狀態存在于水中，這時水質和外界條件的微小變化將導致CaCO3的結晶析出。因此長期使用的水冷卻塔塔內壁、塔內件表面以及附屬管道中將附著大量的低溫水垢阻塞冷卻水通道影響水冷卻塔的換熱效果。

處理方法為：

（1）正常情況下水質穩定劑是通過對鈣、鎂離子、離子組合物作用和對碳酸鈣的微晶核的分散作用擴大了碳酸鈣的介穩區而保持運轉條件下的水質穩定。由于阻垢劑均為水溶性高分子化合物基鈣、鎂離子組合物在水溫降低時溶解度均下降有關實驗早已證明有機磷型藥劑在高鈣低溫冷卻水中會發生藥劑沉淀。因此在水處理藥劑在低溫條件下，其鈣鎂化合物發生沉淀。另外碳酸鈣在0℃時溶解度為20℃的兩倍，碳酸鈣的低溫溶解提高了低溫水的鈣離子含量，進一步強化了水處理藥劑的沉淀作用。

（2）采用離子靜電水處理器。通過分析進出水冷卻塔的水中的鈣離子含量調整靜電處理器電流大小，在靜電場的作用下在結垢系統中能破壞分子之間的結合，改變晶體結構、促使硬垢疏松增加水的偶極距，提高了水垢的溶解速率，使已經生成的水垢逐漸剝離、脫落，達到除垢的目的。

4.2 空冷塔帶水原因

一般空冷塔帶水原因有：

（1）壓力變化導致流速過快，過快的調節閥門。

（2）操作不當(或者誤操作原因)，當用空氣做加熱氣體時候。

（3）水質不好，在水處理時加藥不當，造成冷卻水含有大量泡沫，其根本原因是在于循環水加藥后產生大量泡沫，水中的泡沫附著在填料上，減少了傳熱面積，增加了塔的阻力，另外水泡的密度遠小于水滴，在從上而下的氣流托持下很難下落，從而加劇了霧沫夾帶，使得帶水更加嚴重。

（4）空冷塔水位偏高液位計失靈造成空冷塔出水閥門關閉。

（5）冷卻水或冷凍水進水量過大。

帶水情況判斷：

（1）空冷塔出水溫度變化。

（2）分子篩CO2迅速超標。

（3）分子篩阻力增大，分子篩前后壓差增大。

（4）換熱器阻力增大，表現為下塔壓力下降，空壓機壓力不變，在這個時候操作工會誤以為空壓機跟不上而去采取開大進口導葉等措施。

（5）純化系統放空消音器有水滴噴出，下部排放閥有大量水或下塔排放閥有水噴出內壓縮空分中，由于分子篩之后設置一臺增壓機，及冷箱內下塔一般設置一個液空節流去上塔的閥門，所以更應該小心仔細。

處理措施：

（1）打開分子篩進行檢查，如果白色失效的顆粒過多，或者分子篩被浸泡時間過長，及粉碎顆粒過多，則應考慮更換新分子篩。

（2）如果沒有過分粉碎則可以進行干燥再生，一般經過幾個周期能恢復到正常情況。活化時要注意先用大氣流冷吹，或者首先用低溫度干燥，把水吹干凈時再活化。

為防止空冷塔帶水進分子篩吸附器事故的發生，應該做到：

（1）空分啟動后，要盡早把各種保護性聯鎖投入使用，以便能夠及時發現問題。

（2）進空冷塔的水量要嚴格控制在設計范圍之內，不要隨意加大進水量，防止因為空冷塔變負荷能力不足帶水。

（3）在啟動過程中，要緩慢控制進塔空氣量，防止壓力波動過大；控制出上塔壓力的閥門也要緩慢開關，主要有氮氣去水冷塔、污氮氣去水冷塔閥門等。

（4）在啟動過程中，要經常進行巡檢，能夠及時發現外面的異常情況，建議半小時或一小時一次。

（5）循環水的處理要由專業廠家來進行，要避免水中出現大量泡沫及其他雜質，造成空冷塔的堵塞。

（6）循環水的壓力要盡量保持穩定，如需切換循環水泵要及時通知空分操作人員注意監控。

（7）空分停車時要及時關閉空氣冷卻塔水排放閥門，防止因止回閥質量不好，使回水管路倒灌空氣空冷塔及空壓機管道。

（8）如果有條件，可以考慮增加一套現場監視系統，以便在主控室能及時發現現場異常情況。

（9）要考慮在分子篩下部管道的最低處增設排放閥門，能夠經常排放分子篩析出的水。

（10）空冷塔設計時盡量采用槽式布水器，并有足夠的分離空間，以增加空冷塔變負荷的能力。

5 結束語

當前一般空分設備設計當中，對于預冷系統，空冷塔采用直接接觸空冷塔，降低空氣溫度，改善分子篩的工作環境，同時洗滌空氣中的機械雜質和酸性氣體；采用高效低阻散堆填料塔，既保證了塔的換熱性能，又減少了阻力，降低了空壓機出口壓力，從而降低了能耗；液體分布裝置采用新型、高效、先進的分布器，使水與空氣充分的接觸，保證塔的換熱性能，減少冷凍水量，從而降低了能耗；分布器采用三位一體防帶水結構，使液體分布更加均勻，而氣體通量在50%以上，大大降低了帶水可能性；分布器上端設有兩段自由分離游離水空間；在頂部設有絲網除霧器，確保空氣出空冷塔不帶水。水冷塔采用高效規整填料塔，充分回收污氮的冷量。冷凍水泵、冷卻水泵采用國內可靠產品，且均為一用一備，保證裝置的可靠性。

圖4 保冷箱密封氣裝置示意圖

在2013年8月份，制氧機系統檢修時為了驗證加裝密封氣裝置的效果，打開了保冷箱的頂端人孔，并未發現保冷箱內珠光砂有結冰和潮濕現象。

3 總結

通過40000 m3/h制氧機組實施的一些小改進，沒有再出現因油溫高聯鎖故障而影響機組正常運行，有力地保證了生產的安全穩定長周期經濟供應。截至目前，該套大型空分設備一直運行穩定，沒有進行過機組大修，各方面經濟指標也位于全國同類機組的前列。

[1]湯學忠，顧福民.新編制氧工問答[M].北京:冶金工業出版社，2007．

[2]胡聲輝.150 m3/h制氧機的幾點改進[J].深冷技術，2002，(3)：37-39．

[3]程大雪.淺談空分裝置的長期穩定運行[J].一重技術，2006，(2)：56-57.

收稿日期：2013－12－30

作者簡介：侯成濤（1977－），男，1999年畢業于華東冶金學院機械設計及制造專業，工程師，現主要從事設備管理與檢修工作。

The Design of Precooling System for Air Separation Unit

JIANG Xu,JIANG Chubiao,XU Weimin,DING Yousheng,ZHAO Xiaoying
(Zoko Energy Equipment CO.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310052,China)

The importance of precooling purification system is introduced and the design of impurity removal and precooling performance for general air separators is described in detail.As precooling of air separators plays a paramount role in the complete process flow,organizing and designing suitable precooling system can not only meet the needs of process but also reduce investment and operation costs as well as bring economic benefit.

air separator;precooling system;design

TB657.7

B

1006-6764(2014)04-0023-05

2013－11－25

蔣旭（1983－），男，2009年畢業于西安交通大學過程裝備與控制工程專業，工程師，現從事大型空分設備的設計及研究工作。