孟松濤,孫 宇,蘇建龍,魏明明,湯雁婷

空分裝置熱虹吸蒸發(fā)器爆炸后的檢修與改造

孟松濤1, 2,孫 宇2,蘇建龍2,魏明明2,湯雁婷1*

(1.河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004；2.開封空分集團 設(shè)計研究院，河南 開封 475004)

介紹熱虹吸蒸發(fā)器爆炸引起的冷箱扒砂事故，分析事故發(fā)生的原因，并對熱虹吸蒸發(fā)器的取舍加以分析。提出技術(shù)解決方案，解決了空分裝置負荷無法提升的問題。

冷箱；扒砂；熱虹吸蒸發(fā)器；偏流

0 引 言

山西某化工廠一期空分是一套6000 Nm3/h空分裝置，采用氮水預(yù)冷、分子篩純化、雙塔流程、空氣增壓膨脹進上塔、外壓縮空分裝置，不生產(chǎn)氬。該裝置于2007年開始籌建，2009年開車調(diào)試成功。從2014年開始出現(xiàn)氧氣產(chǎn)量不斷下降，主換熱器阻力增大，主冷液面維持不住等現(xiàn)象。中間停車加溫反吹過兩次，再開車效果也沒有明顯改觀。

2017年5月某日早上，冷箱內(nèi)爆炸、噴砂。從外觀上看，在爆炸沖擊下，冷箱二、三層平臺高度附近箱板及樓梯平臺出現(xiàn)較嚴重變形。發(fā)生事故后，現(xiàn)場緊急停車、排液、加溫，待復(fù)熱后扒砂查看。發(fā)現(xiàn)冷箱內(nèi)設(shè)置的熱虹吸蒸發(fā)器爆炸，液氧進口側(cè)換熱器封頭已經(jīng)完全炸開，在爆炸沖擊下附近的膨脹空氣、返流氮氣等管道都出現(xiàn)不同程度的斷裂和變形，附近鋼結(jié)構(gòu)焊接或者螺栓連接部分脫裂。

1 事故分析

經(jīng)調(diào)查，事故發(fā)生前近一個月時間沒有生產(chǎn)液氧，也沒有向液氧噴射蒸發(fā)器排液氧。主冷為全浸式單層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場兩臺膨脹機同時運行，總膨脹空氣量為9000 Nm3/h(設(shè)計值5800 Nm3/h)情況下，實際操作液位高度為2200 mmH2O [設(shè)計值2600 mmH2O(注：1 mmH2O=9.81Pa)]。運行負荷遠低于設(shè)計工況以及后續(xù)甲醇裝置正常需氧量。在這種操作條件下主冷液位仍然難以維持。迫于后續(xù)生產(chǎn)任務(wù)，鋌而走險長時間不排液導(dǎo)致事故發(fā)生。

1.膨脹機增壓端；2.水冷卻器；3.膨脹機膨脹端；4.主換熱器；5.下塔；6.冷凝蒸發(fā)器；7.上塔；8.熱虹吸蒸發(fā)器圖1 裝置冷箱內(nèi)流程簡圖Fig.1 Process configuration in the cold-box

表1 檢測點操作壓力Table 1 Operating pressure of inspect point

經(jīng)過進一步的審查事故前的運行參數(shù)，對比設(shè)計參數(shù)進行深入分析。造成冷量不夠的直接原因有兩處：一是膨脹比太小，比值僅為4.03，具體操作壓力參數(shù)見表1。另一個原因是主換熱器偏流嚴重，導(dǎo)致熱端溫差太大，冷損太大。本套裝置主換熱器為氧氣、氮氣、污氮氣分開的板式換熱器，實際操作參數(shù)見表2。造成空分裝置負荷提不上去的原因除了制冷量難以維持以及返流氣量受溫度限制外，主冷的溫差長期運行在極限值。主冷板式實際操作浸沒高度1.4 m，考慮液氧柱靜壓后，主冷的實際平均溫差僅為0.4 K，見表3。整套空分裝置的心臟動力不足，自然產(chǎn)量無法提升。

無論是制冷量不足還是產(chǎn)量下降嚴重，歸根結(jié)底在于正流空氣及膨脹空氣阻力太大。在操作負荷減少約三分之一的情況下，正流空氣從分子篩吸附器后到進下塔的阻力達到61 kPa，膨脹空氣從增壓端出口到膨脹端進口阻力也有46 kPa，見表1，嚴重影響了空分裝置的正常運行，也是事故發(fā)生的根本原因。阻力集中在主換熱器正流通道和增壓機后冷卻器(本套裝置采用了板翅式換熱器作為增壓空氣冷卻器)，這也是本次檢修需要解決的問題之一。分子篩運行8年沒有完全更換，導(dǎo)致分子篩粉化是造成主換熱器阻力增大的重要原因。

