KDON-21 000/22 000型制氧機精餾系統優化與實踐

襲鳳君，胥 波，田現德，尚燕平

（萊蕪天元氣體有限公司，山東濟南 271102）

前言

某制氧車間老區現有4套KDON-21 000/22 000型空分裝置，分別為7#～10#制氧機組，采用常溫分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹制冷的全低壓流程。其精餾系統下塔采用篩板塔，上塔、粗氬塔Ⅰ、粗氬塔Ⅱ以及精氬塔均為規整填料塔。機組分別于2004年、2005年投入使用，至今已連續運轉超過17年，機組效率逐年下降，能耗逐年上升。因此，對現有機組進行技術優化非常有必要。

1 運行現狀

空分塔是進行氧、氮、氬分離的主要設備，由于長期運行，機組運行單耗逐漸升高，運行工況惡化，其主要表現為以下幾方面。

（1）篩板塔下塔因篩孔直徑的差異，正常運行時阻力高達16.5～19 kPa，調節困難，使純氮純度波動較大，變負荷能力較差，易發生下塔液泛或液漏，進而影響氬系統生產。

（2）塔內管道及儀表管路支架因材質不同，熱膨脹系數也不同，導致管路嚴重變形或斷裂，出現泄漏、堵塞等問題，數據誤差增大。

（3）由于長時間運行，帶入塔內的雜質堵塞換熱通道，換熱溫差升高，塔內氣體換熱器阻力升高，氧、氮、氬氣體無法正常輸出，塔內壓力進一步升高，分離效果降低，產品質量、產量無法得到保證。

（4）塔體因多次開、停車，受熱應力的作用，塔體垂直度惡化，不能滿足生產工藝要求。

（5）液氬泵冷卻采用排放冷卻，冷量損失大。氬純度破壞后，進行排液處理，造成產量和冷量損失。

2 改進措施

為優化改進空分塔，在進行科學的數據分析比較后，結合實際工藝流程以及國內外空分塔優化的成功案例，最終確定了最佳的改造及工藝布置方案，該方案可以改善下塔氣液介質傳熱傳質效果，并提高儀表數據采集的準確性。

2.1 篩板塔下塔換型改造

下塔工作原理是以塔內的填料或篩板作為氣、液兩相間接觸構件的傳質設備，蒸汽上升，液體下流，在填料的表面和空隙內充分進行熱質交換。

規整填料下塔有以下優點［1］：

（1）與篩板塔相比空隙大，生產能力大，壓降小，持液量小，操作彈性大，幾乎無放大效應，具有很高的傳質效率。

（2）可以適應設計空氣流量70%～120%的流量變化。

（3）在通常情況下其阻力可降低10～15 kPa，進而使空壓機出口壓力下降約10 kPa 左右，減少電能消耗在3%以上。

（4）主塔易于調整，且運行穩定，可以保證純氮純度。

鑒于以上優點，將原有的篩板塔下塔更換為不銹鋼孔板波紋規整填料下塔，改造步驟如下：

（1）拆除原有塔板、漲圈，筒壁內表面磨平施工。

（2）裝氣體分布管、下部橫梁、填料支撐格柵；安裝下部25盤填料；安裝下部填料壓圈、分布器、集液盤、收集器、上部填料支承橫梁、支撐格柵；安裝上部25盤填料。

（3）拆除塔內平臺；安裝上部填料壓圈、分布器；裝焊主冷下部液氮管，內部檢查，封閉人孔管。

2.2 儀表管線優化設計

2.2.1 原有管線敷設弊端

原有工藝中管道、閥門支架焊接于冷箱壁，采用不銹鋼角鋼、鋼管等。由于管道、塔體與支架材質不同，熱膨脹系數不同，塔體的沉降受到了支架的約束，造成管道變形、拉斷，閥門卡阻等問題。原有管道固定方式見圖1。

圖1 原有管道固定方式

自空分塔至冷箱壁一次閥原有儀表管線中間經多次焊接，易造成介質泄漏或因焊瘤導致介質在流動過程中產生壓降，液體儀表管線U型管段不足，管內液體復熱不充分，參數誤差較大。

