浅析主冷液面波动的原因及处理方法

赵维东

摘要：对8000Nm3/h制氮装置正常生产时主冷液面的波动情况进行了研究。阐述了主冷液氧液面稳定的重要性及液面波动的危害。通过分析纯化器切换、氮压机负荷调节，以及分馏塔压力参数变化时对主冷液面的影响，找到主冷液面波动的原因。根据生产情况，提出相应的处理方法，稳定主冷液面，降低波动带来的影响，保证装置平稳运行。

关键字：低温制氮; 主冷液面波动; 影响因素; 原因分析

前言：低温制氮，也叫空气深冷分离制氮，是利用空气中氮气和氧气在一定的温度（?170℃左右）状态下，它们的沸点不同，而达到分离的目的。主要工艺流程是空气压缩、空气预冷、空气净化、空气精馏分离、空气换热等。主冷凝器是空分装置精馏塔的主要部件，在8000Nm3/h制氮空分单元中，主冷凝蒸发器设置于塔的上端，主冷凝蒸发器中液氧受塔下部上升的饱和氮气液化放热而气化，进一步释放液氧中的氮气，形成污氮气。塔下部饱和气态氮通过主冷凝蒸发器吸收冷量液化，得到高纯度的产品氮，同时为下部上升气流提供回流液。主冷凝蒸发器通过热量的传递，将塔的上下部串联起来，使得分馏塔工艺稳定运行。

液氧液面值（以下简称主冷液面）是主冷凝蒸发器十分重要的一项指标，主冷凝蒸发器换热面积是否得到充分利用，整个精馏系统的冷量是否平衡，都可以从主冷液面的高低上直接体现和反映出来。主冷液面控制不到位，会直接导致分馏塔操作失衡，影响整个系统的能量平衡，造成能耗升高，产品纯度降低。

因此，将主冷液面控制在合理的范围内，同时，依据具体的生产工况，优化调整主冷液面实际值，对于装置长周期稳定高效运行十分重要。本文拟对8000Nm3/h制氮空分单元正常生产过程中，从工艺操作调整或工艺变化的角度进行分析，探讨分析造成主冷液面波动的因素，并提出对应的处理方法。

1 分子筛切换对主冷液面的影响及处理方法

装置采用分子筛纯化器对压缩并冷却后的原料空气中的水份、二氧化碳和碳氢化合物去除。分子筛纯化器在正常生产时要经过以下个步骤：

均压 —吸附（生产）— 卸压 —加热（再生）— 冷吹

两台纯化器的切换发生在其中一台均压之后，再生、冷吹完毕的一台纯化器进行升压，当两台纯化器压力均衡后，也就是等于空气总进口压力后，两台分子筛纯化器按照DCS程序设置开始进行切换。再生完成的一台纯化器对原料空气进行吸附作业，向后系统源源不断的输送合格空气。而另一台纯化器开始进行再生。

当两台纯化器进行切换时，我们经常能监测到主冷液面会发生小幅上涨的情况（见图 1）。当进入吸附（生产）流程的一台纯化器进行升压时，此时，因空气压缩机出口压力变化很小，相应的连锁调节系统不能及时迅速发生反应，因此会造成空气总量不变，而进入精馏塔的实际空气量会减少，相应的塔下部上升气相总量减少，使得塔中上升的氮气量减少，与主冷凝器进行热交换的氮气量也减少。这样，主冷凝器中的液氧获得的热量也相应地有所减少，液氧蒸发量会降低，因此短时间内就会出现主冷液面小幅波动上升现象。

在纯化器升压结束，两台纯化器完成再生和吸附角色的切换后，主冷液面开始下降，下降幅度比较小、时间比较长（见图 1）。这是因为刚切换过来的纯化器虽然经过冷吹，但分子筛颗粒内部残余热量因冷吹时间所限，并不能其内部热量全部带走，由于分子筛残余热量的存在，使得初始产出空气温度相较与进入分子筛的冷却空气温度升高。冷吹末期分子筛出口空气温度在22 - 45℃之间，而进口空气温度为3- 10℃之间，由于这部分热量会被空气带入塔内，造成空气进精馏塔温度升高。此时，塔中上升的氮气量增加，与主冷凝器进行热交换的氮气量也增加。使得主冷凝器中的液氧获得的热量也相应地有所增加，液氧蒸发量会增大，因此短时间内就会出现主冷液面小幅波动下降现象。（见图2）。

发生这一现象时一般下塔液面会发生周期性的波动，所以LCV-1阀门也会在范围内开关数次，目前LCV-1由塔底液位（500～650mm）控制在56% - 66%的范围内，如果该阀门开关幅度过大的话，也会造成上塔液面波动，同时影响氮气、氧气纯度。

1.1 处理方法

1.严格控制纯化器升压速度，稳定各项操作，尽可能降低进精馏塔空气量影响。同时稳定空压机出口压力;

2. 在纯化器切换前对工艺进行适当调整，将主冷液面保持在高位（工艺指标 2200-2400 mm，报警值2220-2390 mm）;

3. 在纯化器切换过程中，可以适时适当增加膨胀空气量，以利于主冷液面的稳定;

4.在纯化器切换后，要微关排/充液V5阀门，但在纯化器切换前，如果冷凝蒸发器液位处于上升趋势时，要根据实际情况调整V5阀门。

采取以上措施可以平稳度过纯化器切换，保证主冷液位、产品纯度稳定

2  氮气出塔量对主冷液面的影响及处理方法

（1）正常情况下设定氮气出塔量为7000-7100Nm3/h，无大量用氮需求时，该设定值不做调整，以保证出塔量稳定，分餾塔工况稳定。

（2）如出现大量用氮情况，增加出塔量时，由于分馏塔冷量平衡破坏，需要通过调整膨胀机喷嘴，重新建立冷量平衡，此时调整膨胀机喷嘴要根据塔内温度进行微调。

（3）氮气出塔量增加，则液氮产量会减少，因此，当出塔量增加时，要根据冷凝蒸发器液位，适当关小V5阀门，以保证下塔液位和冷凝蒸发器液位平稳。

3 塔压力变化对主冷液面的影响

在生产中，我们还可以观察到，伴随着下部塔系统压力升高，主冷液面也会出现短暂略微升高的现象。同样，遇到塔上部系统压力升高时，主冷液面也会出现升高的现象。在下部塔系统中，当提高塔内压力时，气态氮的液化温度相应的升高，其气化潜热相应的降低，这就使得主冷中的液氧获得的热量相应的减少，也就减少了蒸发量，使得主冷液面出现升高的现象。而在塔上部系统中，当塔压升高时，液氧的气化温度升高，氧气更易于液化，也就减小了蒸发量，同时也增大了冷凝量，使得主冷液面也出现升高的现象。同理，当塔整体压力降低时，主冷液面也会出现短暂降低的现象。

处理方法

1.在生产中要稳定空、氮压机的运行，降低进气量和取出量的大幅变化对塔压的影响。

2.及时调整和优化工艺，在主冷液面波动时，要仔细观察各个工艺参数，综合研判进行调整，在工艺调整时，尽可能采取小幅度、勤观察细致调整，稳定工况，优化运行。

4 结论

通过对空分装置正常生产时，影响主冷液面波动的各类因素，纯化器切换、氮压机负荷调节，以及精馏塔压力参数变化等的综合分析研究，确定影响主冷液面波动的各种原因，同时针对原因，给出比较实际可行的操作或处理措施。同时，我们在生产中还需要注意的是，当主冷液面出现较大波动时，应以调节氮气纯度为重要目标，必要时可以牺牲一部分主冷液面，以保证氮气纯度及产品供应。