高壓冷凝蒸發(fā)器對氮?dú)饩s的影響

張志鋼

摘 要：高壓冷凝蒸發(fā)器是高純氮?dú)馍a(chǎn)設(shè)備中的一個換熱器，正常條件下工況非常穩(wěn)定，但在極端條件下，高壓冷凝蒸發(fā)器有換熱不充分的情況發(fā)生，對氮?dú)饩s產(chǎn)生不利影響。我們根據(jù)工作實(shí)際分析總結(jié)了造成這種現(xiàn)象的原因和對策。

關(guān)鍵詞：高壓冷凝蒸發(fā)器；氮?dú)饩s

高純氮?dú)馐遣ＡА⒂猩饘佟㈦娮拥刃袠I(yè)廣泛使用的保護(hù)氣體，在深冷法制取高純氮?dú)獾腒DN2500-70/Y型高純氮設(shè)備中，有一個二股流鋁制板翅式換熱器串聯(lián)在高純氮設(shè)備的高壓塔和低壓塔中間，利用不同壓強(qiáng)流體的溫差來冷凝氮?dú)夂驼舭l(fā)富氧液態(tài)空氣。

在正常生產(chǎn)條件下，高壓冷凝蒸發(fā)器的工況非常穩(wěn)定，不需要調(diào)節(jié)。空分教材和設(shè)備使用維護(hù)說明書上對此冷凝蒸發(fā)器也未做過多的論述。但在實(shí)際工作中我們發(fā)現(xiàn)，極端情況下，高壓冷凝蒸發(fā)器有換熱不充分現(xiàn)象，能影響到氮?dú)饩s，需要操作人員根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整。我公司的高純氮設(shè)備就曾出現(xiàn)過這樣的情況，經(jīng)過科學(xué)合理處置，及時(shí)恢復(fù)了正常，這次的處置經(jīng)驗(yàn)對于類似的工作有一定的借鑒作用。

2015年，我公司啟動2#KDN2500-70/Y高純氮設(shè)備替換運(yùn)行兩年多的1#KDN2500-70/Y高純氮設(shè)備。我們在2#KDN2500

-70/Y高純氮設(shè)備正常運(yùn)行后，為了加溫吹除1#分餾塔系統(tǒng)，先從2#純化器后引出一路干燥的壓縮空氣送入1#分餾塔系統(tǒng)。而后又發(fā)現(xiàn)2#離心式空壓機(jī)功率較大，壓縮空氣有放空現(xiàn)象，為避免浪費(fèi)，我們又從2#純化器后引出一路壓縮空氣送入了與空壓站相連的儀表氣管道。

由于臨時(shí)增加了用氣量，2#純化器后的壓強(qiáng)由以前的0.75 MPa降為0.74 MPa，進(jìn)入2#分餾塔的壓縮空氣由正常生產(chǎn)時(shí)的0.75 MPa，降為0.71 MPa，進(jìn)塔氣量不足。

這種情況下，2#分餾塔系統(tǒng)偏離了啟動時(shí)的狀態(tài)，經(jīng)過調(diào)整，雖然勉強(qiáng)生產(chǎn)，但高壓冷凝蒸發(fā)器已經(jīng)處于工藝帶邊緣。表現(xiàn)為高壓冷凝蒸發(fā)器的溫度偏高，TI503為-176.4℃，且液氮計(jì)量罐抽取液氮不正常。正常情況下，液氮抽取閥V506開一點(diǎn)兒就能抽取液氮，但這時(shí)V506全打開卻一會兒能抽到液氮，一會兒抽不到。

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行至純化器均壓階段時(shí)，又有一部分壓縮空氣分流入待用的純化器過濾罐，2#純化器壓強(qiáng)降至0.73 MPa，進(jìn)塔壓縮空氣量更加不足，液氮計(jì)量罐完全不能抽取液氮。這時(shí)操作人員做出了錯誤判斷，認(rèn)為液氮計(jì)量罐剛投入使用，溫度高，或是閥門V506有水分和二氧化碳凍結(jié)，于是采取了聯(lián)通液氮計(jì)量罐與液氮儲罐，試開液氮計(jì)量罐吹除閥，反復(fù)開關(guān)V506閥等措施，沒有效果。

