余杭亮(液化空氣（杭州）有限公司，浙江 杭州 310012)

空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)

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本文詳細(xì)闡述一般空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)?？辗衷O(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)在整套流程中起著重要作用，因此合理的空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)不僅可以滿足整個(gè)流程的需要，還可以確保設(shè)備的投資成本和運(yùn)行費(fèi)用得到有效，合理的控制。

空分設(shè)備；預(yù)冷系統(tǒng)；工藝設(shè)計(jì)

目前，我國的空分設(shè)備行業(yè)的發(fā)展日益完善，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，大型空分設(shè)備的需求量日益增長大，空分設(shè)備越來越向大型化，標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加精確，標(biāo)準(zhǔn)更為精細(xì)，同時(shí)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛認(rèn)可?？辗衷O(shè)備系統(tǒng)是個(gè)有機(jī)的整體，任何一個(gè)子系統(tǒng)的不合格都會(huì)影響到下游其他子系統(tǒng)的正常工作，甚至導(dǎo)致整套空分系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的不合格。預(yù)冷系統(tǒng)在空分設(shè)備中處于熱端區(qū)域，但占據(jù)著重要地位，只有預(yù)冷系統(tǒng)正常工作，下游低溫工藝流程才能順利展開，因此預(yù)冷系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)問題不容小視。

1 系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)

空氣進(jìn)過空壓機(jī)系統(tǒng)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(zhì)仍需要經(jīng)過空冷塔水洗。

在0.59MPaA下，溫度不同時(shí)，空冷塔出氣含水量及流動(dòng)速度。（含水量用摩爾分?jǐn)?shù)，被6除后為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，飽和氣態(tài)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(shí)的含水量是11℃時(shí)的79.0%，而13℃時(shí)的含水量是11℃時(shí)的116.7%。20℃時(shí)的含水量是11℃時(shí)的181%。

12℃時(shí)不同壓力下的空冷塔進(jìn)氣含水量以及空冷塔頂部出口氣體流速。

分子純化器設(shè)計(jì)時(shí)，普遍要求溫度低于15℃，多數(shù)都會(huì)以12℃為設(shè)計(jì)點(diǎn)，但是在運(yùn)行過程中，一旦外加冷源發(fā)生故障，冷凍水泵停機(jī)時(shí)，空冷塔出口的溫度就會(huì)達(dá)到將近21℃，這樣就會(huì)使得出口的空氣含水量幾乎是設(shè)計(jì)溫度時(shí)的兩倍。結(jié)合上表發(fā)現(xiàn)，在12℃時(shí)，壓力不斷降低（從595KPa(A)降到450KPa (A），含水量會(huì)增大了大約30%?？绽渌僭谠黾拥幕A(chǔ)上，帶水量會(huì)大大增加。

預(yù)冷系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期的降溫效果會(huì)受到多種因素的影響，比如噴淋的水量、設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(dāng)水氣比大時(shí)，水的溫降數(shù)值小，空氣不能冷卻到很低的溫度；當(dāng)氣比大時(shí)，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(huì)達(dá)到最小值。

2 系統(tǒng)原理概述

空分設(shè)備進(jìn)氣的溫度是隨著季節(jié)、環(huán)境以及空氣預(yù)冷程度的變化而變化的。如果冷箱的進(jìn)氣溫度升高，一方面，低溫端節(jié)流效應(yīng)就會(huì)大大下降，空氣大量膨脹，能耗也會(huì)相應(yīng)增加；另一方面，對(duì)純化系統(tǒng)內(nèi)吸附器的工作也產(chǎn)生不利影響，難以清除H2O的負(fù)荷，同時(shí)主換熱器的熱負(fù)荷不斷增大；以上兩點(diǎn)均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)空氣分離設(shè)備都呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)。因此預(yù)冷系統(tǒng)必須將冷箱進(jìn)氣溫度控制在一定的范圍內(nèi)，確保設(shè)備的節(jié)能和穩(wěn)定。

