某空分裝置氮氣純度波動分析與改進

史斌豪,陳雁,喬青春

(中國石油廣東石化公司,廣東 揭陽 515200)

某空分裝置采用分子篩凈化及空氣增壓膨脹機制冷的全低壓精餾工藝。設計產量為氮氣13 000 Nm3/h,氧氣6 000 Nm3/h。現已運行20余年,運行工況已偏離裝置設計,主要表現為每到夏季由于氣溫升高、空壓機段間冷卻器換熱效果差等原因造成空壓機出口壓力下降,打氣量不足,在裝置剛開車時空壓機出口流量在36 000 Nm3/h,而現在氣量不足32 000 Nm3/h,出口壓力在每天早晚間相差20～30 kPa,導致空分裝置負荷波動較大,最終導致氮氣純度波動。具體數值見表1。

表1 負荷變化數據表

從以上參數不難看出,整個7～8月期間空壓機出口流量只有設計值的84%,整個裝置負荷只有82%,出塔氮氣產品只有設計值的67%。整個裝置處在低負荷區間內運行,由于空壓機打氣量不足,導致整個精餾塔內壓力偏低,系統抗擾動能力變差。

1 工藝流程簡介

空氣分離是利用低溫液態空氣中各組分沸點的不同,通過精餾工藝實現氧、氮組分的分離,裝置采用分子篩凈化及空氣增壓膨脹機制冷的全低壓精餾工藝。生產能力為氮氣13 000 Nm3/h,氧氣6 000 Nm3/h。裝置由空氣壓縮、空氣預冷、空氣純化、增壓膨脹機、精餾塔及氮氣壓縮等系統組成,其中精餾塔分上下兩部分,采用集散控制系統對生產工藝進行控制和管理。

自空氣壓縮機來的壓縮空氣進入預冷系統,在一臺直接接觸式的空冷塔中被噴入的水逆流冷卻、洗滌后,經過空冷塔頂部的除沫器除去水霧后,送入分子篩吸附器。

自預冷系統來的空氣通過分子篩吸附器,先由活性氧化鋁吸附掉空氣中的水份,然后由分子篩吸附掉空氣中的二氧化碳后,送入增壓膨脹機及精餾系統。2臺分子篩吸附器每4 h切換一次,一臺運行時,另一臺解吸再生。

純化空氣經下塔的精餾,在頂部獲得氮氣,經主冷凝蒸發器冷凝。由主冷凝蒸發器冷凝的液體一部分做為下塔的回流液,一部分經過冷器過冷后,再節流后作為上塔回流液送至上塔頂部。在下塔底部得到的富氧液空,經過冷器過冷后,節流至上塔中部參與精餾。

經上塔精餾,在頂部得到產品氮氣,在上部得到污氮氣。氮氣及污氮氣經過冷器,主熱交換器組復熱。復熱后氮氣經氮壓機提壓后送往用戶管網,而污氮氣作為再生用氣。在上塔底部得到氧氣,經主熱交換器復熱后送用戶。圖1為工藝流程簡圖。

1.主換熱器;2.過冷器;3.下塔;4.冷凝蒸發器;5.上塔;6膨脹機;7氮壓機。圖1 工藝流程簡圖

2 氮氣純度波動現象分析

空分裝置在近期的操作過程中發生氮氣氧含量超標,氮氣放空的問題。氮氣氧含量逐漸升高并超標的主要時間集中在每天下午的16∶30～20∶00之間。發生波動時的各量變化如圖2～4所示。

圖2 純度波動前各量

圖3 純度有上升趨勢時各量

圖4 純度波動時膨脹量及回流閥開度

由以上趨勢看出:下午16∶00,由于環境溫度升高,空壓機氣量降低,分子篩又處于升壓狀態,產品氮氣純度開始升高(3 mL/m3升到5 mL/m3,氮氣中微量氧,下同),為了防止氮氣純度進一步惡化采取了稍開液氮回流閥HC1(62.9%開到62.2%)和污液氮回流閥HC2(73.9%開到73.4%)用來增大上塔回流液。氮純度處于(5～6 mL/m3)之間波動。為了使氮純度有所好轉,開始減氮氣取出量(8 800減到8 200 Nm3/h),增加氧氣流出量(5 100增加到5 400 Nm3/h)。此時觀察氮氣純度穩定十幾分鐘后繼續走高,被迫減膨脹空氣量(2 780減到2 630 Nm3/h),增加污氮氣流量(PIC1207由18.5改到18.0 kPa)氮氣純度仍不見好轉于16∶48超工藝指標,在氮氣退出管網,懷疑液氮減少因此稍關(HC1和HC2閥)無效后把(HC1和HC2閥)重新開大至(HC1: 62.0% HC2:73.0%)之后氮純度開始好轉。當氮純度達到6 mL/m3時,于19:40氮氣并管網。

