内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法分析

内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法分析

张金明,肖秋林

杭州锦华气体设备有限公司，浙江省杭州市310000

浙江绍兴三锦石化有限公司，浙江省绍兴市312000

摘要：液氧内压缩流程空分设备与氧气外压缩流程空分设备工艺流程不同，上塔提馏段氧气纯度调节方法差异较大。内压缩流程空分设备采用空气循环增压、膨胀空气进下塔、液氧内压缩及氮气外压缩、全精馏制氩工艺流程

关键词：内压缩流程；空分设备；氧气纯度；调节方法

引言

液氧内压缩流程空分设备自投入运行，在空分设备开车、运行时对上塔提馏段氧气纯度采用不同调节方法，经过对内压缩流程空分设备上塔提馏段氧气纯度不同调节方法进行分析及实际运用效果比较，认为内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法与传统的外压缩流程空分设备氧气纯度调节方法有较大不同。

1空分流程简介

制氧生产使用的是空分设备，其中4台空压机在生产中为用3备1，2台膨胀机用1备1，纯化器1组再生切换使用。生产流程为:1台空压机提供原料气体，通过预冷机机组使原料气体降温，经油水分离器后进入纯化器进行干燥净化，去除水分、二氧化碳和碳氢化合物后的洁净空气进入主换热器，经过热交换温度降至－173℃后进入空分塔进行精馏;冷却原料气体的冷量由制冷循环系统提供，制冷循环系统使用的气体为经过纯化器净化后的洁净空气，由2台空压机循环气体，加压后的洁净空气进入增压机增压后进入膨胀端，压力下降，气体对外做功，温度下降，膨胀后的空气温度在－183℃左右进入主换热器用于冷却原料空气，换热后的气体再由空压机压缩提高压力。在循环过程中，损耗的气体用原料气体进行补充。

2制冷系统密封分析

制冷循环系统气路是闭合运行的，经过启动调整后的循环空气量相对稳定。在不考虑原料气体影响的前提下，循环系统密封不严密会使未净化的空气进入循环系统或冷却器微漏，导致主换热器堵塞，系统无法正常运行。近年来多次出现主换热器堵塞问题，经排查发现是由于循环系统密封不严，大气进入循环系统，水分、二氧化碳等杂质在主换热器中析出导致堵塞。

2.1分子筛吸附效果影响

空分设备主要采用纯化器净化原料空气，纯化器中装填13X-APG型分子筛。主要利用分子筛内部多孔型结构对极性分子和不饱和分子具有很强吸附能力来净化空气中气体杂质。吸附剂的使用寿命受环境和使用频率的影响比较大。受间歇性生产的影响，每次生产结束后，有一只吸附桶内分子筛处于饱和状态，相当于长期处于不利环境而未进行有效的处理，从而导致分子筛使用寿命下降。由于空分设备使用年限较长且未配备在线监测设备，仅在纯化器后有一台露点仪，露点仅能表示吸附后原料空气中水分的含量，不能表征其他组分含量，如二氧化碳、碳氢化合物等。

2.2冷却器密封影响

空分设备配备的空压机为ZW-48/7-II型空气压缩机，空气经压缩后温度达150℃左右。为降低压缩能耗，要尽量减小温升。该空压机设有一、二级两个冷却器，在一级压缩气体排出后经一级冷却器降低压缩后气体温度;温度降低后进行二级压缩，压缩后气体在二级冷却器降低温度。空气经过二级压缩、二级冷却后，空压机最终排气温度为30℃左右。TPZ-13型增压透平膨胀机增压出口温度夏季达55℃，冬季也在40℃以上。高温气体进入主换热器会加重换热器负荷。为降低增压机出口温度，设立增压机后气体冷却器，用冷却水(≤30℃)冷却降温至20℃左右。空压机一、二级冷却器和增压机后冷却器均属于壳管式换热器，如内部出现裂缝或因锈蚀出现针眼，则有可能将水分带入到循环系统中。

2.3进口阀门密封影响

阀门是流体输送系统中的控制部件，具有导流、截流、节流、调节、防止倒流、分流/溢流和卸压的功能。空压机进口阀门为蝶阀，蝶阀是指关闭件(阀瓣)为圆盘，通过围绕阀座内的轴旋转来达到开启与关闭的一种阀，在管道上主要作用为切断和节流。空分设备设有4台空压机，通过管路、阀门并联，设备运行时使用3台，1台作原料空压机，2台作循环空压机。空压机原料气进口阀与循环气阀并联，若作为循环空压机的原料气进口阀密封不严，当循环空压机进口出现真空时，大气就会通过原料气阀门被循环空压机吸入，进入循环系统。

