空分精馏塔工况波动技术分析

刘丽文

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

2020 年11 月23 日1：10 至15：30 宁夏石化公司KDN-4000/300Y 型全低压高纯氮气空分装置精馏工况出现较大幅度波动，造成精馏塔阻力、精馏塔液空液位、冷凝蒸发器液位、进塔空气流量、氮气流量出现大幅度变化，精馏塔阻力上升至30 kPa。引起波动的直接原因是精馏塔HC2402 再生气旁通阀定位器故障，DCS给定阀位与现场阀位出现偏差，精馏塔再生气旁通阀DCS 给出阀位是45%，现场确认实际阀位是65%，进塔原料空气量增大，精馏系统超负荷运行，引起精馏工况[1-3]波动，该设备出现的精馏工况波动属非常典型的案例。因此，对高负荷运行引起精馏塔工况波动从理论上加以分析，对空分装置如何平稳操作，防止工况波动，有非常好的借鉴意义。

1 空分装置精馏系统工艺及原理

1.1 空分性能及现状简介

宁夏石化公司KDN-4000/300Y 型空分装置采用全低压深冷工艺，加工空气量为11 500 m3/h，产氮气4 000 m3/h，液氮300 L/h，产品氮气含氧≤0.000 3%，2011 年7 月建成投产。随着用户氮气使用量不断增加，氮气产量已经不能满足用户实际氮气用量，产品氮气负荷达到设计值的110%，加空气量增加至12 500 m3/h，装置负荷增加之后，容易造成精馏工况波动，在保证产品氮气合格的前提下，给空分装置稳定运行带来挑战。

1.2 空分精馏系统工艺流程

净化后的空气进入分馏塔，通过主换热器（E-1）冷却至液化温度，达到汽液饱和状态后进入精馏塔，经过精馏分离出的合格氮气大部分作为产品供用户使用。塔底富氧液空通过LV2301 阀节流降温进入冷凝蒸发器（E-2），在0.38 MPa（G）压力下与部分进入冷凝蒸发器的氮气相变换热，氮气液化作为分馏塔回流液，冷凝蒸发器液空吸收来自氮气的热量蒸发为污氮。0.38 MPa（G）的污氮从冷凝蒸发器顶部引出经主换热器升温至-143 ℃后，进入透平膨胀机绝热膨胀降温，产生冷量。膨胀后接近常压，温度-175 ℃的污氮二次进入主换热器复热至常温后出冷箱，分别作为纯化器的再生气与制动风机的气源（见图1）。

图1 精馏塔仪表控制流程图

2 波动过程运行参数变化与分析

空分精馏塔工况出现波动，从开始波动到仪表人员将污氮旁通阀修复共14.5 h，波动范围涉及精馏塔所有关键运行参数，以下从精馏塔进塔空气流量、精馏塔阻力、精馏塔液位、膨胀机转速波动进行分析。

2.1 进塔空气流量波动

精馏塔污氮旁通阀HC2402 阀定位器出现故障，操作人员DCS 给定的正常阀位是45%，后经现场确认HC2402 实际开度65%，DCS 阀位与现场阀位出现偏差，导致大量污氮气自HC2402 排入纯化器再生系统与膨胀机制动风机，再经消音器放空。精馏塔压力下降至0.70 MPa 以下，产品氮气压力下降，阻力增加，出塔氮气流量减少至3 000 m3/h 以下，精馏塔压力波动引起出塔氮气产品流量波动，波动范围在2 700～5 000 m3/h。为保持精馏塔压力稳定，压缩机自动加负荷，使进塔空气流量由11 000 m3/h 增加到12 500 m3/h。