表2 主換熱器操作數(shù)據(jù)Table 2 Operation data of main exchanger

表3 主冷操作數(shù)據(jù)Table 3 Operation data of main condenser-evaporator

2 熱虹吸蒸發(fā)器分析

本次事故發(fā)生爆炸的熱虹吸蒸發(fā)器以膨脹后的過熱空氣作為熱源。其目的一方面使部分液氧自循環(huán)回主冷，加強液氧流動性，提高主冷安全性；另一方面降低了膨脹空氣進上塔過熱度，增大上塔回流比改善精餾。但缺點也很明顯：增加了膨脹空氣進上塔的阻力，造成膨脹機機后壓力提高，制冷量減少。針對本次事故，主冷操作液位低以及液氧循環(huán)動力不足導(dǎo)致碳氫化合物在熱虹吸蒸發(fā)器積聚[1]。經(jīng)過實際模擬，并對現(xiàn)有設(shè)備核算。設(shè)置熱虹吸蒸發(fā)器時能使進上塔膨脹空氣過熱度降低8 K。如果改造后去掉熱虹吸蒸發(fā)器，過熱膨脹空氣進上塔會使進料板(第35塊)下部的精餾負荷減小，降低精餾效率，見圖2。經(jīng)模擬需要增加170 Nm3/h空氣量能消除去掉熱虹吸蒸發(fā)器對精餾的影響[2]。去掉熱虹吸蒸發(fā)器同時省掉膨脹空氣經(jīng)過熱虹吸蒸發(fā)器的阻力，使膨脹機背壓降低。見圖3，從改造前后空氣膨脹的焓熵圖看，焓降增大能夠增加3 kW的制冷量。又考慮到檢修周期短，重新做一臺換熱器嚴重影響后續(xù)裝置生產(chǎn)計劃，決定去掉熱虹吸蒸發(fā)器。

圖2 上塔氣液負荷Fig.2 Mass flow on the stage of the column

圖3 膨脹前后焓熵變化Fig.3 Enthalpy & entropy of the expander air

3 檢修及改造方案

根據(jù)詳細的分析討論，經(jīng)多方溝通后，針對問題提出了以下檢修及整改方案：

1.割開與熱虹吸蒸發(fā)器相連管道及設(shè)備支架，拆掉熱虹吸蒸發(fā)器。

2.更換純化系統(tǒng)吸附器所有吸附劑。

3.修復(fù)受損管路，主要是膨脹空氣、返流氮氣及與熱虹吸蒸發(fā)器相連管道等。同時檢查其他管道，尤其是液體管道的變形情況，必要時增加支架。

4.鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)。冷箱板出現(xiàn)的局部變型與破損對整個冷箱的強度影響不大，又考慮到更換箱板周期長，故本次采用局部加固的方式修復(fù)。

5.檢查主冷。熱虹吸蒸發(fā)器炸開的翅片碎片上有積碳現(xiàn)象，為了安全起見，打開主冷查看是否出現(xiàn)連帶微爆情況，并對主冷進行串漏試驗。

6.清理設(shè)備進砂。檢查主冷及破損管道的進砂情況，用吸塵器伸入主冷殼側(cè)底部清砂。

7.吹掃主換熱器。割開空氣和膨脹空氣進、出板翅式換熱器的支管，提前從膨脹機增壓端出口引臨時管到板翅式換熱器，安裝吹掃控制手動蝶閥。主要吹正流空氣及膨脹空氣流路。吹掃用恒變壓交替進行，吹掃完畢驗收，以確保無油、無雜質(zhì)。

8.檢修結(jié)束后冷箱內(nèi)管道焊縫要求100%射線探傷，角焊縫應(yīng)著色滲透檢查。冷箱內(nèi)安裝整改工作完成后需要進行試壓查漏，新增焊口和舊焊口都需要重點檢查[3]。

4 結(jié)束語

熱虹吸蒸發(fā)器能夠起到優(yōu)化精餾和降低安全風(fēng)險的作用，但在一些操作條件下反而成了安全隱患，需要具體比較對空分裝置運行的優(yōu)缺點取舍?？辗盅b置長期運行過程中，主換熱器通道堵塞造成的一系列問題非常棘手，而現(xiàn)場普遍因為各種原因不能及時解決。此次改造通過正、反向吹掃，效果明顯，達到了檢修目的，為整個工廠正常運行提供了保障。

[1] 魏玉華.天津乙烯空分裝置主冷防爆問題的探討[J].低溫與特氣,2005,23(3): 34-37.

[2] Aspen Technology Inc.Aspen Plus User Guide [Z].1994

[3] 楊恒.大型空分設(shè)備冷箱檢修經(jīng)驗總結(jié)[M]．深冷技術(shù),2016(7): 52-55．

Air Separation Plant Repair & Revamp After Thermo-siphon Evaporator Explosion

MENG Songtao1,2,SUN Yu2,SU Jianlong2,WEI Mingming2,TANG Yanting1*

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University,Kaifeng 475004,China;2.Design and Research Institute,Kaifeng Air Separation Group,Kaifeng 475004,China)

It introduces the perlite removal from the cold box caused by thermo-siphon evaporator explosion.The cause of the accident and the elimination of the thermo-siphon evaporator were analyzed.It also puts forward the technical solutions to solve the problem of load which cannot be raised in air separation plant (ASP).

cold box; perlite removal; thermo-siphon evaporator; bias current

2017-07-12

河南省教育廳項目(15A530006)；河南大學(xué)科研基金項目(2015YBZR008)

TB657.7

A

1007-7804(2017)04-0019-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.006

孟松濤(1986)，男，工程師，碩士。研究方向：空分裝置流程設(shè)計。