20 000Nm3/h空分設備試車中有關問題的分析和解決

周明亮 黃志紅

（河南開元空分集團有限公司，河南 開封 475004）

廣西貴港某公司制氧廠 （以下簡稱廣西貴港）KDONAr-20000/20000/700型空分設備，采用常溫分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機制冷、膨脹空氣進上塔、全精餾制氬、外壓縮流程，下塔為篩板塔，上塔、粗氬塔和精氬塔采用規整填料塔。該套空分設備空壓機設計壓力為0.52MPa，空氣量為105 000Nm3/h，下塔阻力為15KPa左右，在試車過程中發現，下塔阻力較小，無法調整至正常值，導致氮氣純度不達標。

1 問題經過及原因分析

2012年10月份整套空分設備安裝完成，開始進入試車階段，在剛開始的吹掃以及裸冷階段，并未發現有異常情況。在出氧調試階段，空分按照正常的操作進行冷卻、積液。然而在調純的過程中，隨著液氮回流下塔閥門的逐漸開大，下塔阻力也隨之逐漸增大。但是當液氮回流下塔閥門全開之后，下塔阻力只有10KPa，此時空壓機壓力為 0.49MPa，進塔空氣量為 85 000～90 000Nm3/h。其中下塔阻力、進塔空氣量和設計值相差較大，空分設備氧氣、氮氣產量和純度均不能達到設計值。隨后逐步提升空壓機壓力至0.515MPa，進塔空氣量和下塔阻力分別上漲至100 000Nm3/h、12Kpa。此時氧氣產量和純度均能達到設計值，但是氮氣純度卻仍不能達標。通過對工況的調整：改變上下塔的回流比，盡量降低上塔的壓力，旁通部分膨脹空氣量等，下塔頂部氮氣和出分餾塔氮氣中氧氣含量始終保持在400～500ppm左右（氮氣純度設計值為氮中氧含量小于等于10ppm）。

通過分析認為：主冷工作不正常，實際換熱面積不夠，導致進塔空氣量、下塔阻力以及下塔回流比偏小，從而造成氮氣純度不合格。關于主冷換熱面積不夠的原因，排除設計問題，其它常見的原因就是水、二氧化碳或者一些固體雜質顆粒等附著在主冷板翅式換熱器的換熱表面上，導致其傳熱系數降低，實際換熱面積減小。或者是主冷板翅式換熱器本身，在生產制造焊接過程中補焊太多，導致該板翅式換熱器實際換熱面積減小，盡管這種可能很小，但是沒有足夠的理由將該種可能性排除。同時，也不能排除因為下塔精餾效果不好而導致氮氣純度不達標的情況。

針對出現的問題，決定先對整套空分進行排液吹除，全面大加溫，以排除水、二氧化碳或者固體雜質顆粒等對設備產生的影響。在全面加溫吹除結束之后，測量冷箱內各個設備的露點溫度均已達標。然后重新啟動膨脹機開始冷卻、積液、調純。然而此次試車，并未解決之前所產生的問題，整套空分的運行工況和上次試車基本相同，氮氣純度仍然不達標。

但是，通過此次試車，已經排除了水、二氧化碳和固體雜質顆粒堵塞的原因，所以問題集中在主冷板翅式換熱器和下塔設備本身上。同時，該套空分設備采用了雙層主冷，上、下層主冷回流下塔的液氮管道分別從各自的板翅式換熱器液氮通道引出后，再匯總至同一根總管，然后進入下塔。由于上、下層主冷的標高不同，其液氮靜液柱產生的壓力也不同，可能導致液氮在回流下塔時，相互影響，排液不暢，這也是一種可能的原因。

由于下塔和主冷都安裝在冷箱內，只有通過扒砂，才能對其進行檢查。于是再次對整套空分設備進行排液、加溫吹除，然后將空分冷箱扒砂，對下塔進行檢查。打開下塔人孔之后，發現下塔有部分塔板已經變形，甚至塔盤結構被破壞，其水平度已經不能滿足要求，導致下塔精餾效果變差，氮氣純度不合格。因為下塔在廠內制造時，已經經過嚴格的檢測，各項指標均達到要求，下塔只有在路途運輸或者是現場試壓時有可能導致這種情況。通過分析認為，現場在進行塔體試壓時，由于操作不當，充壓或者是泄壓速度過快，是導致塔板變形的主要原因。

2 問題處理

發現上述問題后，開始對分餾塔下塔塔板進行修復，首先將下塔內的塔板逐塊拆除檢查，對有問題的塔板進行修復和更換，然后將塔板復裝。在復裝之前，對下塔筒體的垂直度重新校正，以保證塔板的水平度。另外，由于原來的兩臺主冷板翅式換熱器在檢查時，未發現有異常情況，而且也沒法對其內部結構進行檢查，所以，在原主冷凝蒸發器旁邊增加一臺小冷凝蒸發器，用以增加主冷的負荷，以彌補主冷換熱面積的不足。同時，對液氮回流下塔管道進行改造（如下圖所示：左圖為改造前流程圖，右圖為改造后流程圖）。

改造完之后，重新對設備進行吹掃、裸冷、查漏、珠光砂的填裝、露點的測量，然后啟動膨脹機進行冷卻、積液、調純工作。此次調試結果顯示，各項指標基本達到設計值，空壓機出口壓力約為0.49MPa，進塔空氣量為100 000Nm3/h，下塔阻力為14KPa，氧氣、氮氣產量和純度均達到設計值，整套空分能耗也在設計范圍之內，空分整體運行工況比較穩定。

3 結語

只有在成套空分設備的設計、制造、安裝以及調試過程中，對各個環節進行嚴格把關，才能保證最后順利地調試出合格的產品。

3.1 吹掃時，要注意吹掃管道的先后順序，兼顧到每條管道，將生產和安裝過程中殘留的雜質盡量吹掃干凈，以免造成堵塞。

3.2 對于主冷，在吹掃的過程中，尤其是在啟動膨脹機之前，應該在吹掃初期或者是末期將液氮回下塔閥門打開幾個小時，其余吹掃時間應該處于關閉狀態。因為該閥門打開時，氣體會被短路而不經過主冷，從而不能很好地對主冷進行吹除，有可能會導致露點不合格，從而造成主冷冰堵，影響設備正常工作。

3.3 對設備進行現場試壓時，一定要按照規程進行操作，避免升壓和泄壓速度過快，造成設備損壞，產生不必要的損失。