空分预冷系统改进方案探讨

丁盼盼，方传锁，刘春燕

(1.荣盛集团中金石化有限公司，浙江 宁波 315000；2.中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083)



空分预冷系统改进方案探讨

丁盼盼1，方传锁1，刘春燕2

(1.荣盛集团中金石化有限公司，浙江 宁波 315000；2.中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083)

空分预冷系统的空冷塔采用中部回水模式，通过增加污氮气对水冷塔进行降温，针对空气出空冷塔时温度较高，出口温度逐渐偏离设计指标，并对后续系统造成影响的问题，增加1台冷水机组，降低空冷塔的出口温度，保证系统顺利运行。

空分预冷系统；空冷塔；温度；改进

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.015

空分预冷系统主要包括空冷塔、水冷塔、冷却水泵、冷冻水泵、冷水机组、阀门管线及仪表电控系统等。空气经空气过滤系统后进入空气压缩机，127 000Nm3/h的空气经压缩后的压力为0.5MPa(g)，温度为100℃，再进入空冷塔内进行冷却。空冷塔冷源有两类：一类是空冷塔中部通入350t/h的循环冷却水，作为压缩空气冷源；另一类是冷冻水，从冷箱板式换热器复热后的氮气和污氮气进入水冷塔，在水冷塔内对空冷塔上段返回的水进行冷却，冷冻水在水冷塔底部进行收集，通过冷冻水泵将70t/h冷冻水打入空冷塔上部，作为压缩空气的另一部分冷源。

空冷塔采用节能、防带水型高效低阻散堆填料塔，既保证了塔的换热性能，又减少阻力，降低了空压机的出口压力，从而降低能耗。空冷塔还采用了川空专利的防液泛装置，其上部产生的冷凝水直接回到塔釜，能有效防止空冷塔带水进入后系统。水冷塔采用高效、低阻散堆填料塔，充分回收了污氮气的冷量。

1 预冷系统操作现状和出现的问题

在空分运行中，由于环境温度的增高，循环水温逐渐升高，导致空冷塔出口温度最高达到20℃，超过工艺指标设计值18℃，预冷系统各点操作温度见表1，预冷系统见图1。通过分析表1数据可知，水冷塔回水温度TI021106温度较高，与水冷塔出水温度TI021105相差较大，对预冷系统和整个空分的影响有以下几点。

图1 预冷系统

(1)由于空冷塔和水冷塔水温的影响，水冷塔出口温度难以降低，影响系统稳定及换热效率，分子筛出口温度会提高10℃左右，同时影响低压与高压板式换热器的换热温度，导致水冷塔冷却气温度的增长。

(2)空冷塔出口温度高，空气含水量增大，过高的温度和含水量会加剧分子筛的吸附负担，降低分子筛的吸附效率，加快分子筛的损坏程度，空气出分子筛中水分和二氧化碳含量的变化也会影响分馏塔工况[1]。

(3)空冷塔出口温度的增大，导致空压机效率降低，直接影响换热效率，过高的空气温度需要足够的返流气冷量进行换热，直接导致分馏塔冷量不足，影响主冷液位。

(4)为避免增加冷却水泵和冷冻水泵打量导致的水泵振动及轴温增大，没有增加冷冻水和冷却水流量，打开临时空气管线阀门，由于水冷塔进气量的增加，降温效果显著，空冷塔出口温度有明显降低，但加大了空压机负荷，达不到节能降耗的生产目标，同时，水冷塔气量及压力的增加对水冷塔液位影响很大，易造成水冷塔溢流。

表1 预冷系统各点温度(实际操作值)

2 解决方案

2.1 解决方案

正常情况下，在进口空气量、循环水及冷冻水流量保持不变的情况下，空气出空冷塔温度TI021102受循环水温度TI021103和冷冻水进空冷塔温度TI021105的影响，循环水水温的增高，会直接影响到空冷塔的换热效果，在冷却水及冷冻水流量不变的条件下，空冷塔出口温度会随之增大，可通过降低冷冻水温度来降低空冷塔出口温度，在保证产品及氧氮纯度合格的情况下，通过增加进水冷塔的低温污氮量、减少高温污氮量来实现降低冷冻水温度的目的。但在实际运行中发现，操作弹性较小，低温污氮气量已达到设计指标，且高温污氮气量受膨胀机负荷影响，较难操作。增压机中抽气体在进入膨胀机增压端增压后与高压板式换热器进行换热，再进入膨胀机膨胀端，当高温污氮气量较少时，会改变膨胀气体的换热效果，导致膨胀机机前温度增加，造成膨胀机轴系振动以及轴承温度测点的变化，严重时会造成膨胀机的喘振跳车。

为解决上述问题，有效避免空冷塔出口温度TI021102增长过高，比较好的办法是在空分增加1台冷水机组，通过冷水机组的降温，可直接降低水冷塔进空冷塔脱盐水TI021105的温度，从而将空冷塔出口温度控制在指标之内，不会对整个系统带来不利影响。

