空分设备预冷系统的工艺设计

2017-03-06李牧声王帅浙江省天正设计工程有限公司浙江杭州310012

化工管理 2017年33期

李牧声王帅（浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州310012）

空分设备预冷系统的工艺设计

李牧声王帅（浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州310012）

空气预冷系统是空分设备重要的组成部分，它位于空压机系统和分子筛吸附系统之间，主要用来降低空压机内的空气温度，并及时将空气中的硫化物冲洗干净，达到净化空气的目的，从而让空气进入到分子筛吸附系统中。因此，空气预冷系统对整个空分设备运行十分关键，必须做好预冷系统的工艺设计，确保空分设备的经济性和科学性。

空分设备；预冷系统；工艺设计

随着冶金、化工等行业的快速发展，对大型空分设备的要求越来越高，空分设备逐渐向精细化、系统化方向发展。预冷和纯化系统作为原料进入到冷箱中的常温处理工艺，是空分设备重要的组成部分，一旦预冷系统出现问题，则会影响到整个空分设备的运行效果。因此，预冷系统设计对整个空分设备的设计至关重要。

1 空冷系统运行原理

空压机的高温空气进入到空气冷却塔下部，并与水泵的常温冷却水在冷却塔下部逆流接触，并进行热质交换，将高温空气逐渐冷却，并再次上升到冷却塔上部与自来冷却塔的低温冷却水进行热质交换后进入到空冷塔的分子筛吸附系统。这个时候的冷却水分两个部分，一部分进入到水冷塔与氮气进行热交换并作为低温冷却水进入到空冷塔上端，另外一部分直接进入到空冷塔中部。两部分冷却水与空气换热以后从冷却塔汇集排出。空冷系统在空分设备中广泛应用，取消了原来的冷水机组，并用冷水塔代替，并利用空分设备空冷系统运行过程中产生的污染氮气吸湿性降低水温。不同的空分设备运行要求不同，有的提供的水冷塔污氮含量比较少，所以需要冷水机组制冷。

2 预冷系统性能设计

空分设备大多数用于冶炼、化工等生产过程中，所以空气中的化学物质比较多，比如一氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、硫化物、氮氧化物等杂质。这些杂质经过冷却塔后，有些杂质如一氧化氮等不能被分子筛吸收。通常情况下，在设计的时候，分子筛纯化器的进气温度小于15摄氏度。如果以12摄氏度为设计点，装置在运行时出现故障，那么冷却塔出口温度可能超过12摄氏度，那么出口空气中含水量的温度就会达到设计温度的二倍。喷淋系统、喷淋设备的结构以及设备的传热性能等因素是造成预冷系统温度升高的主要原因，其中最关键的就是水汽比，也就是喷淋水量和气体流量的比值。氮气的饱和含水量是有一定限值，所以冷却塔中的水温降低的速度主要取决于水气比，水气比小，则水气之间接触面积小、传热效果不佳，空气温度下降效果差。在设计的时候，很容易忽略这个问题，没有及时将冷却塔中的喷淋水量进行优化，影响到冷却水的降温效果。

3 预冷系统外加冷源

季节、气候、安装地点等因素决定了空分设备预冷系统对空气的预冷程度。如果冷箱内进气温度升高，则会影响到预冷系统的降温效果，冷箱内膨胀空气量增减，设备能耗增减，纯化系统吸附器件的运行环境恶化，主换热器热负荷增大，空分设备的运行不稳定，所以必须采取一定的措施降低空分设备的进气温度。空分设备的预冷系统一般采用氮水预冷系统，并将其与压缩机的末级冷却器合并。这种组装方式称为直接接触式氮水预冷系统。氮水预冷系统分为有外加冷源和无外加冷源两种。大型的空分设备预冷系统是否需要外加冷源则根据氮气产品量与氧气产量量比例决定，如果两者比例小于1，依靠冷却塔就能达到降低空气体温度的目的，那么不需要添加外加冷源。如果没有外加冷源的情况下，进纯化系统吸附器的温度比较高，则提高了分子筛吸附剂的用量，再生气量减少，冷却塔的污氮量相应减少，排出空冷塔的气体温度则提高了。在夏季温度比较高的情况下，如果没有外加冷源，则会影响到预冷系统和纯化系统的运行效率。因此，一般需要外加冷源，常见的外加冷源有以下几种：氟利昂、液氨、溴化锂水溶液等。氟利昂在低压状态达到一定的饱和温度时，会吸收热量并蒸发，制冷机组利用氟利昂的这一特点进行制冷，低温冷气机组制冷剂为氟利昂时，真空泵抽真空压力为80KPa,蒸发温度为238K,制冷最低温度在243K就能调节余量，所以设计的时候，要降低1K。液氨一般1700KPa（G）下，温度在45摄氏度节流到500KPa（G），那么蒸发温度为5摄氏度，如果是100KPa（G）蒸发温度则会降低到零下20摄氏度，将冷却水冻结在氨蒸发器中，所以必须控制好氨蒸发器的压力。溴化锂溶液能够利用低品位废热进行制冷，制冷范围在252.2万KJ/h-2512万KJ/h，但是用于溴化锂溶液具有很强的腐蚀性，影响到机组的设备和使用性能。