空分預冷系統改進方案探討

丁盼盼，方傳鎖，劉春燕

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

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空分預冷系統改進方案探討

丁盼盼1，方傳鎖1，劉春燕2

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

空分預冷系統的空冷塔采用中部回水模式，通過增加污氮氣對水冷塔進行降溫，針對空氣出空冷塔時溫度較高，出口溫度逐漸偏離設計指標，并對后續系統造成影響的問題，增加1臺冷水機組，降低空冷塔的出口溫度，保證系統順利運行。

空分預冷系統；空冷塔；溫度；改進

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.015

空分預冷系統主要包括空冷塔、水冷塔、冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機組、閥門管線及儀表電控系統等?？諝饨浛諝膺^濾系統后進入空氣壓縮機，127 000Nm3/h的空氣經壓縮后的壓力為0.5MPa(g)，溫度為100℃，再進入空冷塔內進行冷卻。空冷塔冷源有兩類：一類是空冷塔中部通入350t/h的循環冷卻水，作為壓縮空氣冷源；另一類是冷凍水，從冷箱板式換熱器復熱后的氮氣和污氮氣進入水冷塔，在水冷塔內對空冷塔上段返回的水進行冷卻，冷凍水在水冷塔底部進行收集，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，其上部產生的冷凝水直接回到塔釜，能有效防止空冷塔帶水進入后系統。水冷塔采用高效、低阻散堆填料塔，充分回收了污氮氣的冷量。

1 預冷系統操作現狀和出現的問題

在空分運行中，由于環境溫度的增高，循環水溫逐漸升高，導致空冷塔出口溫度最高達到20℃，超過工藝指標設計值18℃，預冷系統各點操作溫度見表1，預冷系統見圖1。通過分析表1數據可知，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，對預冷系統和整個空分的影響有以下幾點。

圖1 預冷系統

(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，影響系統穩定及換熱效率，分子篩出口溫度會提高10℃左右，同時影響低壓與高壓板式換熱器的換熱溫度，導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加劇分子篩的吸附負擔，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影響分餾塔工況[1]。

(3)空冷塔出口溫度的增大，導致空壓機效率降低，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行換熱，直接導致分餾塔冷量不足，影響主冷液位。

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

表1 預冷系統各點溫度(實際操作值)

2 解決方案

2.1 解決方案

正常情況下，在進口空氣量、循環水及冷凍水流量保持不變的情況下，空氣出空冷塔溫度TI021102受循環水溫度TI021103和冷凍水進空冷塔溫度TI021105的影響，循環水水溫的增高，會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，在保證產品及氧氮純度合格的情況下，通過增加進水冷塔的低溫污氮量、減少高溫污氮量來實現降低冷凍水溫度的目的。但在實際運行中發現，操作彈性較小，低溫污氮氣量已達到設計指標，且高溫污氮氣量受膨脹機負荷影響，較難操作。增壓機中抽氣體在進入膨脹機增壓端增壓后與高壓板式換熱器進行換熱，再進入膨脹機膨脹端，當高溫污氮氣量較少時，會改變膨脹氣體的換熱效果，導致膨脹機機前溫度增加，造成膨脹機軸系振動以及軸承溫度測點的變化，嚴重時會造成膨脹機的喘振跳車。

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臺冷水機組，通過冷水機組的降溫，可直接降低水冷塔進空冷塔脫鹽水TI021105的溫度，從而將空冷塔出口溫度控制在指標之內，不會對整個系統帶來不利影響。

2.2 冷水機組選型

2.2.1 冷水機組的種類和特點

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

(1)壓縮式冷水機組。壓縮式冷水機組的壓縮機類型有多種形式，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為例，通過將氣態氟利昂壓縮后，進入循環水冷卻器冷卻至液相，根據節流膨脹降溫原理，氟利昂在蒸發器中蒸發吸收熱量，自水冷塔來的冷凍水與氣化的氟利昂進行換熱，造成降溫效果，蒸發后的氟利昂氣體進行收集后再次進入壓縮機，循環使用。

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類因對大氣臭氧層造成嚴重破壞，已被禁止使用，HCFC類也被限制使用，HFC類氟利昂對臭氧層無害，但產生溫室效應。

(2)吸收式冷水機組。吸收式冷水機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吸水性的特性，吸水后被稀釋的稀溶液因在高溫下被蒸發出水蒸氣而濃縮，從而達到冷凍水降溫的目的，濃溶液在降溫后重新獲取吸水能力，依此循環往復完成整個制冷循環[2]。

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

2.2.2 冷水機組比較和選型原則

在能耗方面，吸收式冷水機組能源消耗要大于壓縮式冷水機組。壓縮式冷水機組主要消耗電力，吸收式冷水機組主要消耗熱能，在選用過程中可根據企業能量富余的不同而定。若企業的蒸汽或燃料過剩(特別是低壓蒸汽)，可考慮使用吸收式冷水機組消耗多余熱能，若當地電力成本較低，可考慮使用壓縮式冷水機組。對于溫度范圍要求較大的(溫差大于10℃)，可選擇吸收式冷水機組，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。對于制冷量要求大的，可選用壓縮式冷水機組，且離心式大于螺桿式和活塞式[3]。

2.2.3 冷水機組注意事項

冷水機組在選型上有一定要求，其流量需控制在所選型號規定的最小允許量之上。若水冷塔需要進行流量調節操作，則需增設一根回流管線，保證冷水機組的最小通入量，通過回路管線控制流量的大小，保障冷水機組的正常運行。此外，冷凍水泵出水溫度也有要求：若出水溫度高于冷水機組限制進入的最高溫度時，需要進行回流調節，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組的進口溫度[4]。

冷水機組為冷凍水進行降溫處理，冷凍水溫度的變化會對冷凍水管線造成影響，在實際生產中需對水質進行嚴格要求，防止冷凍水在管道內出現結垢、堵塞等現象，日常維護保養中要對冷媒介質進行檢測，防止出現泄漏或運行故障，冷凍水管線須做好保冷措施，減少冷量損耗。

3 結語

預冷系統對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定指標之內，對分子篩的長期正常運行意義重大，有效保證了后續系統的安全運行。本文針對榮盛集團中金石化有限公司空分預冷系統所出現的問題進行探討，提出增加冷水機組的解決方案，優化工藝參數，保證空分空冷塔出口溫度控制在正常指標之內，對整個空分系統影響最小。

[1]湯學忠，顧福民.新編制氧工問答[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[2]孫全海.溴化鋰冷水機組應用于空分設備的嘗試[J].深冷技術，1996(05)：34-35.

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

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

修改稿日期： 2017-04-28

Improvement Scheme of Pre-Cooling System in Air Separation

DING Pan-pan1，FANG 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年畢業于安徽理工大學化學工程與工藝專業，助理工程師，現主要從事化工生產工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.015

TQ116.11

B

1004-8901(2017)03-0056-03