空分預(yù)冷系統(tǒng)改進(jìn)方案探討

丁盼盼，方傳鎖，劉春燕

(1.榮盛集團(tuán)中金石化有限公司，浙江 寧波 315000；2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410083)

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空分預(yù)冷系統(tǒng)改進(jìn)方案探討

丁盼盼1，方傳鎖1，劉春燕2

(1.榮盛集團(tuán)中金石化有限公司，浙江 寧波 315000；2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410083)

空分預(yù)冷系統(tǒng)的空冷塔采用中部回水模式，通過增加污氮?dú)鈱?duì)水冷塔進(jìn)行降溫，針對(duì)空氣出空冷塔時(shí)溫度較高，出口溫度逐漸偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)，并對(duì)后續(xù)系統(tǒng)造成影響的問題，增加1臺(tái)冷水機(jī)組，降低空冷塔的出口溫度，保證系統(tǒng)順利運(yùn)行。

空分預(yù)冷系統(tǒng)；空冷塔；溫度；改進(jìn)

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.015

空分預(yù)冷系統(tǒng)主要包括空冷塔、水冷塔、冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機(jī)組、閥門管線及儀表電控系統(tǒng)等?？諝饨?jīng)空氣過濾系統(tǒng)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，127 000Nm3/h的空氣經(jīng)壓縮后的壓力為0.5MPa(g)，溫度為100℃，再進(jìn)入空冷塔內(nèi)進(jìn)行冷卻?？绽渌湓从袃深悾阂活愂强绽渌胁客ㄈ?50t/h的循環(huán)冷卻水，作為壓縮空氣冷源；另一類是冷凍水，從冷箱板式換熱器復(fù)熱后的氮?dú)夂臀鄣獨(dú)膺M(jìn)入水冷塔，在水冷塔內(nèi)對(duì)空冷塔上段返回的水進(jìn)行冷卻，冷凍水在水冷塔底部進(jìn)行收集，通過冷凍水泵將70t/h冷凍水打入空冷塔上部，作為壓縮空氣的另一部分冷源。

空冷塔采用節(jié)能、防帶水型高效低阻散堆填料塔，既保證了塔的換熱性能，又減少阻力，降低了空壓機(jī)的出口壓力，從而降低能耗?？绽渌€采用了川空專利的防液泛裝置，其上部產(chǎn)生的冷凝水直接回到塔釜，能有效防止空冷塔帶水進(jìn)入后系統(tǒng)。水冷塔采用高效、低阻散堆填料塔，充分回收了污氮?dú)獾睦淞俊?/p>

1 預(yù)冷系統(tǒng)操作現(xiàn)狀和出現(xiàn)的問題

在空分運(yùn)行中，由于環(huán)境溫度的增高，循環(huán)水溫逐漸升高，導(dǎo)致空冷塔出口溫度最高達(dá)到20℃，超過工藝指標(biāo)設(shè)計(jì)值18℃，預(yù)冷系統(tǒng)各點(diǎn)操作溫度見表1，預(yù)冷系統(tǒng)見圖1。通過分析表1數(shù)據(jù)可知，水冷塔回水溫度TI021106溫度較高，與水冷塔出水溫度TI021105相差較大，對(duì)預(yù)冷系統(tǒng)和整個(gè)空分的影響有以下幾點(diǎn)。

圖1 預(yù)冷系統(tǒng)

(1)由于空冷塔和水冷塔水溫的影響，水冷塔出口溫度難以降低，影響系統(tǒng)穩(wěn)定及換熱效率，分子篩出口溫度會(huì)提高10℃左右，同時(shí)影響低壓與高壓板式換熱器的換熱溫度，導(dǎo)致水冷塔冷卻氣溫度的增長。

(2)空冷塔出口溫度高，空氣含水量增大，過高的溫度和含水量會(huì)加劇分子篩的吸附負(fù)擔(dān)，降低分子篩的吸附效率，加快分子篩的損壞程度，空氣出分子篩中水分和二氧化碳含量的變化也會(huì)影響分餾塔工況[1]。

(3)空冷塔出口溫度的增大，導(dǎo)致空壓機(jī)效率降低，直接影響換熱效率，過高的空氣溫度需要足夠的返流氣冷量進(jìn)行換熱，直接導(dǎo)致分餾塔冷量不足，影響主冷液位。