进入精馏塔空气量增加使精馏塔内的上升气体流速增加，塔顶抽出的氮气量也相应增加，出塔氮气阻力增加，从而使反流至冷凝蒸发器的氮气量增大，主冷蒸发器热负荷增大，下塔回流液增加，回流量与上升蒸汽同时增加，塔内的回流比没有太大变化，氮气纯度没有在波动过程中受到影响。增加进塔气量在一定范围内，氧、氮的纯度基本保持不变。但精馏塔原料空气流量的增加会给生产带来很多不利影响，随着主换热器中冷凝液体量的增加，主换热器的热负荷增大，当传热面积不足时，主换热器的温差必然扩大，下塔的压力相应升高。同时，由于塔内上升气体流速加快，来自塔顶回流液体量增加，塔板上液体层加厚，使塔板阻力增加，上下塔压力差也会相应增加，将对氮、氧的分离带来不利影响，同时也会使电耗增加，精馏塔上升气体量大时，塔板阻力以及下流液流经溢流斗的阻力均会增加，造成溢流斗内液面升高，塔板上的液体无法正常流下，这将破坏精馏塔的正常工况。此外，由于上升气体流速增加，容易将液滴带到上一层塔板，出现严重“雾沫夹带”，影响精馏效果，严重时会造成氮纯度下降。

采用深冷工艺生产氮气的空分塔增加5%左右的空气量，在没有负荷大幅度波动情况下也能正常工作，不需要采取什么措施。当加工空气量过大时，需要对精馏塔进行改造，加大塔板上筛孔的孔径，以降低气体速度，加大主换热器的传热面积，缩小主换热器温差，保证精馏塔能正常工作。

2.2 精馏塔阻力波动

采用筛板结构的精馏塔，其精馏塔阻力是指气体通过每块塔板和液层所产生的阻力，即塔板上下空间里的蒸汽压力差，气体通过空塔截面的阻力极小，可忽略不计，一般来说沿每块塔板的阻力ΔP干大小与筛孔蒸汽速度大小及筛孔的制造质量有关，因此根据加工量与产品氮气纯度不同对筛孔大小设计有一定要求，筛孔大小一定，通过筛孔蒸汽流速越大，筛孔阻力也越大。

气体通过筛孔穿过液体层逸出时，还必须克服液体的压力ΔP湿，ΔP湿由静液封与动液封产生，气体流速增大，塔板液体层增厚，ΔP湿会增大。气体还必须克服液体的表面张力所产生的阻力ΔP表，ΔP表一般较小，该设备精馏塔有71 块塔板，克服液体表面张力所产生的阻力约2.79 kPa。因此塔板的阻力为上述三项之和，即ΔP=ΔP干+ΔP湿+ΔP表。

由于HC2402 故障引起进塔空气流量增加，精馏塔蒸汽组分上升流速增加，干塔板阻力ΔP干增大，同时，流入冷凝蒸发器换热器E-2 氮气增加，精馏塔回流液增加，塔板液体增厚，蒸汽上升阻力ΔP湿增大，精馏塔阻力ΔP 增大，最高上涨至30.9 kPa。

2.3 精馏塔液位波动

精馏塔冷凝蒸发器采用铝质板翅式换热器，浸入冷凝蒸发器液空中，在精馏过程中反流氮气流经换热器翅片，与冷凝蒸发器液空进行热交换，发生相变，氮气被冷凝，液空被蒸发。氮气在进入冷凝蒸发器板式换热器之前温度大约-168 ℃，压力0.75 MPa，没有达到该压力下的液化温度，经过换热器被冷凝成-168 ℃饱和状态下的液氮。精馏塔塔底液空压力0.75 MPa，温度-166 ℃，呈饱和液体状态，自塔底抽出，进入过冷器与蒸发器、膨胀机产生的温度较低的废气热交换，温度降至-169 ℃，再经LV2301 阀节流后送入冷凝蒸发器，得到压力0.38 MPa 的汽液混合状态的液空，节流效应使得液空温度进一步降低至-175 ℃，与流经板式换热器内部的氮气进行热交换，使氮气液化，作为塔顶回流液，流入下塔参与精馏。