2.2 冷水机组选型

2.2.1 冷水机组的种类和特点

空分系统常用的冷水机组有多种形式，按制冷原理分类，可分为压缩式和吸收式两种，常用的冷媒介质有氟利昂、溴化锂、氨等。

(1)压缩式冷水机组。压缩式冷水机组的压缩机类型有多种形式，常见的为螺杆式、离心式、活塞式等类型。以氟利昂压缩制冷机为例，通过将气态氟利昂压缩后，进入循环水冷却器冷却至液相，根据节流膨胀降温原理，氟利昂在蒸发器中蒸发吸收热量，自水冷塔来的冷冻水与气化的氟利昂进行换热，造成降温效果，蒸发后的氟利昂气体进行收集后再次进入压缩机，循环使用。

氟利昂一般定义为饱和烃(主要指甲烷、乙烷和丙烷)的卤代物的总称，可分为CFC、HCFC、HFC等3类，其中CFC类因对大气臭氧层造成严重破坏，已被禁止使用，HCFC类也被限制使用，HFC类氟利昂对臭氧层无害，但产生温室效应。

(2)吸收式冷水机组。吸收式冷水机组一般选用溴化锂浓溶液作为吸收剂，利用溴化锂浓溶液在常温下有强吸水性的特性，吸水后被稀释的稀溶液因在高温下被蒸发出水蒸气而浓缩，从而达到冷冻水降温的目的，浓溶液在降温后重新获取吸水能力，依此循环往复完成整个制冷循环[2]。

溴化锂水溶液本身沸点很高，极难挥发，所以能够得到较为纯净的水蒸气，吸收式冷水机组主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、换热器、循环泵等几部分组成，耗电量小，使用介质较为安全，成为替代氟利昂制冷的另一种制冷工艺。

2.2.2 冷水机组比较和选型原则

在能耗方面，吸收式冷水机组能源消耗要大于压缩式冷水机组。压缩式冷水机组主要消耗电力，吸收式冷水机组主要消耗热能，在选用过程中可根据企业能量富余的不同而定。若企业的蒸汽或燃料过剩(特别是低压蒸汽)，可考虑使用吸收式冷水机组消耗多余热能，若当地电力成本较低，可考虑使用压缩式冷水机组。对于温度范围要求较大的(温差大于10℃)，可选择吸收式冷水机组，其按获取热量方式分为热水式、蒸汽式、直燃式，其中，直燃式能耗最低，蒸汽式次之。对于制冷量要求大的，可选用压缩式冷水机组，且离心式大于螺杆式和活塞式[3]。

2.2.3 冷水机组注意事项

冷水机组在选型上有一定要求，其流量需控制在所选型号规定的最小允许量之上。若水冷塔需要进行流量调节操作，则需增设一根回流管线，保证冷水机组的最小通入量，通过回路管线控制流量的大小，保障冷水机组的正常运行。此外，冷冻水泵出水温度也有要求：若出水温度高于冷水机组限制进入的最高温度时，需要进行回流调节，通过回流出的二次冷冻水来降低水冷塔的出口温度，从而间接降低冷水机组的进口温度[4]。

冷水机组为冷冻水进行降温处理，冷冻水温度的变化会对冷冻水管线造成影响，在实际生产中需对水质进行严格要求，防止冷冻水在管道内出现结垢、堵塞等现象，日常维护保养中要对冷媒介质进行检测，防止出现泄漏或运行故障，冷冻水管线须做好保冷措施，减少冷量损耗。

3 结语

预冷系统对空分压缩空气的主要作用是降温、洗涤，将高温压缩空气温度降至规定指标之内，对分子筛的长期正常运行意义重大，有效保证了后续系统的安全运行。本文针对荣盛集团中金石化有限公司空分预冷系统所出现的问题进行探讨，提出增加冷水机组的解决方案，优化工艺参数，保证空分空冷塔出口温度控制在正常指标之内，对整个空分系统影响最小。

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

[2]孙全海.溴化锂冷水机组应用于空分设备的尝试[J].深冷技术，1996(05)：34-35.

[3]孙磊磊，李智斌.空分设备用冷水机组常见选型[J].深冷技术，2015(02)：16-20.

[4]张贵群，游义忠.空气预冷系统的选择与思考[J].深冷技术，2013(02)：23-27.

修改稿日期： 2017-04-28

Improvement Scheme of Pre-Cooling System in Air Separation

DING Pan-pan1，FANG Chuan-suo1，LIU Chun-yan2

(1.RongshengGroupZhongjinPetrochemicalCo.，Ltd.，NingboZhejiang315000，China；2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering，CentralSouthUniversity，ChangshaHunan410083，China)

The air cooling tower of the pre-cooling system adopts the middle backwater mode，by increasing the amount of polluted nitrogen to cool the air tower. The temperature of the air-cooled tower is higher and the outlet temperature gradually deviates from the design index，which affects the subsequent system. Considering the above issues，the author tries to add a chiller，in order to reduce the air outlet temperature and ensure the smooth operation of the system.

Air separation precooling system；air cooled tower；temperature；improvement

丁盼盼(1990年—)，男，安徽淮北人，2013年毕业于安徽理工大学化学工程与工艺专业，助理工程师，现主要从事化工生产工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.015

TQ116.11

B

1004-8901(2017)03-0056-03