(4)為避免增加冷卻水泵和冷凍水泵打量導(dǎo)致的水泵振動(dòng)及軸溫增大，沒有增加冷凍水和冷卻水流量，打開臨時(shí)空氣管線閥門，由于水冷塔進(jìn)氣量的增加，降溫效果顯著，空冷塔出口溫度有明顯降低，但加大了空壓機(jī)負(fù)荷，達(dá)不到節(jié)能降耗的生產(chǎn)目標(biāo)，同時(shí)，水冷塔氣量及壓力的增加對(duì)水冷塔液位影響很大，易造成水冷塔溢流。

表1 預(yù)冷系統(tǒng)各點(diǎn)溫度(實(shí)際操作值)

2 解決方案

2.1 解決方案

正常情況下，在進(jìn)口空氣量、循環(huán)水及冷凍水流量保持不變的情況下，空氣出空冷塔溫度TI021102受循環(huán)水溫度TI021103和冷凍水進(jìn)空冷塔溫度TI021105的影響，循環(huán)水水溫的增高，會(huì)直接影響到空冷塔的換熱效果，在冷卻水及冷凍水流量不變的條件下，空冷塔出口溫度會(huì)隨之增大，可通過降低冷凍水溫度來降低空冷塔出口溫度，在保證產(chǎn)品及氧氮純度合格的情況下，通過增加進(jìn)水冷塔的低溫污氮量、減少高溫污氮量來實(shí)現(xiàn)降低冷凍水溫度的目的。但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，操作彈性較小，低溫污氮?dú)饬恳堰_(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，且高溫污氮?dú)饬渴芘蛎洐C(jī)負(fù)荷影響，較難操作。增壓機(jī)中抽氣體在進(jìn)入膨脹機(jī)增壓端增壓后與高壓板式換熱器進(jìn)行換熱，再進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹端，當(dāng)高溫污氮?dú)饬枯^少時(shí)，會(huì)改變膨脹氣體的換熱效果，導(dǎo)致膨脹機(jī)機(jī)前溫度增加，造成膨脹機(jī)軸系振動(dòng)以及軸承溫度測點(diǎn)的變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成膨脹機(jī)的喘振跳車。

為解決上述問題，有效避免空冷塔出口溫度TI021102增長過高，比較好的辦法是在空分增加1臺(tái)冷水機(jī)組，通過冷水機(jī)組的降溫，可直接降低水冷塔進(jìn)空冷塔脫鹽水TI021105的溫度，從而將空冷塔出口溫度控制在指標(biāo)之內(nèi)，不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來不利影響。

2.2 冷水機(jī)組選型

2.2.1 冷水機(jī)組的種類和特點(diǎn)

空分系統(tǒng)常用的冷水機(jī)組有多種形式，按制冷原理分類，可分為壓縮式和吸收式兩種，常用的冷媒介質(zhì)有氟利昂、溴化鋰、氨等。

(1)壓縮式冷水機(jī)組。壓縮式冷水機(jī)組的壓縮機(jī)類型有多種形式，常見的為螺桿式、離心式、活塞式等類型。以氟利昂壓縮制冷機(jī)為例，通過將氣態(tài)氟利昂壓縮后，進(jìn)入循環(huán)水冷卻器冷卻至液相，根據(jù)節(jié)流膨脹降溫原理，氟利昂在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收熱量，自水冷塔來的冷凍水與氣化的氟利昂進(jìn)行換熱，造成降溫效果，蒸發(fā)后的氟利昂氣體進(jìn)行收集后再次進(jìn)入壓縮機(jī)，循環(huán)使用。

氟利昂一般定義為飽和烴(主要指甲烷、乙烷和丙烷)的鹵代物的總稱，可分為CFC、HCFC、HFC等3類，其中CFC類因?qū)Υ髿獬粞鯇釉斐蓢?yán)重破壞，已被禁止使用，HCFC類也被限制使用，HFC類氟利昂對(duì)臭氧層無害，但產(chǎn)生溫室效應(yīng)。

(2)吸收式冷水機(jī)組。吸收式冷水機(jī)組一般選用溴化鋰濃溶液作為吸收劑，利用溴化鋰濃溶液在常溫下有強(qiáng)吸水性的特性，吸水后被稀釋的稀溶液因在高溫下被蒸發(fā)出水蒸氣而濃縮，從而達(dá)到冷凍水降溫的目的，濃溶液在降溫后重新獲取吸水能力，依此循環(huán)往復(fù)完成整個(gè)制冷循環(huán)[2]。

溴化鋰水溶液本身沸點(diǎn)很高，極難揮發(fā)，所以能夠得到較為純凈的水蒸氣，吸收式冷水機(jī)組主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、換熱器、循環(huán)泵等幾部分組成，耗電量小，使用介質(zhì)較為安全，成為替代氟利昂制冷的另一種制冷工藝。