大型空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)通常采用氮水系統(tǒng)，并且與壓縮機(jī)末級(jí)冷卻相結(jié)合，若將空壓機(jī)末級(jí)冷卻器取消，熱負(fù)荷被轉(zhuǎn)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(jīng)過上半部分被由冷凍水泵送出的冷凍水再次冷卻到系統(tǒng)需要的設(shè)計(jì)溫度。同時(shí)在水冷塔內(nèi)，被空氣加熱的冷凍水被從冷箱送出的干燥氮?dú)饣蛭鄣獨(dú)饫鋮s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(tǒng)冷卻。這就是氮水預(yù)冷系統(tǒng)整個(gè)工作流程。

從流程形式上看，氮水預(yù)冷系統(tǒng)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(jī)組提供的外加冷源和液氨蒸發(fā)器提供的外加冷源，后者使用于有液氨的企業(yè)。當(dāng)?shù)獨(dú)獾漠a(chǎn)量與氧氣產(chǎn)量的比例小于1，并且從水冷塔抽出的冷凍水能將進(jìn)入空冷塔的空氣溫度降到12℃左右時(shí)，就可選取無外加冷源的系統(tǒng)。當(dāng)沒有外加冷源時(shí)，為了保證空冷塔出口空氣溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值，需要有足夠的冷卻水用于降低空壓機(jī)出口的空氣溫度，同時(shí)也需要相應(yīng)增加氮水塔填料高度，讓冷卻水與從冷箱內(nèi)抽出的氮?dú)饣蛭鄣獨(dú)獬浞謸Q熱成冷凍水。在設(shè)置有外加冷源的低溫制冷系統(tǒng)中，降低進(jìn)氣溫度后系統(tǒng)會(huì)大大減少能耗，同時(shí)也可以極大提升下游分子篩系統(tǒng)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(yù)冷和純化系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行。

冷凍機(jī)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(tǒng)自動(dòng)化控制

當(dāng)前空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)中，需要配備一些簡單的儀表以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的功能。

（1）空冷塔氣路的進(jìn)出口，需要設(shè)置壓差變送器和空冷塔內(nèi)部水位的液位計(jì)以保證正常工作狀態(tài)下，空冷塔內(nèi)部水位不進(jìn)入空氣管線。液位計(jì)還需要控制空冷塔底部的自動(dòng)排水閥，使塔內(nèi)冷卻水液位保持穩(wěn)定。如果進(jìn)出口空氣壓差超過6KPA，或者冷卻水液位接近空氣進(jìn)口管線下端，預(yù)冷系統(tǒng)自動(dòng)跳車。

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

（3）在氮水塔側(cè)也需要增加液位計(jì)及由液位計(jì)控制的進(jìn)水閥，用于保證氮水塔內(nèi)液位穩(wěn)定，當(dāng)?shù)?nèi)液位接近氣體管線下端時(shí)，預(yù)冷系統(tǒng)自動(dòng)跳車

4 系統(tǒng)設(shè)備介紹

當(dāng)前的空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)中，對(duì)于沒有末端冷卻器的空壓機(jī)，在設(shè)計(jì)中趨向于采用雙層空冷塔直接接觸式，使空壓機(jī)出口空氣的溫度分段降低，分子篩的運(yùn)行效率得以改善，空氣中的各種雜質(zhì)和酸性氣體都被清除；空冷塔的高溫氣體進(jìn)口處設(shè)置導(dǎo)流板，同時(shí)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(duì)差的塑料填料，既使塔的換熱性能得到良好的發(fā)揮，阻力也大大減少，空壓機(jī)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(jié)構(gòu)，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(shè)置有兩段自由分離的空間，頂端還配置了絲網(wǎng)材質(zhì)的除霧器，能有效保證空氣在出空冷塔時(shí)不帶水。而水冷塔選用的是高效的規(guī)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(shí)利用氮?dú)饣蛭鄣呐欧趴刂评湎渖纤毫?，保證精餾塔內(nèi)精餾充分進(jìn)行。此外，冷凍水泵和冷卻水泵通常設(shè)置成一用一備及自動(dòng)啟泵模式，保證了在一臺(tái)水泵出現(xiàn)電氣故障時(shí)，另外一臺(tái)備用水泵能及時(shí)啟動(dòng)，提供足夠壓力的冷卻水或冷凍水參與換熱，確保設(shè)備的可靠和安全。

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