由于啟動2#分餾塔時(shí)是按照邊生產(chǎn)氮?dú)膺叧槿∫旱獊碚{(diào)節(jié)物料平衡的，液氮計(jì)量罐不能抽取液氮后，大量液氮進(jìn)入低壓塔，低壓塔液位迅速上升，操作人員只好多次少量排放低壓塔液空，同時(shí)關(guān)閉了送空壓站的儀表氣，提升入塔空氣壓強(qiáng)。但不能制止情況進(jìn)一步惡化，高壓塔壓強(qiáng)不斷上升，低壓塔壓強(qiáng)不斷下降，進(jìn)而進(jìn)塔空氣量下降，出塔氮?dú)饬肯陆担鏊谎蹩諝饬肯陆担罱K分餾塔的氮?dú)饧兌瘸瑯?biāo)。

事后我們對情況進(jìn)行了分析。當(dāng)時(shí)高壓塔壓強(qiáng)PI501為0.56MPa，在這個壓強(qiáng)下，高純液氮在高壓冷凝蒸發(fā)器中冷凝的理論溫度約為-176.5℃，而我們測量到的高壓冷凝蒸發(fā)器溫度TI503為-176.4℃，高于理論溫度，我們推測高壓冷凝蒸發(fā)器內(nèi)的氮?dú)饪赡軟]有獲得足夠的冷量，沒有充分冷凝。這一推斷可在電腦記錄下的液氮計(jì)量罐的液位曲線圖上得到驗(yàn)證。正常情況下，液氮計(jì)量罐的液位應(yīng)隨時(shí)間均勻上升，由于沒有充分冷凝，高壓冷凝蒸發(fā)器后面的氮管道內(nèi)有液態(tài)有氣態(tài)，當(dāng)以氣態(tài)流經(jīng)液氮計(jì)量罐時(shí)，液氮計(jì)量罐的液位不上升，呈水平線，而當(dāng)以液態(tài)流經(jīng)液氮計(jì)量罐時(shí)，液氮計(jì)量罐的液位上升，呈上斜線。如圖所示：

是什么導(dǎo)致氮?dú)庠诟邏豪淠舭l(fā)器內(nèi)沒有獲得足夠的冷量呢？按照換熱理論，高壓冷凝蒸發(fā)器的換熱量Q（也叫熱負(fù)荷）與冷、熱流體的溫度差△t（℃）成正比，與傳熱面積F（m2）的大小成正比，與傳熱系數(shù)K成正比。公式為：

Q=3600KF△t（kJ/h）

其中，傳熱系數(shù)K與換熱器的材質(zhì)和傳熱面結(jié)垢有關(guān)，材質(zhì)一定，就只和傳熱面結(jié)垢有關(guān)系。深冷設(shè)備換熱器易出現(xiàn)的問題大都是空氣中的水分和二氧化碳凍結(jié)在了傳熱面上，使傳熱系數(shù)減小。但這種情況一般出現(xiàn)在空分設(shè)備運(yùn)行周期的后期或冷干機(jī)、純化器出故障時(shí)，而2#KDN2500-70/Y高純氮設(shè)備剛剛輪換使用，冷干機(jī)、純化器也運(yùn)行正常，水分和二氧化碳凍結(jié)在傳熱面上的可能性不大。

另外還有兩種情況能導(dǎo)致傳熱面積F的減小。

一是氖、氦氣聚積引起的換熱面積減小。由于氖、氦氣的液化溫度比氮低，當(dāng)氖、氦氣進(jìn)入高壓冷凝蒸發(fā)器冷凝側(cè)上部時(shí)冷凝不下來，會占據(jù)了冷凝器的部分空間，換熱面積不能充分利用。但2#KDN2500-70/Y高純氮設(shè)備剛剛輪換使用，且每天都手動排放氖、氦氣，出現(xiàn)異常情況后操作員又嘗試著排放了氖、氦氣，所以出現(xiàn)氖、氦氣聚積的可能性也不大。

二是高壓冷凝蒸發(fā)器內(nèi)冷流體量不足引起的。正常情況下出高壓塔的氮?dú)夂透谎蹩諝庠诟邏豪淠舭l(fā)器中換熱，氮?dú)獗焕淠夯谎跻嚎毡徽舭l(fā)。按照設(shè)計(jì)，只要進(jìn)入高壓塔的壓縮空氣的溫度在工藝范圍內(nèi)，氮?dú)夂透谎蹩諝饩陀幸粋€合適的比值，也就是說富氧空氣足以吸引氮?dú)夥懦龅睦淠凉摕帷栴}是，為了平衡進(jìn)出高壓塔的氣量，出高壓塔的富氧液空要經(jīng)過一個液空節(jié)流閥V503調(diào)節(jié)，一般空分教材和設(shè)備說明書上介紹V503的作用都是它的開度會影響到高壓塔液位的穩(wěn)定，如果液空節(jié)流閥的開度正好與生成的富氧液空量相適應(yīng)，高壓塔的液面將保持穩(wěn)定；如果開度小，則富氧液空通過的量減少，高壓塔液空液面就要持續(xù)上漲；反之，開度大，液面則會持續(xù)下降。所以這個閥一旦調(diào)整到位，盡量不動，以保持高壓塔液面的穩(wěn)定。