2.4空压机前消声过滤器密封影响

ZW-48/7-II型空气压缩机为有效过滤固体杂质降低噪音，配有机前消声过滤器。空气进入消声过滤器后，经150目过滤网进入空压机。为防止空压机进气管路出现负压、超压引起空压机及过滤器损坏，过滤器顶端密封采用10mm铁板加橡胶垫密封，过滤器底部中间引出一根螺杆通过螺母进行紧固。空压机空气消声过滤器由于循环空气压力调节或其他操作引起的一级吸入压力波动过大，可能会导致顶盖橡胶垫破裂或密封面松动，使未经净化处理的空气被空压机吸入，带入循环系统。

3环境温度对膨胀机运行稳定的影响

3.1膨胀机机前温度与制冷量的关系

当进、出口压力一定时，机前温度越高，焓降越大，也就是单位制冷量越大。但是提高膨胀机的进口温度，在膨胀机结构、导流器开度一定的情况下，因进膨胀机气体的比容增大，而使流量减少，即膨胀量减少，总的制冷量增加还是减少要通过计算确定。这表明膨胀机的高温高焓降作用大于使膨胀量减少的反作用。因此，欲使制冷量增加，在操作中应尽量的发挥膨胀机的高温焓降的作用。但是在启动操作中必须使设备不断降温，膨胀机的进口温度也随之下降，温度无法升高。在实际操作中只能通过调节各道阀门，设法让膨胀机在进口温度较高的情况下运行时间尽可能长一些，即使进口温度下降慢一些，以充分发挥膨胀机高温焓降的作用。应当注意的是:机前温度提高，膨胀后的温度也会提高，在正常生产时，温度的提高幅度是有限的，在操作时，应在不影响工况的前提下，通过适当提高机前温度来达到增加单位制冷量的目的，要综合考虑主换热器的换热效率和进下塔空气温度，尽可能避免单纯依靠增压机旁通阀来提高机前温度。

3.2环境湿度导致膨胀机堵塞的因素

冷却原料空气的冷量由制冷循环系统提供，制冷循环系统使用的气体为经过纯化器净化后的洁净空气，由两台空压机作为循环气体空压机，加压后的洁净空气进入增压机增压后，经主换热器预冷温度达－135℃左右，进入膨胀端压力下降，气体对外做功，温度下降，经膨胀后的空气温度在－185℃左右进入主换热器用于冷却原料空气，换热后的气体再由空压机压缩提高压力。在循环过程中，损耗的气体用原料气体进行补充。空分设备制冷工艺流程气路是闭合运行的，首先考虑原料气体固体杂质的影响，压差增大是一个累积的过程，检查更换增压机前及膨胀机前过滤器滤芯，堵塞问题依然发生。堵塞源应为水分和二氧化碳等有害杂质。循环空气主要有3处可能引入水分和二氧化碳等有害杂质的部位:一是循环管路密封不严，大气中的水分进入循环气;二是冷却器微漏;三是分子筛吸附不彻底，造成有害杂质进入主换热器发生堵塞。

3.3影响循环空气因素的分析

循环空气气路是闭合运行的，经过启动调整后的循环空气量相对稳定，经两台循环空压机压缩后进入增压机，再经过冷却器冷却后进入膨胀机，空气膨胀对外做功温度下降成为低温气体，在主热交换器热交换后返回空压机完成1次循环。在不考虑原料气体影响的前提下，循环空气主要有3处可能引入水分和二氧化碳等有害杂质的部位，空压机空气过滤器由于循环空气压力调节或其他操作引起的一级吸入压力波动过大可能导致顶盖破裂漏气使未经净化处理的空气带入水分和二氧化碳等杂质，空压机一、二级冷却器和增压机后冷却器属于水冷装置，内部出现裂缝或因锈蚀出现针眼都有可能将水分带入循环空气。引入的水分等杂质冻结在膨胀机前过滤器等较易结霜的部位导致膨胀机不能正常运行。如果进入主热换器，轻则导致换热效果下降、产品产量下降，严重情况下将导致膨胀机无法正常运行、整个精馏系统无法正常运作进而导致产量下降。