原有管線隨塔體布置，固定在管道支架上，由于管線較長，經多次開、停車，塔內珠光砂的沉降以及空分塔的應力導致管路變形嚴重，輸出參數變化較大。

2.2.2 改進措施

（1）更換設置不合理管架

將鋁板焊接在塔體上，利用角鋁、鋁管焊接在鋁板上作為管道支架。改造后，支架與塔體、管路膨脹系數相同，低溫時產生相同的沉降，有效避免了熱應力對設備造成的損害。

（2）儀表管線優化

塔體至一次閥的管線一次成型，中間無焊接點。增加液體管U 型管段的高度，確保液體復熱完全。制作管束夾子將儀表管線固定在箱壁上，確保介質在管內流通時不產生泄漏且流通阻力較小，提高數據的準確性。更改部分引線不合理的儀表管走向，對距冷箱壁距離過遠的儀表引出點等重新布線。

2.3 換熱器更新

原有換熱器由于使用年限過長，反流氣體攜帶的雜質將部分介質通道堵塞，同時游離水在集聚過程中凍結在換熱器翅片上，受冷結冰膨脹后將隔板漲裂，各通道介質混合，導致產品產量、質量無法保證。原換熱器存在問題情況見圖2。對換熱器進行更換，減少換熱器阻力，提高分離效果。

圖2 改造前換熱器問題圖

2.4 塔體糾偏

2.4.1 塔體偏離的原因分析

空分塔經長期運行，低、常溫開車作業頻繁，塔內溫度變化較大（30 ℃～196 ℃），塔體處于自由狀態，當受到不同應力時塔體會產生傾斜。

2.4.2 塔體偏離的整改

切斷連接塔體的管路，切開塔體底部連接板，利用千斤頂糾正塔體，塞入墊片，測試合格后進行底部焊接，恢復塔體連接管路。

2.5 氬回流管路及單泵回流技術的應用

2.5.1 原有設計工藝

原有工藝設計中工藝氬經粗氬塔后，如含氧量≥10×10-6則全部放空。含氧量合格方可投精氬塔，當粗氬中的氮組分含量≤5×10-6后，則能生產出合格的液氬產品。液氬泵的預冷需打開V712 粗氬放空閥，當連續排出液體后預冷結束，期間會造成一定的冷量損失。

2.5.2 不合格液氬二次精餾技術

利用回流管道，將不合格的液體產品進行二次精餾，當純度合格后關閉V757 液氬回流閥，開氬產品取出閥，則生產出合格液氬。制氬工藝流程圖見圖3。

圖3 制氬工藝流程圖

2.5.3 單泵回流技術［2］

改造前制氬系統在氬質量不達標時，采用排液處理，浪費冷量。改造后提供的液氬循環管路使得液體冷卻液排放減少。

改造前，備用液氬泵啟動后，在與另一臺液氬泵短時間并聯時，由于循環管道內液體流量發生變化，導致一臺或兩臺液氬泵不打液，造成制氬系統工況波動甚至破壞制氬工況，中斷液氬生產。改造后可避免這種情況。

改造后，因為液體冷卻液排出量減少，避免了液體冷卻液蒸發時工作區域含氧量的降低，從而避免了給操作人員帶來的不安全因素。單泵回流改造效果圖見圖4。

圖4 單泵回流改造效果圖

3 應用效果

改造實施后，系統整體運行平穩，優化效果如下：

（1）精餾塔下塔液空液位、下塔阻力、氬純度波動減小，各項參數得到了優化。下塔阻力由原來的18.5 kPa 降至3.2 kPa，平均氧氣產量從19 200 m3/h增加到21 413 m3/h，平均氬氣產量由550 m3/h 提高至580 m3/h，產品產量及質量均得到提升。

（2）制氧機變負荷調節能力大大增加，氧氣產量調整范圍由原來的1 000 m3/h 增至2 500 m3/h，對降低氧氣放散率有著極大的意義。

（3）氬泵回流改造，使得氬系統投運時間縮短，氬塔的操作更加便捷，降低了職工勞動強度。

4 結束語

KDON-21 000/22 000 型制氧機精餾系統改造項目實施至今，機組運行正常，塔內各工況參數穩定，產品產量、質量都得到了較大提升，經濟效益顯著，對同類機組空分塔的優化改進具有較好指導意義。