整個操作過程最終導致氮氣產品純度超標,氮氣被迫退出產品管網3 h,并影響氮氣管網壓力,對后續生產裝置運行造成威脅,該問題急需解決。

3 原因分析

空壓機出口壓力。夏季氣溫高,每天下午16∶00左右一天當中氣溫最高,空壓機作功效率明顯偏低,當氣溫升高時空壓機放空閥全關,四級出口壓力下降。雖保證了原料氣的流量但壓力始終偏低,同時,由于空壓機二、三級冷卻器氣相疏水器效果不佳,旁通導淋始終在打開排水,也造成一部分氣體隨凝水一并排出,降低了空壓機出口壓力。

污氮取出量小的話也會造成氮氣純度變差,分子篩開始加熱初期污氮氣放空閥PIC-1207大范圍波動,影響上塔壓力的穩定。當下午16:00左右分子篩切換時,PIC-1207的波動影響上塔壓力,該閥門若開度較大會使上塔壓力降低,污氮氣量增加,從而使氮氣純度變好而產量下降。反之,若該閥門開度較小,會使上塔壓力升高,污氮氣量減小,從而使氮氣純度變差而產量增加。

液氮回流閥的調節,調節時過急引起二次波動。HC1,HC2的調節分別是純液氮和污液氮調節閥,通過兩個閥的開關調節上塔回流比的大小。空壓機壓力降低,使得精餾塔上、下壓力降低,同時進入精餾塔的空氣量和膨脹量也同步降低,這時HC1,HC2的調節尤顯重要。正常情況下,下塔精餾工況是上塔精餾工況的基礎,要率先保證下塔工況穩定。

氮氣取出量影響上塔氮氣純度。氮氣取出量變大那就減少點取出量,原氮氣設計產量13 000 Nm3/h,隨著裝置使用時間氮氣取出量逐漸減小,在操作過程中為了確保裝置的穩定運行適當減小氮氣取出量以保證氮氣純度。現在裝置在運行過程中氮氣取出量在9 200～8 500 Nm3/h,在操作過程中可適當增加氮氣取出量,但需要注意,氮氣取出量過大會造成純度下降,需要根據當時工況酌情調整。

輔塔阻力的升高。每天下午14:00左右精餾塔輔塔阻力升高,同時氮氣中氧含量升高,說明此時上塔精餾工況已經破壞。

下塔頂部液氮純度變壞,這是下塔引起的原因。這種情況主要從下塔著手,調節下塔工況,增加加工空氣量或者是關小液氮去上塔的回流閥(HC1),增加下塔的回流比,此操作是要將下塔頂部液氮純度變好。如果系統上有測液空純度或者下塔頂部液氮純度的分析儀表的話,通過純度變化來調節工況;還可以通過液空節流閥的開度來判斷整個下塔的工況,如果下塔回流比增大,在液空回流閥自動控制的情況下閥門會逐漸開大,這時下塔頂部液氮純度會變好,液空純度會變差,反之亦然。

進塔空氣量,由于空壓機打氣量受氣溫影響較大,整個下塔空氣量也會變化,造成整個精餾塔的負荷變化,當加工空氣量增大,主冷液面會先下降后上升,當加工空氣量減小,主冷液面會先上升后下降,這個過程如果調節不當,都會造成氮氣純度波動。

對于膨脹空氣進上塔的空分裝置而言,減負荷操作時膨脹空氣量一定要依次緩慢適時關小膨脹機噴嘴以減膨脹空氣量[1],膨脹空氣量的減少標準應根據物料平衡成比例減少,不要盲目為了恢復氮氣純度,直接將膨脹量降得過低,這會造成氧氣純度及主冷液面波動,反而得不償失。

操作缺乏針對性、及時性和連續性也是造成波動的原因,在裝置負荷發生變化的時候,在調整回流比時下塔液氮純度是一個重要的參考指標,但是分析工從取樣到報告結果要30 min以上,根本無法滿足操作要求,這也是造成操作缺乏針對性的原因。

4 改進措施

負荷在白天的中午就發生變化,而純度要到15 mL/m3時才有反應,等到純度波動再去調節已經來不及了[2]。在生產負荷波動較大時,操作應該根據不同的負荷及時調整工藝,為接下來的操作創造好的條件 ,而在這次的純度波動過程中沒有看到這樣的操作。

