空分設備預冷系統的工藝設計

李牧聲 王帥（浙江省天正設計工程有限公司，浙江杭州310012）

空分設備預冷系統的工藝設計

李牧聲 王帥（浙江省天正設計工程有限公司，浙江杭州310012）

空氣預冷系統是空分設備重要的組成部分，它位于空壓機系統和分子篩吸附系統之間，主要用來降低空壓機內的空氣溫度，并及時將空氣中的硫化物沖洗干凈，達到凈化空氣的目的，從而讓空氣進入到分子篩吸附系統中。因此，空氣預冷系統對整個空分設備運行十分關鍵，必須做好預冷系統的工藝設計，確保空分設備的經濟性和科學性。

空分設備；預冷系統；工藝設計

隨著冶金、化工等行業的快速發展，對大型空分設備的要求越來越高，空分設備逐漸向精細化、系統化方向發展。預冷和純化系統作為原料進入到冷箱中的常溫處理工藝，是空分設備重要的組成部分，一旦預冷系統出現問題，則會影響到整個空分設備的運行效果。因此，預冷系統設計對整個空分設備的設計至關重要。

1 空冷系統運行原理

空壓機的高溫空氣進入到空氣冷卻塔下部，并與水泵的常溫冷卻水在冷卻塔下部逆流接觸，并進行熱質交換，將高溫空氣逐漸冷卻，并再次上升到冷卻塔上部與自來冷卻塔的低溫冷卻水進行熱質交換后進入到空冷塔的分子篩吸附系統。這個時候的冷卻水分兩個部分，一部分進入到水冷塔與氮氣進行熱交換并作為低溫冷卻水進入到空冷塔上端，另外一部分直接進入到空冷塔中部。兩部分冷卻水與空氣換熱以后從冷卻塔匯集排出。空冷系統在空分設備中廣泛應用，取消了原來的冷水機組，并用冷水塔代替，并利用空分設備空冷系統運行過程中產生的污染氮氣吸濕性降低水溫。不同的空分設備運行要求不同，有的提供的水冷塔污氮含量比較少，所以需要冷水機組制冷。

2 預冷系統性能設計

空分設備大多數用于冶煉、化工等生產過程中，所以空氣中的化學物質比較多，比如一氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、硫化物、氮氧化物等雜質。這些雜質經過冷卻塔后，有些雜質如一氧化氮等不能被分子篩吸收。通常情況下，在設計的時候，分子篩純化器的進氣溫度小于15攝氏度。如果以12攝氏度為設計點，裝置在運行時出現故障，那么冷卻塔出口溫度可能超過12攝氏度，那么出口空氣中含水量的溫度就會達到設計溫度的二倍。噴淋系統、噴淋設備的結構以及設備的傳熱性能等因素是造成預冷系統溫度升高的主要原因，其中最關鍵的就是水汽比，也就是噴淋水量和氣體流量的比值。氮氣的飽和含水量是有一定限值，所以冷卻塔中的水溫降低的速度主要取決于水氣比，水氣比小，則水氣之間接觸面積小、傳熱效果不佳，空氣溫度下降效果差。在設計的時候，很容易忽略這個問題，沒有及時將冷卻塔中的噴淋水量進行優化，影響到冷卻水的降溫效果。

3 預冷系統外加冷源

季節、氣候、安裝地點等因素決定了空分設備預冷系統對空氣的預冷程度。如果冷箱內進氣溫度升高，則會影響到預冷系統的降溫效果，冷箱內膨脹空氣量增減，設備能耗增減，純化系統吸附器件的運行環境惡化，主換熱器熱負荷增大，空分設備的運行不穩定，所以必須采取一定的措施降低空分設備的進氣溫度。空分設備的預冷系統一般采用氮水預冷系統，并將其與壓縮機的末級冷卻器合并。這種組裝方式稱為直接接觸式氮水預冷系統。氮水預冷系統分為有外加冷源和無外加冷源兩種。大型的空分設備預冷系統是否需要外加冷源則根據氮氣產品量與氧氣產量量比例決定，如果兩者比例小于1，依靠冷卻塔就能達到降低空氣體溫度的目的，那么不需要添加外加冷源。如果沒有外加冷源的情況下，進純化系統吸附器的溫度比較高，則提高了分子篩吸附劑的用量，再生氣量減少，冷卻塔的污氮量相應減少，排出空冷塔的氣體溫度則提高了。在夏季溫度比較高的情況下，如果沒有外加冷源，則會影響到預冷系統和純化系統的運行效率。因此，一般需要外加冷源，常見的外加冷源有以下幾種：氟利昂、液氨、溴化鋰水溶液等。氟利昂在低壓狀態達到一定的飽和溫度時，會吸收熱量并蒸發，制冷機組利用氟利昂的這一特點進行制冷，低溫冷氣機組制冷劑為氟利昂時，真空泵抽真空壓力為80KPa,蒸發溫度為238K,制冷最低溫度在243K就能調節余量，所以設計的時候，要降低1K。液氨一般1700KPa（G）下，溫度在45攝氏度節流到500KPa（G），那么蒸發溫度為5攝氏度，如果是100KPa（G）蒸發溫度則會降低到零下20攝氏度，將冷卻水凍結在氨蒸發器中，所以必須控制好氨蒸發器的壓力。溴化鋰溶液能夠利用低品位廢熱進行制冷，制冷范圍在252.2萬KJ/h-2512萬KJ/h，但是用于溴化鋰溶液具有很強的腐蝕性，影響到機組的設備和使用性能。

4 結語

空分設備預冷系統設計過程中，空氣塔可以通過直接接觸空冷塔、降低空氣溫度；液體分布采用新型的分布器，讓水和空氣充分接觸，保證冷卻塔換熱性能，從而降低空分設備的能耗，提高空分設備的性能。

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