空分裝置分子篩加熱器冷凝液的回收

張蘭文，廖鳳運，郭濤

（貴州赤天化桐梓化工有限公司，貴州遵義653200）

貴州赤天化桐梓化工有限公司空分裝置分子篩吸附器、加熱器冷凝液使用同一根管線，存在疏水不暢，影響換熱效果，以及冷凝液直接排放造成的浪費和環保排放壓力等問題，為此，提出將該加熱器冷凝液進行技術改造加以回收，既能提高換熱效率，又能解決環保排放壓力，還能實現清潔生產和節能降耗。

1 工藝流程

貴州桐梓化工有限責任公司是赤天化集團為了發展壯大，同時提高無煙煤利用率，在貴州省遵義市桐梓縣投資建成的一家現代化新型煤化工企業。企業擁有兩套43 000 Nm/h產氧量的空分裝置，以甲醇、合成氨和尿素為主要產品。

空分裝置主要原理即將空氣進行精餾分離?？諝獾木s就是利用空氣的各種組分具有不同的揮發性,即在同一溫度下各組份的蒸汽壓不同，將液態空氣進行多次部分蒸發與部分冷凝，從而達到分離各組分的目的。當處于冷凝溫度的氧、氮混合氣穿過比它溫度低的氧、氮混合液體時，氣相與液相之間就發生熱、質交換，氣體中的部分冷凝成液體并放出冷凝潛熱，液體則因吸收熱量而部分蒸發。因沸點的差異，氧、氬的蒸發順序為：氮＞氬＞氧，冷凝順序為：氧＞氬＞氮。在本系統中，該過程是在塔板上進行的，當氣體自下而上地在逐塊塔板上通過時，低沸點組分的濃度不斷增加，只要塔板足夠多，在塔的頂部即可獲得高純度的低沸點組分。同理，當液體自上而下地在逐塊塔板上通過時，高沸點組分的濃度不斷增加，通過了一定數量的塔板后，在塔的底部就可獲得高純度的高沸點組分。

純化系統作為進塔空氣凈化除雜的重要工段，該系統主要由兩臺吸附器、兩臺蒸汽加熱器組成。分子篩吸附器為臥式雙層床結構，下層為活性氧化鋁，上層為分子篩，兩只吸附器切換工作。由空冷塔來的空氣，經吸附器除去其中的水份、CO及其他一些CH后，除一部分作儀表氣之外，其余均全部進入分餾塔及增壓機。當一臺吸附器工作時，另一臺吸附器則進行再生、冷吹備用。由分餾塔來的污氮氣，經蒸汽加熱器加熱至170℃后，入吸附器加熱再生，解析掉其中的水份及CO，后經放空消聲器排入大氣。經由吸附器純化后的空氣水含量在-60℃露點以下，CO≤1 mL/m，溫度為23℃，蒸汽耗量在12 t/h，而冷凝液成本較高，加以回收可以節約公司運營成本。

2 冷凝液回收幾點想法

2.1 取消疏水器，加冷凝液罐的方法

2.1.1 設備安裝

要求加熱器內不積液。加熱器冷凝液出口距地面1.4 m左右，冷凝液罐安裝基礎就得低于地表面，在地上挖坑。

2.1.2 冷熱交替。

分子篩4 h一切換，只有4 300 s加熱時間，冷吹就占去兩個多小時，也就是只有1個多小時在回收冷凝液，其余的兩個多小時沒有冷凝液通過，管線設備處于降溫狀態。這樣一冷一熱交替，必然存在交變應力，設備很有可能損壞。

2.1.3 自動控制

要求在加熱時，冷凝液連續排出，冷凝液出口需安裝一個液位控制閥，自控液位計，再鋪儀表線，組態，在DCS畫面上進行監視控制。

2.2 使用疏水器結合冷凝液罐回收冷凝液的方法

目前分子篩加熱器冷凝液回收問題主要是：當A、B兩套同時加熱時，導致A套冷凝液流通不暢，這是因為冷凝液用同一根管線回收。

現有一種解決措施，將兩套冷凝液回收管線獨立開，A、B套各用一根管線回收冷凝液，B套用原有的回收管線，A套增加一根DN50無縫鋼管的0.5 MPa蒸汽冷凝液回收管線，同時在遠端增加一個冷凝液回收罐，使疏水器排出的冷凝液經兩根單獨管線排入冷凝液罐進行分離回收，如圖1、圖2所示。