根據不同時間的負荷有針對性的進行操作,夜間氣溫低空壓機打氣量大,要加大膨脹空氣量讓主冷多漲液面。中午,氣溫開始升高,要及時調整氧、氮產品取出量和污氮量,以及調整好回流比。到傍晚,繼續根據負荷的變化調整氧、氮取出量和節流閥開度,在氧含量上升較快時要果斷減少膨脹空氣量,但要在保證主冷液面穩定的情況下,避免引起其他波動。

下塔的液氮純度是操作的一個重要參考指標,增加一個液氮純度在線分析表,保證操作有依據且及時有效。一般來說,下塔液氮純度都應該優于產品氮氣純度指標,如:產品氮氣純度為<3 mL/m3,液氮純度也應該<3 mL/m3并優于氮氣純度。在減負荷操作過程中,若發現下塔液氮純度發生變化,有上漲趨勢,說明此時下塔精餾工況已經改變,要及時縮小液氮回流閥HC1,提高下塔回流比,觀察液氮純度能否恢復。同時主冷液面要保持穩定,避免波動,引起其他問題。

從工藝角度來看,本裝置采用膨脹空氣進上塔流程,該流程雖然可以提高氧提取率,但產品氮氣從上塔塔頂取出,受上塔精餾工況影響較大,產品氮氣純度容易發生波動。所以在裝置負荷波動時,要及時縮小液氮回流閥HC1開度,優先確保下塔純液氮純度正常,同時減小氮氣產品取出,增加污氮氣取出,穩定氮氣純度。這里經常容易疏忽的是上塔污氮氣的調整,對于膨脹空氣進上塔,氮氣產品自塔頂取出流程,增加上塔污氮氣取出量,對于產品氮氣、產品氧氣都有幫助。在減負荷操作中,由于膨脹空氣量的降低,裝置液體產量也會有所減少,但主冷液氧液面的控制要滿足主冷板式單元全浸及每班1%～2%液氧排放為準,液氧液位應該避免低于安全限,同時注意主冷乙炔及總烴含量變化及時排液。實際操作中,主冷液氧液面控制應比正常工況時略高,在2 650～2 700 mm為宜,好為裝置加負荷時儲備冷量。

裝置在低負荷狀態下運行,塔內精餾本身就比較脆弱,操作上要更加謹慎,稍有操作不當或監控不到位就可能會前功盡棄[3];對于本裝置而言,上下塔均采用篩板塔,裝置負荷調節范圍本就有限,最低負荷不能低于設計加工空氣量的70%。同時,在操作過程中還要加強崗位DCS監控和現場巡檢,尤其對于空壓機、膨脹機的運行情況要嚴密監控,確保設備工況正常,在安全范圍內運行。

在空壓機打氣量恢復后進行加負荷操作時,一定要注意“一加都加,一減都減”原則,就是指:減負荷操作時,由于整個裝置加工空氣量降低,裝置負荷下降,需要對應降低產品取出量、液體回流量、膨脹空氣量、污氮氣再生量等并按照物料平衡成比例操作;加負荷操作時,整個裝置加工空氣量恢復,裝置負荷回升,需要對應增加產品取出量、液體回流量、膨脹空氣量、污氮氣再升量等并按照物料平衡成比例操作。不可遺漏其中某個環節,造成物料平衡破壞,加負荷沒有加起來,減負荷沒有減下去,都會造成裝置工況偏離,最終引起純度波動。

5 效果驗證

采取以上操作后,當裝置再次發生空壓機打氣量不足時,能夠穩定平穩度過,再沒有發生氮氣放空事故。記錄一個月內10 d中當天氮氣純度最高值作圖(見圖5),可以看到在整個裝置變負荷操作過程中氮氣純度均小于5 mL/m3,產品純度合格。

圖5 產品氮氣純度圖

從趨勢上看,整個操作過程中氮氣純度還微有波動,對于空分裝置變負荷操作,后續還要繼續加強理解和認識,操作過程中注意統一思想,同向調節,觀察分析清楚工況后,再進行調節。

6 結論

經過以上分析及處理,氮氣產品純度能夠穩定在相應指標。需要注意的是,空壓機打氣量的變化對于空分裝置而言實際就是變負荷操作,在裝置設計負荷范圍內,調節需要平穩且有預見性。根據精餾工況和氣溫變化,對于裝置負荷進行穩定緩慢調節[3],給精餾塔一定的反應時間,保證產品純度穩定可控。