淺析主冷液面波動的原因及處理方法

趙維東

摘要：對8000Nm3/h制氮裝置正常生產(chǎn)時主冷液面的波動情況進行了研究。闡述了主冷液氧液面穩(wěn)定的重要性及液面波動的危害。通過分析純化器切換、氮壓機負荷調(diào)節(jié)，以及分餾塔壓力參數(shù)變化時對主冷液面的影響，找到主冷液面波動的原因。根據(jù)生產(chǎn)情況，提出相應(yīng)的處理方法，穩(wěn)定主冷液面，降低波動帶來的影響，保證裝置平穩(wěn)運行。

關(guān)鍵字：低溫制氮; 主冷液面波動; 影響因素; 原因分析

前言：低溫制氮，也叫空氣深冷分離制氮，是利用空氣中氮氣和氧氣在一定的溫度（?170℃左右）狀態(tài)下，它們的沸點不同，而達到分離的目的。主要工藝流程是空氣壓縮、空氣預冷、空氣凈化、空氣精餾分離、空氣換熱等。主冷凝器是空分裝置精餾塔的主要部件，在8000Nm3/h制氮空分單元中，主冷凝蒸發(fā)器設(shè)置于塔的上端，主冷凝蒸發(fā)器中液氧受塔下部上升的飽和氮氣液化放熱而氣化，進一步釋放液氧中的氮氣，形成污氮氣。塔下部飽和氣態(tài)氮通過主冷凝蒸發(fā)器吸收冷量液化，得到高純度的產(chǎn)品氮，同時為下部上升氣流提供回流液。主冷凝蒸發(fā)器通過熱量的傳遞，將塔的上下部串聯(lián)起來，使得分餾塔工藝穩(wěn)定運行。

液氧液面值（以下簡稱主冷液面）是主冷凝蒸發(fā)器十分重要的一項指標，主冷凝蒸發(fā)器換熱面積是否得到充分利用，整個精餾系統(tǒng)的冷量是否平衡，都可以從主冷液面的高低上直接體現(xiàn)和反映出來。主冷液面控制不到位，會直接導致分餾塔操作失衡，影響整個系統(tǒng)的能量平衡，造成能耗升高，產(chǎn)品純度降低。

因此，將主冷液面控制在合理的范圍內(nèi)，同時，依據(jù)具體的生產(chǎn)工況，優(yōu)化調(diào)整主冷液面實際值，對于裝置長周期穩(wěn)定高效運行十分重要。本文擬對8000Nm3/h制氮空分單元正常生產(chǎn)過程中，從工藝操作調(diào)整或工藝變化的角度進行分析，探討分析造成主冷液面波動的因素，并提出對應(yīng)的處理方法。

1 分子篩切換對主冷液面的影響及處理方法

裝置采用分子篩純化器對壓縮并冷卻后的原料空氣中的水份、二氧化碳和碳氫化合物去除。分子篩純化器在正常生產(chǎn)時要經(jīng)過以下個步驟：

均壓 —吸附（生產(chǎn)）— 卸壓 —加熱（再生）— 冷吹

兩臺純化器的切換發(fā)生在其中一臺均壓之后，再生、冷吹完畢的一臺純化器進行升壓，當兩臺純化器壓力均衡后，也就是等于空氣總進口壓力后，兩臺分子篩純化器按照DCS程序設(shè)置開始進行切換。再生完成的一臺純化器對原料空氣進行吸附作業(yè)，向后系統(tǒng)源源不斷的輸送合格空氣。而另一臺純化器開始進行再生。

當兩臺純化器進行切換時，我們經(jīng)常能監(jiān)測到主冷液面會發(fā)生小幅上漲的情況（見圖 1）。當進入吸附（生產(chǎn)）流程的一臺純化器進行升壓時，此時，因空氣壓縮機出口壓力變化很小，相應(yīng)的連鎖調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能及時迅速發(fā)生反應(yīng)，因此會造成空氣總量不變，而進入精餾塔的實際空氣量會減少，相應(yīng)的塔下部上升氣相總量減少，使得塔中上升的氮氣量減少，與主冷凝器進行熱交換的氮氣量也減少。這樣，主冷凝器中的液氧獲得的熱量也相應(yīng)地有所減少，液氧蒸發(fā)量會降低，因此短時間內(nèi)就會出現(xiàn)主冷液面小幅波動上升現(xiàn)象。