4内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法分析

4.1技术改造方案的设计

技术改造方案初步构想概括如下。在保留空分原有压力控制联锁的基础上，对高压氧气管网进行增氧，并迅速安全放空联锁。可以新增3台气化炉跳车信号，使其触发氧气放空阀，快速达到开大联锁，当一台/多台气化炉同一时间发生停车，联锁停车信号将立即告知空分DCS集散控制系统，控制系统将迅速开大放空阀。高压氧气管网压力控制器根据高压氧气管网压力实时检测值，按照系统设定的压力值AUTO调整氧气阀开度，确保氧气快速放空量，从而实现迅速泄放、稳定高压氧气管网压力、确保稳定、规避安全事故发生。为了确保技术改造质量，技术改造工作由公司总工办直接负责实施，整体工作由工艺副总工程师总领，仪表副总工程师配合。工艺组编制工艺技术方面的各种要求，工艺副总工程师审核后转给仪表组编制自动控制策略、绘制自动控制逻辑图，仪表副总工程师审核结束后进行联审。最后，设计方案再次发送给工艺包供货商林德工程公司和项目工程设计单位华陆工程科技有限责任公司审核把关。使得高压氧气管网自动控制系统技术改造方案万无一失。

4.2投用前各项检查及准备工作

由于氧气的特殊化学性质，周边企业近年来均发生过氧阀爆炸、氧管线燃烧爆炸等安全事故，造成企业生产经营活动长时间不能恢复，企业效益受到严重影响，企业声誉受到极大的损害。因此，高压氧气系统各项工作都要非常认真、慎重进行。本次技术改造是高压氧气系统的重大改造，对氧气的流量、压力、流速等瞬时指标都有较大影响。因此，与氧气相关的所有环节都要保持严肃、科学、审慎的态度，检查除了主要的控制方案及供货等主要环节外，还要包括一些小细节、辅助环节，具体包括但不仅限于如下工作：(1)由各专业组负责人亲自挂帅逐个排查高压氧系统内的一些容易出现问题的部位，重点是本公司和周边几家企业前几次出现问题的部位。(2)严格按照林德工程公司技术要求检查高压氧系统管网接地电阻和法兰间电阻，使其实际数值分别不大于1.00Ω、小于0.03Ω。(3)针对高压氧自动控制系统的技术改造工程，编制完善《事故预案》并认真培训，所有员工经考试合格后颁布实施。(4)技术改造各项目完成后进行反复空试、系统联合调试，直至完全合格。(5)重新修订高压氧气管网压力自动控制系统管理制度，并组织车间全体干职员工认真学习，严格执行。

4.3氧气流量调节方法

改变内压缩流程空分设备氧气流量，使从主冷中抽取入主换热器的液氧流量发生改变，在主换热器中与液氧换热的高压空气流量压力发生变化，入上塔提馏段进行精馏的下塔液空氧含量及液空流量变化，上塔提馏段氧气、氮气组分平衡状态改变，氧气纯度变化。在内压缩流程空分设备正常运行状态下进行变负荷操作时，改变氧气流量，主冷液氧蒸发量变化值较小，上塔提馏段上升蒸气流量变化幅度小，上塔提馏段氧气纯度运行值变化不明显。同时，改变氧气流量必须对入下塔参与精馏的高压空气流量压力进行相应调节，以保持主换热器热端温差、中部温度稳定。上塔提馏段液空进料口处的回流液体氧含量、流量变化幅度小，上塔提馏段氧气纯度进行调节的精馏时间较长，氧气纯度变化量小，氧气纯度运行值不易控制。

结语

液氧内压缩流程空分设备与氧气外压缩流程空分设备工艺流程有较大不同，氧气纯度调节方法差异较大。通过对内压缩流程空分设备工艺流程特点与影响氧气纯度因素分析，针对性运用适合不同精馏工况的各种氧气纯度调节方法，在空分设备开车、运行时，使氧气纯度调节时间短、氧气纯度运行值稳定。

参考文献

［1］李化治．制氧技术［M］．2版．北京:冶金工业出版社，2009．

［2］汤学忠，顾福民．新编制氧工问答［M］．北京:冶金工业出版社，2001．

［3］毛绍荣，朱朔元，周智勇．现代空分设备技术与操作原理［M］．杭州:杭州出版社，2005．