我們的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是這個液空節(jié)流閥的開度不僅影響高壓塔液位的穩(wěn)定，而且影響高壓塔和高壓冷凝蒸發(fā)器液位的高低。液空節(jié)流閥的開度有一個最適值，如果液空節(jié)流閥的開度略小于最適值，高壓塔液面略升后會重新達(dá)到一個物質(zhì)平衡，而不是持續(xù)上漲，其后的高壓冷凝蒸發(fā)器的液位則會降一定數(shù)值。

只有V503的開度小到一定程度時(shí)，高壓塔液空的液面才持續(xù)上漲。反之，如果V503的開度只是略大于最適值，高壓塔液面會略降后重新達(dá)到一個平衡，液面仍保持穩(wěn)定，其后的高壓冷凝蒸發(fā)器的液位會上升一定的數(shù)值，只有V503的開度過大時(shí)，高壓塔的液面才會持續(xù)下降。

通過長期觀察，我公司2#分餾塔V503閥的最適開度在71，在這次情況下開度在70，雖然高壓塔的液位值在332至339也保持了穩(wěn)定，但高壓冷凝蒸發(fā)器富氧液空的液位值卻在809至890，低于日常值955至1035。對于二股流板翅式換熱器來說，液位值小，液位就低，意味著換熱面積減小了。這是大家都容易忽視的現(xiàn)象，串聯(lián)在一起的三個壓力容器，調(diào)節(jié)聯(lián)接其間的閥門，不僅影響進(jìn)、出口的壓差和流量，各容器中液相的液位也是有變化的。對直徑較大的容器，如高壓塔，液位的變化不明顯；但對直徑不大的容器，如高壓冷凝蒸發(fā)器，液位的變化不能忽視，特別是有相變的換熱器。

另外，操作人員排放低壓塔液空的操作也加劇了冷流體量的不足。低壓塔液空排放不經(jīng)過過冷器E2和主換熱器E1回收冷量，造成了分餾塔系統(tǒng)冷量流失，進(jìn)塔壓縮空氣得不到更充足的冷卻，富氧液空的比例會減小，使得冷流體的量更加不足。

可是，既然高壓冷凝蒸發(fā)器內(nèi)冷流體量不足引起了氮?dú)饫淠怀浞郑艿纼?nèi)充斥了大量氣態(tài)氮，氮?dú)饬鹘?jīng)液氮計(jì)量罐，液氮計(jì)量罐的液位不上升，可為什么當(dāng)?shù)M(jìn)入了低壓塔，低壓塔的液位卻上升了呢？進(jìn)一步分析，這與高壓冷凝蒸發(fā)器后面的過冷器E2有關(guān)，氮?dú)庠诮?jīng)過過冷器E2時(shí)，再次從出塔的氮?dú)夂透谎蹩諝庵蝎@得冷量，氮?dú)饫淠梢旱⑷肓说蛪核鹆说蛪核何患彼偕仙?/p>

冷流體量不足導(dǎo)致了高壓冷凝蒸發(fā)器的實(shí)際換熱面積減少，換熱面積減少導(dǎo)致了氮?dú)饫淠怀浞帧ｋS著高壓冷凝蒸發(fā)器工況的惡化，氮管道內(nèi)充斥的氣態(tài)氮越來越多，液氮節(jié)流閥V502時(shí)也出現(xiàn)問題。

因?yàn)閂502本來是按照通過液氮設(shè)置開度的，這個開度很小，只有19.5左右，大量的氣態(tài)氮無法順利通過。在高壓塔中初步分離出來的氮?dú)獠荒芗皶r(shí)通過閥V502排到低壓塔，高壓塔的壓強(qiáng)越來越高，而低壓塔的壓強(qiáng)越來越低。當(dāng)高壓塔壓強(qiáng)達(dá)到0.62MPa時(shí)，進(jìn)塔阻力增加，壓縮空氣進(jìn)塔困難，進(jìn)塔壓縮空氣量明顯減少，高壓塔阻力明顯減少。進(jìn)塔壓縮空氣量的減少又導(dǎo)致了出塔氮?dú)夂透谎蹩諝饬康臏p少。當(dāng)高壓塔壓強(qiáng)達(dá)到0.65 MPa時(shí)，氮精餾的工作參數(shù)開始超出工藝范圍，高、低壓塔的精餾工況被破壞。