圖1 蒸汽冷凝液回收改造前方塊圖

圖2 蒸汽冷凝液回收改造后方塊圖

經計算，可行（計算過程詳見下文）。

3 熱力衡算

現由于各種原因，分子篩在加熱和冷吹時都需要延時一段時間，導致A、B套分子篩同時加熱，同時冷吹。同時冷吹無關緊要，同時加熱就增加了2.5 MPa蒸汽管網的負荷。由于A、B套分子篩加熱器冷凝液匯聚在同一根管上回收，使得在同時加熱時A套分子篩加熱器排水不暢，嚴重影響分子篩加熱再生。為了不影響A套分子篩加熱器冷凝液輸送，可以用DN50管子回收冷凝液，看其是否滿足要求。

已知分子篩加熱時經過加熱器污氮氣量為48 000 Nm/h，加熱器前污氮氣溫度20℃，經過加熱器后溫度至180℃，污氮氣從20℃升至180℃時所需的熱量：

式中：Q—吸收總熱量，kJ；m—污氮氣質量，kg；C—氮氣定壓熱容，kJ/(kg·K)；T—加熱器前污氮氣溫度，K；T—加熱器后污氮氣溫度，K。

由（1）式得：

計算中將污氮氣看成純氮氣，可知將污氮氣從20℃加熱至180℃每小時需要9 964 800 kJ熱量。

用2.5 MPa飽和蒸汽作為熱源加熱污氮氣，用飽和水蒸氣作為熱源加熱介質時，主要用其氣化潛熱。在實際工況中，經觀察統計，兩套空分同時加熱時，加熱器前蒸汽壓力1.3 MPa左右；單套加熱時，加熱器前蒸汽壓力1.7 MPa左右。

設x kg的水蒸氣凝結熱為W，已知1.3 MPa飽和水蒸氣潛熱為1 972.1 kJ/kg；1.7 MPa飽和水蒸汽潛熱為1 923 kJ/kg；由于無法獲得加熱器熱損失，暫記為0。

由熱量守恒，兩套同時加熱時：

由計算可知，兩套分子篩同時加熱時每套每小時需要5 052.88 kg蒸汽；單套加熱時每小時需要5 181.90 kg蒸汽，加上熱損失預計為5 500 kg/h。

每套每小時需要排出的冷凝液為5.5 t。

用DN50無縫鋼管回收冷凝液：

查得飽和水密度約為855 kg/m

得到蒸汽冷凝液體積流量q為：

管道中冷凝液流速v為：

蒸汽冷凝液在管內流速范圍推薦值為0.5～1.5 m/s，故用DN50無縫管回收冷凝液滿足要求。

分子篩加熱器蒸汽冷凝液疏水器為自由浮球式蒸汽疏水器，最高工作背壓率為85%，背壓率為疏水器出口壓力與進口工作壓力之比；已知疏水器出口壓力取0.47 MPa，進口工作壓力取1.8 MPa，則工作背壓率為：

故疏水器出口壓力符合排水要求。

綜上所述，在疏水器工作正常情況下，出口壓力0.47 MPa左右，用DN50無縫管回收冷凝液滿足要求。

4 對比分析

對比兩個方案均可行。采用第一種方法，即取消分子篩加熱器疏水導淋，直接在管線上增加冷凝液罐，該方案在設備安裝上存在一定局限性，可能會存在一定的交變應力，損壞設備，設備控制需要一套獨立自動控制系統，成本較高。采用第二種方法，即繼續使用疏水器結合冷凝液罐進行冷凝液回收，利于汽液分離，有效減少管道設備中的汽液夾帶，延長管道設備使用壽命，而且改造過程簡單方便，只需要一個疏水器關鍵設備，管線獨立分開，檢維修時也不會影響生產。

5 結論

綜上所述，建議采用第二種方法，即使用疏水器結合冷凝液罐進行冷凝液回收，在提高換熱器換熱效率的同時又解決了環保排放壓力并達到節能降耗的目的。目前，貴州赤天化桐梓化工有限公司已完成改造，每個再生周期4 h可回收蒸汽冷凝液18 t，每日可回收近100 t，每年可節約3萬t蒸汽冷凝液，按噸除鹽水生產成本8～10元計，每年可節約近30萬元，節能效果明顯。