空分設備預冷系統的工藝設計

余杭亮(液化空氣（杭州）有限公司，浙江 杭州 310012)

空分設備預冷系統的工藝設計

余杭亮(液化空氣（杭州）有限公司，浙江 杭州 310012)

本文詳細闡述一般空分設備預冷系統的工藝設計。空分設備預冷系統在整套流程中起著重要作用，因此合理的空分設備預冷系統工藝設計不僅可以滿足整個流程的需要，還可以確保設備的投資成本和運行費用得到有效，合理的控制。

空分設備；預冷系統；工藝設計

目前，我國的空分設備行業的發展日益完善，在社會經濟發展的帶動下，大型空分設備的需求量日益增長大，空分設備越來越向大型化，標準化發展，系統設計更加精確，標準更為精細，同時分系統設計的理念受到業內人士的廣泛認可。空分設備系統是個有機的整體，任何一個子系統的不合格都會影響到下游其他子系統的正常工作，甚至導致整套空分系統工藝設計的不合格。預冷系統在空分設備中處于熱端區域，但占據著重要地位，只有預冷系統正常工作，下游低溫工藝流程才能順利展開，因此預冷系統的工藝設計問題不容小視。

1 系統性能設計

空氣進過空壓機系統壓縮后，溫度壓力均升高，但壓縮空氣中氧化氮、二氧化硫以及氯化氫等雜質仍需要經過空冷塔水洗。

在0.59MPaA下，溫度不同時，空冷塔出氣含水量及流動速度。（含水量用摩爾分數，被6除后為質量分數，飽和氣態下）。

在同樣的壓力下，氣溫的不斷升高，含水量是在不斷變化的。8℃時的含水量是11℃時的79.0%，而13℃時的含水量是11℃時的116.7%。20℃時的含水量是11℃時的181%。

12℃時不同壓力下的空冷塔進氣含水量以及空冷塔頂部出口氣體流速。

分子純化器設計時，普遍要求溫度低于15℃，多數都會以12℃為設計點，但是在運行過程中，一旦外加冷源發生故障，冷凍水泵停機時，空冷塔出口的溫度就會達到將近21℃，這樣就會使得出口的空氣含水量幾乎是設計溫度時的兩倍。結合上表發現，在12℃時，壓力不斷降低（從595KPa(A)降到450KPa (A），含水量會增大了大約30%。空冷塔汽速在增加的基礎上，帶水量會大大增加。

預冷系統能否達到預期的降溫效果會受到多種因素的影響，比如噴淋的水量、設備的結構以及傳熱效率等。最主要的因素是水與氣的比例，也就是噴淋的水量和氣體流量之間的比例。水與氣的比例在很大程度上影響空冷塔的出口空氣溫度。當水氣比大時，水的溫降數值小，空氣不能冷卻到很低的溫度；當氣比大時，水氣接觸的面積較小，傳熱的條件不利，空氣的溫度也很難降低。因此，只有得到最佳的水與氣比例，空氣冷卻的溫度才會達到最小值。

2 系統原理概述

空分設備進氣的溫度是隨著季節、環境以及空氣預冷程度的變化而變化的。如果冷箱的進氣溫度升高，一方面，低溫端節流效應就會大大下降，空氣大量膨脹，能耗也會相應增加；另一方面，對純化系統內吸附器的工作也產生不利影響，難以清除H2O的負荷，同時主換熱器的熱負荷不斷增大；以上兩點均會導致整個空氣分離設備都呈現出不穩定的狀態。因此預冷系統必須將冷箱進氣溫度控制在一定的范圍內，確保設備的節能和穩定。