針對高壓冷凝蒸發(fā)器引發(fā)的氮精餾工況破壞，我們采取了5點(diǎn)措施：

1）當(dāng)高壓塔壓強(qiáng)有明顯上升，精餾工況可能遭到破壞時(shí)，迅速切換了保安氮?dú)狻?/p>

2）適當(dāng)增加了閥V502的開度，降低高壓塔壓強(qiáng)，降低整個分餾塔系統(tǒng)阻力，恢復(fù)進(jìn)塔氣量。由于V502的開度對氮?dú)饧兌鹊挠绊懞艽螅?dāng)其它后續(xù)措施發(fā)揮作用后要及時(shí)恢復(fù)V502開度。

3）開大閥門V503來提高高壓冷凝蒸發(fā)器的液位，通過增大換熱面積來降低TI503的溫度，促進(jìn)氮?dú)饫淠ｉ_V503提升高壓冷凝蒸發(fā)器液位的同時(shí)要防止高壓塔液位降得過低，液位過低會使高壓塔的上升氣減少，對高壓塔精餾工況帶來新的影響，V503的調(diào)整幅度不宜過大，一次以1個開度為宜。

4）開大閥V513增加來自再沸器的另一股冷流的量來提升高壓冷凝蒸發(fā)器液位，降低TI503的溫度。增加V513的開度會引起低壓塔壓強(qiáng)上升，液位下降，所以開V513的幅度也要小，并注意觀察。

5）開大閥V405增加膨脹機(jī)的制冷量。增加膨脹機(jī)的制冷量會引起低壓塔壓強(qiáng)的上升，在開閥405的同時(shí)可適當(dāng)增加閥V515的開度來降低壓塔壓強(qiáng)。

采取措施后，高壓塔壓強(qiáng)很快恢復(fù)至0.58MPa，進(jìn)塔空氣量、出塔氮?dú)饬俊⒊鏊谎蹩諝饬侩S后恢復(fù)，高、低壓塔阻力也逐漸正常。在保證了出塔氮?dú)饧兌群螅覀兝^續(xù)增加高壓冷凝蒸發(fā)器的冷流體量，促使高壓冷凝蒸發(fā)器液位值上升，溫度下降，當(dāng)TI503的溫度降到-175.8℃以下后，液氮抽取也恢復(fù)了正常，整個分餾塔系統(tǒng)回工藝范圍內(nèi)。

我們也通過處置這次事件總結(jié)了2點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

1）高度關(guān)注高壓冷凝蒸發(fā)器的溫度TI503，這個溫度的確立應(yīng)以氮?dú)獬浞掷淠秊闃?biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)象是液氮計(jì)量罐必須能正常抽取液氮。我公司KDN2500-70/Y高純氮設(shè)備的TI503溫度以低于-176.5℃為宜。當(dāng)TI503的溫度高于-176.5℃時(shí)，要及時(shí)開大閥門V503或V513來降低高壓冷凝蒸發(fā)器溫度，避免情況惡化。

2）壓縮空氣進(jìn)分餾塔的壓強(qiáng)過低會影響高壓冷凝蒸發(fā)器的熱交換。雖然高壓冷凝蒸發(fā)器在設(shè)計(jì)時(shí)，其換熱能力留有一定的裕量，當(dāng)分餾塔的壓強(qiáng)降幅不大或時(shí)間很短時(shí)，對空分裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)影響不大，但如果長期低壓運(yùn)行，則需要重新調(diào)整分餾塔，特別是高壓冷凝蒸發(fā)器的工況。

高壓冷凝蒸發(fā)器在極端條件下熱負(fù)荷的變化會影響氮?dú)饩s工況，這一現(xiàn)象豐富了我們對KDN2500-70/Y高純氮設(shè)備的認(rèn)識，為我們的深冷制氮工作積累了有益的經(jīng)驗(yàn)，也希望我們的處置經(jīng)驗(yàn)?zāi)芙o同行有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 制氧工問答.冶金工業(yè)出版社，ISBN：9787502427894.