100 000 Nm3/h空分純化系統(tǒng)切換對(duì)精餾工況的影響分析和操作優(yōu)化

范元明

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán) 煤制油分公司，寧夏回族自治區(qū) 靈武 751400)

1 前 言

10萬(wàn)Nm3/h空分裝置[1]純化系統(tǒng)采用立式徑向流分子篩吸附器[2]，具有阻力小、再生耗能低、占地面積小、分子篩使用壽命長(zhǎng)、熱應(yīng)力小的特點(diǎn)。前端凈化系統(tǒng)的自動(dòng)切換通過(guò)順序控制系統(tǒng)[3]自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，使兩只吸附器交替工作，定時(shí)自動(dòng)切換。純化切換對(duì)空分整體工況都有影響，包括機(jī)組負(fù)荷、各單元設(shè)備參數(shù)等。這里僅就純化切換對(duì)空分精餾系統(tǒng)的影響，以及優(yōu)化調(diào)整操作進(jìn)行討論分析。

2 純化切換流程及精餾流程簡(jiǎn)述

2.1 純化切換流程

空氣經(jīng)進(jìn)口過(guò)濾器過(guò)濾機(jī)械雜質(zhì)，空壓機(jī)壓縮，預(yù)冷系統(tǒng)預(yù)冷后，空氣中的雜質(zhì)(水蒸氣、CO2、N2O、CnHm)進(jìn)入兩臺(tái)裝有LMS930型分子篩的吸附器A/B中的一臺(tái)被吸附。當(dāng)吸附器A吸附周期結(jié)束時(shí)，吸附器A、B之間的均壓閥打開(kāi)，對(duì)吸附器B均壓。均壓閥由程序控制，均壓持續(xù)時(shí)間18 min，均壓閥由0開(kāi)至100。純化出口壓力與吸附器B壓力之差小于30 kPa，均壓合格。進(jìn)入1 min切換準(zhǔn)備步驟，均壓閥自動(dòng)關(guān)閉，吸附器B打開(kāi)進(jìn)出口閥，吸附器A、B同時(shí)吸附。之后進(jìn)入1 min切換步驟，吸附器A關(guān)閉進(jìn)出口閥，進(jìn)入再生步驟，吸附器B進(jìn)入吸附步驟。此時(shí)，純化系統(tǒng)完成了由吸附器A切換至吸附器B工作，切換完成。空壓機(jī)、增壓機(jī)的導(dǎo)葉，由純化出口流量及壓力控制，在切換的過(guò)程中可以穩(wěn)定加工空氣量。

1. 進(jìn)口過(guò)濾器；2. 空壓機(jī)；3. 汽輪機(jī)；4. 空冷塔；5. 均壓閥；6. 吸附器A；7. 吸附器B；8. 再生加熱器；9. 消音器；10. 冰機(jī)；11. 冷卻水泵；11. 冷凍水泵；12. 冰機(jī)；13. 氮水塔；14. 增壓機(jī)1段；15. 增壓機(jī)2段；16. 氣體膨脹機(jī)增壓端；17. 板式換熱器；18. 氣體膨脹機(jī)膨脹端；19. 液體膨脹機(jī)；20. 發(fā)電機(jī)；21. 過(guò)冷器；22. 高壓氮泵；23. 壓力塔；24. 主冷凝蒸發(fā)器；25. 粗氬冷凝器；26. 粗氬塔；27. 循環(huán)液氧泵；28. 高壓氧泵；29. 低壓塔

圖1空分工藝流程

Fig.1 Air separation process

2.2 精餾系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)述

壓力塔工藝流程：純化出口的一部分空氣進(jìn)入鋁制板翅式換熱器主換熱器[4]被污氮?dú)夂彤a(chǎn)品空氣冷卻至露點(diǎn)與膨脹空氣進(jìn)入壓力塔，另一部分進(jìn)入增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮，并分為兩段。一段空氣經(jīng)氣體膨脹機(jī)膨脹增壓端增壓，后冷卻器冷卻后進(jìn)入主換熱器，從中部抽出，送往透平膨脹機(jī)膨脹制冷。二段空氣增壓至所需壓力，進(jìn)入主換熱器，之后送至液體膨脹機(jī)，進(jìn)入壓力塔中部。空氣在壓力塔進(jìn)行分離，頂部得到純氮?dú)猓撞康玫礁谎跻嚎铡毫λ敳康獨(dú)膺M(jìn)入位于壓力塔頂部的多層浴式主冷凝蒸發(fā)器[5]被冷凝為液氮。其中一部分液氮作為壓力塔回流液，另一部分經(jīng)高壓氮泵升壓，送入板式換熱器，復(fù)熱后進(jìn)入高壓氮?dú)猱a(chǎn)品管網(wǎng)。剩下部分液氮作為液氮產(chǎn)品經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷去后備液氮儲(chǔ)槽。壓力塔頂部的純氮?dú)饨?jīng)過(guò)主換熱器復(fù)熱后，經(jīng)外置氮?dú)鈮簷C(jī)壓縮至所需壓力送入低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)。