大型空分設備預冷系統通常采用氮水系統，并且與壓縮機末級冷卻相結合，若將空壓機末級冷卻器取消，熱負荷被轉移到空冷塔里，則空氣在空冷塔下半部分被冷卻水泵送出的冷卻水冷卻后，再經過上半部分被由冷凍水泵送出的冷凍水再次冷卻到系統需要的設計溫度。同時在水冷塔內，被空氣加熱的冷凍水被從冷箱送出的干燥氮氣或污氮氣冷卻后成能再次冷卻空氣的冷凍水，而被空氣加溫后的冷卻水被送入冷卻水系統冷卻。這就是氮水預冷系統整個工作流程。

從流程形式上看，氮水預冷系統可以分為兩類：外加冷源和無外加冷源。而外加冷可分為冷凍機組提供的外加冷源和液氨蒸發器提供的外加冷源，后者使用于有液氨的企業。當氮氣的產量與氧氣產量的比例小于1，并且從水冷塔抽出的冷凍水能將進入空冷塔的空氣溫度降到12℃左右時，就可選取無外加冷源的系統。當沒有外加冷源時，為了保證空冷塔出口空氣溫度達到設計值，需要有足夠的冷卻水用于降低空壓機出口的空氣溫度，同時也需要相應增加氮水塔填料高度，讓冷卻水與從冷箱內抽出的氮氣或污氮氣充分換熱成冷凍水。在設置有外加冷源的低溫制冷系統中，降低進氣溫度后系統會大大減少能耗，同時也可以極大提升下游分子篩系統的吸附效率。在我國南方的高溫夏季，需要考慮增加外加冷源，否則預冷和純化系統難以穩定運行。

冷凍機組的外加冷源主要分為氟利昂、液氨、溴化鋰水溶液制冷劑以及低溫氣體冷源四種。

3 系統自動化控制

當前空分設備預冷系統中，需要配備一些簡單的儀表以實現自動化控制的功能。

（1）空冷塔氣路的進出口，需要設置壓差變送器和空冷塔內部水位的液位計以保證正常工作狀態下，空冷塔內部水位不進入空氣管線。液位計還需要控制空冷塔底部的自動排水閥，使塔內冷卻水液位保持穩定。如果進出口空氣壓差超過6KPA，或者冷卻水液位接近空氣進口管線下端，預冷系統自動跳車。

（2）在空冷塔冷卻水和冷凍水進口管線需要安裝冷卻水和冷凍水流量計及相應的控制閥，保證足夠冷凍水和冷卻水進口空冷塔與高溫空氣換熱。

（3）在氮水塔側也需要增加液位計及由液位計控制的進水閥，用于保證氮水塔內液位穩定，當氮水塔內液位接近氣體管線下端時，預冷系統自動跳車

4 系統設備介紹

當前的空分設備預冷系統中，對于沒有末端冷卻器的空壓機，在設計中趨向于采用雙層空冷塔直接接觸式，使空壓機出口空氣的溫度分段降低，分子篩的運行效率得以改善，空氣中的各種雜質和酸性氣體都被清除；空冷塔的高溫氣體進口處設置導流板，同時在空冷塔下半段采用能耐高溫的不銹鋼換熱填料，在上半段采用耐熱相對差的塑料填料，既使塔的換熱性能得到良好的發揮，阻力也大大減少，空壓機的出口溫度也大大降低，能耗隨之降低，需要冷凍水的水量也大大減少。水源分布器采用的是防帶水的結構，不僅使液體的分布均勻，氣體的排通量也超過50%，很大程度上降低了帶水的幾率。分布器上面還設置有兩段自由分離的空間，頂端還配置了絲網材質的除霧器，能有效保證空氣在出空冷塔時不帶水。而水冷塔選用的是高效的規整的填料塔，將冷箱上塔干燥污氮收集的冷量充分回收，同時利用氮氣或污氮的排放控制冷箱上塔壓力，保證精餾塔內精餾充分進行。此外，冷凍水泵和冷卻水泵通常設置成一用一備及自動啟泵模式，保證了在一臺水泵出現電氣故障時，另外一臺備用水泵能及時啟動，提供足夠壓力的冷卻水或冷凍水參與換熱，確保設備的可靠和安全。

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