2.2.2 冷水機(jī)組比較和選型原則

在能耗方面，吸收式冷水機(jī)組能源消耗要大于壓縮式冷水機(jī)組。壓縮式冷水機(jī)組主要消耗電力，吸收式冷水機(jī)組主要消耗熱能，在選用過程中可根據(jù)企業(yè)能量富余的不同而定。若企業(yè)的蒸汽或燃料過剩(特別是低壓蒸汽)，可考慮使用吸收式冷水機(jī)組消耗多余熱能，若當(dāng)?shù)仉娏Τ杀据^低，可考慮使用壓縮式冷水機(jī)組。對(duì)于溫度范圍要求較大的(溫差大于10℃)，可選擇吸收式冷水機(jī)組，其按獲取熱量方式分為熱水式、蒸汽式、直燃式，其中，直燃式能耗最低，蒸汽式次之。對(duì)于制冷量要求大的，可選用壓縮式冷水機(jī)組，且離心式大于螺桿式和活塞式[3]。

2.2.3 冷水機(jī)組注意事項(xiàng)

冷水機(jī)組在選型上有一定要求，其流量需控制在所選型號(hào)規(guī)定的最小允許量之上。若水冷塔需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)操作，則需增設(shè)一根回流管線，保證冷水機(jī)組的最小通入量，通過回路管線控制流量的大小，保障冷水機(jī)組的正常運(yùn)行。此外，冷凍水泵出水溫度也有要求：若出水溫度高于冷水機(jī)組限制進(jìn)入的最高溫度時(shí)，需要進(jìn)行回流調(diào)節(jié)，通過回流出的二次冷凍水來降低水冷塔的出口溫度，從而間接降低冷水機(jī)組的進(jìn)口溫度[4]。

冷水機(jī)組為冷凍水進(jìn)行降溫處理，冷凍水溫度的變化會(huì)對(duì)冷凍水管線造成影響，在實(shí)際生產(chǎn)中需對(duì)水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格要求，防止冷凍水在管道內(nèi)出現(xiàn)結(jié)垢、堵塞等現(xiàn)象，日常維護(hù)保養(yǎng)中要對(duì)冷媒介質(zhì)進(jìn)行檢測，防止出現(xiàn)泄漏或運(yùn)行故障，冷凍水管線須做好保冷措施，減少冷量損耗。

3 結(jié)語

預(yù)冷系統(tǒng)對(duì)空分壓縮空氣的主要作用是降溫、洗滌，將高溫壓縮空氣溫度降至規(guī)定指標(biāo)之內(nèi)，對(duì)分子篩的長期正常運(yùn)行意義重大，有效保證了后續(xù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文針對(duì)榮盛集團(tuán)中金石化有限公司空分預(yù)冷系統(tǒng)所出現(xiàn)的問題進(jìn)行探討，提出增加冷水機(jī)組的解決方案，優(yōu)化工藝參數(shù)，保證空分空冷塔出口溫度控制在正常指標(biāo)之內(nèi)，對(duì)整個(gè)空分系統(tǒng)影響最小。

[1]湯學(xué)忠，顧福民.新編制氧工問答[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[2]孫全海.溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組應(yīng)用于空分設(shè)備的嘗試[J].深冷技術(shù)，1996(05)：34-35.

[3]孫磊磊，李智斌.空分設(shè)備用冷水機(jī)組常見選型[J].深冷技術(shù)，2015(02)：16-20.

[4]張貴群，游義忠.空氣預(yù)冷系統(tǒng)的選擇與思考[J].深冷技術(shù)，2013(02)：23-27.

修改稿日期： 2017-04-28

Improvement Scheme of Pre-Cooling System in Air Separation

DING Pan-pan1，F(xiàn)ANG Chuan-suo1，LIU Chun-yan2

(1.RongshengGroupZhongjinPetrochemicalCo.，Ltd.，NingboZhejiang315000，China；2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering，CentralSouthUniversity，ChangshaHunan410083，China)

The air cooling tower of the pre-cooling system adopts the middle backwater mode，by increasing the amount of polluted nitrogen to cool the air tower. The temperature of the air-cooled tower is higher and the outlet temperature gradually deviates from the design index，which affects the subsequent system. Considering the above issues，the author tries to add a chiller，in order to reduce the air outlet temperature and ensure the smooth operation of the system.

Air separation precooling system；air cooled tower；temperature；improvement

丁盼盼(1990年—)，男，安徽淮北人，2013年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)主要從事化工生產(chǎn)工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.015

TQ116.11

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1004-8901(2017)03-0056-03