在純化器升壓結(jié)束，兩臺純化器完成再生和吸附角色的切換后，主冷液面開始下降，下降幅度比較小、時間比較長（見圖 1）。這是因為剛切換過來的純化器雖然經(jīng)過冷吹，但分子篩顆粒內(nèi)部殘余熱量因冷吹時間所限，并不能其內(nèi)部熱量全部帶走，由于分子篩殘余熱量的存在，使得初始產(chǎn)出空氣溫度相較與進入分子篩的冷卻空氣溫度升高。冷吹末期分子篩出口空氣溫度在22 - 45℃之間，而進口空氣溫度為3- 10℃之間，由于這部分熱量會被空氣帶入塔內(nèi)，造成空氣進精餾塔溫度升高。此時，塔中上升的氮氣量增加，與主冷凝器進行熱交換的氮氣量也增加。使得主冷凝器中的液氧獲得的熱量也相應(yīng)地有所增加，液氧蒸發(fā)量會增大，因此短時間內(nèi)就會出現(xiàn)主冷液面小幅波動下降現(xiàn)象。（見圖2）。

發(fā)生這一現(xiàn)象時一般下塔液面會發(fā)生周期性的波動，所以LCV-1閥門也會在范圍內(nèi)開關(guān)數(shù)次，目前LCV-1由塔底液位（500～650mm）控制在56% - 66%的范圍內(nèi)，如果該閥門開關(guān)幅度過大的話，也會造成上塔液面波動，同時影響氮氣、氧氣純度。

1.1 處理方法

1.嚴格控制純化器升壓速度，穩(wěn)定各項操作，盡可能降低進精餾塔空氣量影響。同時穩(wěn)定空壓機出口壓力;

2. 在純化器切換前對工藝進行適當調(diào)整，將主冷液面保持在高位（工藝指標 2200-2400 mm，報警值2220-2390 mm）;

3. 在純化器切換過程中，可以適時適當增加膨脹空氣量，以利于主冷液面的穩(wěn)定;

4.在純化器切換后，要微關(guān)排/充液V5閥門，但在純化器切換前，如果冷凝蒸發(fā)器液位處于上升趨勢時，要根據(jù)實際情況調(diào)整V5閥門。

采取以上措施可以平穩(wěn)度過純化器切換，保證主冷液位、產(chǎn)品純度穩(wěn)定

2 ?氮氣出塔量對主冷液面的影響及處理方法

（1）正常情況下設(shè)定氮氣出塔量為7000-7100Nm3/h，無大量用氮需求時，該設(shè)定值不做調(diào)整，以保證出塔量穩(wěn)定，分餾塔工況穩(wěn)定。

（2）如出現(xiàn)大量用氮情況，增加出塔量時，由于分餾塔冷量平衡破壞，需要通過調(diào)整膨脹機噴嘴，重新建立冷量平衡，此時調(diào)整膨脹機噴嘴要根據(jù)塔內(nèi)溫度進行微調(diào)。

（3）氮氣出塔量增加，則液氮產(chǎn)量會減少，因此，當出塔量增加時，要根據(jù)冷凝蒸發(fā)器液位，適當關(guān)小V5閥門，以保證下塔液位和冷凝蒸發(fā)器液位平穩(wěn)。

3 塔壓力變化對主冷液面的影響

在生產(chǎn)中，我們還可以觀察到，伴隨著下部塔系統(tǒng)壓力升高，主冷液面也會出現(xiàn)短暫略微升高的現(xiàn)象。同樣，遇到塔上部系統(tǒng)壓力升高時，主冷液面也會出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。在下部塔系統(tǒng)中，當提高塔內(nèi)壓力時，氣態(tài)氮的液化溫度相應(yīng)的升高，其氣化潛熱相應(yīng)的降低，這就使得主冷中的液氧獲得的熱量相應(yīng)的減少，也就減少了蒸發(fā)量，使得主冷液面出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。而在塔上部系統(tǒng)中，當塔壓升高時，液氧的氣化溫度升高，氧氣更易于液化，也就減小了蒸發(fā)量，同時也增大了冷凝量，使得主冷液面也出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。同理，當塔整體壓力降低時，主冷液面也會出現(xiàn)短暫降低的現(xiàn)象。

處理方法

1.在生產(chǎn)中要穩(wěn)定空、氮壓機的運行，降低進氣量和取出量的大幅變化對塔壓的影響。

2.及時調(diào)整和優(yōu)化工藝，在主冷液面波動時，要仔細觀察各個工藝參數(shù)，綜合研判進行調(diào)整，在工藝調(diào)整時，盡可能采取小幅度、勤觀察細致調(diào)整，穩(wěn)定工況，優(yōu)化運行。

4 結(jié)論

通過對空分裝置正常生產(chǎn)時，影響主冷液面波動的各類因素，純化器切換、氮壓機負荷調(diào)節(jié)，以及精餾塔壓力參數(shù)變化等的綜合分析研究，確定影響主冷液面波動的各種原因，同時針對原因，給出比較實際可行的操作或處理措施。同時，我們在生產(chǎn)中還需要注意的是，當主冷液面出現(xiàn)較大波動時，應(yīng)以調(diào)節(jié)氮氣純度為重要目標，必要時可以犧牲一部分主冷液面，以保證氮氣純度及產(chǎn)品供應(yīng)。