低壓塔工藝流程：來(lái)自壓力塔中部的污液氮，經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后，節(jié)流進(jìn)入低壓塔頂部，為低壓塔提供回流液。來(lái)自壓力塔中部的液空，經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后，節(jié)流送入低壓塔中部作為回流液。低壓塔底部的液氧，一部分由液氧循環(huán)泵送至主冷凝蒸發(fā)器被汽化為氣氧，返回低壓塔底部作為上升氣，另一部分由高壓氧泵升壓至所需壓力，再經(jīng)主換熱器復(fù)熱后送入高壓氧氣管網(wǎng)，剩余的液氧產(chǎn)品經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后送去后備液氧儲(chǔ)槽。低壓塔頂部的污氮?dú)猓ㄟ^(guò)過(guò)冷器、主換熱器將冷量傳遞給液氬、液空、富氧液空、氧氮產(chǎn)品等，復(fù)熱后出冷箱。復(fù)熱后的污氮?dú)庖徊糠肿鳛榉肿雍Y吸附器的再生氣，另一部分送往氮水塔作為冷源冷卻循環(huán)水。

粗氬塔工藝流程：來(lái)自低壓塔中部的富氬氣體作為粗氬塔的原料氣，在粗氬塔頂部氣體在粗氬冷凝器中與來(lái)自壓力塔的富氧液空進(jìn)行換熱，被冷凝作為粗氬塔的回流液。不凝氣體通過(guò)主換熱器復(fù)熱后放空。粗氬塔底部的液體回流至低壓塔中部進(jìn)一步精餾。

3 純化切換對(duì)精餾系統(tǒng)的影響分析

3.1 純化切換期間及切換后對(duì)壓力塔工況的影響

當(dāng)分子篩進(jìn)入切換步驟時(shí)，均壓閥打開(kāi)，向另一臺(tái)吸附器B充壓時(shí)，純化出口流量降低，空壓機(jī)的導(dǎo)葉是由DCS純化出口流量及壓力自動(dòng)控制并逐漸開(kāi)大。均壓時(shí)，上下塔的壓力均有下降，進(jìn)入壓力塔的空氣量減少，主冷凝器負(fù)荷降低，冷凝液氮量減少，相應(yīng)地在蒸發(fā)側(cè)的液氧蒸發(fā)量也減少了。壓力塔塔中部的氧含量下降，壓力塔塔溫也有下降。壓力塔的液氣比較之前工況增大，所以液氧面會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)上升的現(xiàn)象。待切換完畢，純化出口空氣會(huì)帶有一定量均壓時(shí)產(chǎn)生的分子篩吸附熱及加熱余熱，純化出口溫度會(huì)有升高。壓力塔和低壓塔塔壓力及進(jìn)塔空氣量恢復(fù)正常后，壓力塔塔中部氧含量，上塔去粗氬塔富氬氣氧含量上升，壓力塔液位會(huì)下降到正常水平。

圖2 純化切換對(duì)壓力塔影響

圖3 純化切換對(duì)低壓塔影響

3.2 純化切換對(duì)加工氣量及產(chǎn)品純度的影響

切換期間，進(jìn)塔空氣量減少，壓力塔上升氣減少，主冷負(fù)荷降低，液氧側(cè)蒸發(fā)量減少，低壓塔上升氣減少。上下塔液氣比增大，低壓塔中部抽出去粗氬塔富氬空氣中氮組分增加、氧含量降低，出現(xiàn)輕微粗氬塔氮塞[6]現(xiàn)象，高壓氧氣純度也有下降。待加工氣量恢復(fù)正常，主冷負(fù)荷、液氣比恢復(fù)后，富氬空氣氧含量正常，高壓氧氣產(chǎn)品純度也回升至正常，粗氬塔氮塞現(xiàn)象消除。

圖4 純化切換對(duì)產(chǎn)品純度影響

4 優(yōu)化操作方案

純化切換對(duì)于100 000 Nm3/h空分100%負(fù)荷工況的影響，純化會(huì)引起氧產(chǎn)品純度的短期下降和粗氬塔氮塞現(xiàn)象。在實(shí)際操作過(guò)程中，以下措施可以在純化切換期間起到改善工況的作用：

1.在純化均壓步驟開(kāi)始時(shí)，增加純化出口流量及壓力設(shè)定值，以控制機(jī)制導(dǎo)葉補(bǔ)充吸附器均壓時(shí)減少的進(jìn)塔空氣量，穩(wěn)定壓力塔、低壓塔液氣比，改善工況，穩(wěn)定產(chǎn)品純度；2.通過(guò)開(kāi)大去上塔污液氮流量，來(lái)提高壓力塔液氣比至切換前比值，穩(wěn)定下塔中部溫度和液空純度，改善精餾工況；3.減少進(jìn)粗氬冷凝器富氧液空流量，增加液空進(jìn)上塔流量。

5 總 結(jié)

純化切換過(guò)程對(duì)精餾系統(tǒng)的影響，主要是因?yàn)榧庸饬康臏p少，主冷負(fù)荷下降，壓力塔和低壓塔液氣比增大，影響了壓力塔的精餾工況。而壓力塔工況是氬塔和低壓塔工況的基礎(chǔ)，壓力塔工況的變化進(jìn)而影響了氬塔和上塔的精餾工況。要保證產(chǎn)品純度，控制的關(guān)鍵是保證壓力塔和低壓塔的液氣比能夠維持在純化切換前的正常工況水平。增加進(jìn)塔空氣量或改善壓力塔、低壓塔冷液相分配，可以避免精餾工況的惡化甚至被破壞。