精馏塔出现波动后，精馏塔压力降低，进塔空气量增加，出塔氮气受阻，氮气回流量增加使冷凝蒸发器热负荷增加，冷凝蒸发器的液空蒸发速度加快，冷凝蒸发器液位迅速下降，最低下降至550 mm。精馏塔回流液增加，有更多液体流入塔底，液空液位不断上涨，最高至1 000 mm。

2.4 膨胀机转速、再生气流量波动

该型空分设备采用PLPN-108.33/3.81-0.3 型卧式油润滑透平膨胀机组，最高转速20 320 r/min，膨胀量5 200～7 800 m3/h，0.38 MPa 污氮经喷嘴进入膨胀机工作轮，推动膨胀机做功，污氮绝热膨胀降温，膨胀机风机端依靠膨胀后污氮制动，通过调整膨胀量与制动风量的大小控制膨胀机转速与制冷量。污氮旁通阀HC2402 具有调节进入污氮气流量与膨胀后污氮压力的作用，当HC2402 仪表定位器故障时，阀位出现变化，引起进入膨胀机的污氮流量以及膨胀后污氮压力大幅度变化，膨胀机喷嘴端与风机端同时受到HC2402阀开度变化影响，膨胀机转速出现类似喘振的波动，波动幅度在1 500 r/min 左右。

HC2402 阀开度与风机转速的波动引起纯化器再生气流量波动，HC2402 阀开度增大，使再生气流量增加，进入纯化器再生气流量在3 000 m3/h 以上，造成纯化器加热器出口温度低于135 ℃，达不到170 ℃以上工艺指标要求。

3 应对措施

当精馏塔氮气产量增加，原料空气流量增加，工况出现波动，为稳定工况应当采取以下措施：

（1）精馏工况出现异常，精馏塔压力下降，氮气出塔量减少，操作人员应当及时调整进塔原料空气流量，提高精馏塔压力，提高氮气产品流量，稳定精馏工况。

（2）开大液空调节阀LV2301 阀开度，降低液空液位。液空液位与塔阻过高时，及时从塔底液空排放阀排放部分液空，防止精馏塔液空液位过高，当观察塔阻下降，氮气纯度上升时，应停止排放。

（3）进塔空气流量增加，精馏塔阻力也相对升高，在较高阻力下操作，要及时排放液氮。塔板上的液体厚度增加，在筛孔孔径一定的情况下阻力上升，塔板正常工作时，塔板上的液面比出口堰高一些，由于上升气体顶托了清亮液层的静压，液体不能从筛孔中漏下，而是通过出口堰流到溢流管里，溢流管里的液面比塔板上的液面要低一些，但比下一块塔板上的液面要高，当塔板上的液体增厚，液体下流速度减慢，使溢流装置内液体液面上升至上一块塔板，液体不能顺利下流，进一步积累在塔板上，这是由于回流液体负荷过大或上升气流流速过大引起的。因此，精馏塔阻力达到一定程度时，不能因蒸发器液位低，而不排放液氮，否则会造成液泛现象，影响氮气纯度。

（4）空分超负荷运行，氮气产量达到原设计110%，精馏塔经常会出现不同程度的波动，在调整过程中，首先以稳定工况为主，塔底液空液位应控制在400～600 mm，因蒸发器热负荷增加，蒸发器液位上涨较慢，甚至长时间不上涨，因此，不能观察蒸发器液位接近上限时排放液氮，应以液空液位上升600 mm 时排放液氮为宜，否则容易造成精馏塔液空液位与阻力波动。大负荷状态下HC2402 阀与LV2301 阀的开度比以前应略大一些，可减少精馏塔工况的波动。

4 结论

以上是针对宁夏石化公司KDN-4000/300Y 型空分装置运行中出现的因调节阀故障引起精馏工况的波动现象进行的分析。空分装置大负荷运行，经常会出现塔阻、液位的波动现象，虽然波动幅度小，对生产没有造成严重影响，但波动机理与上述案例有共同之处。对上述波动现象认真分析，对目前空分装置稳定运行有非常重要的意义。