冷凝器系统优化

安装运转文章编号:1009-9425(2005)04-0022-03空分设备制氢系统优化操作的理论依据和经验高显杰,陈智浩(莱钢莱芜天元气体有限公司,山东省莱芜市钢城区棋山大街271104)摘要:分析空分设备制氮系统优化操作的理论依据,介绍制氮过程遇到的问题及处理方法.
关键词:大型空分设备;稀有气体;粗氮塔;优化操作中图分类号:TQ116.
43文献标识码:BTheoreticalbasissubsysteminofoperationoptimizationofanargonproductionconnectionwithanASUandsomeexperienceGaoXian-jie,ChenZhi-hao(LaiwuTianyuanCasesCo.
,Ltd.
LaiwuSteel,口ishanStreet,CangchengDistrict,Laiwu271104,Shandong,P.
R.
China)Abstract:ThetheoreticalbasisforoptimizingtheoperationofanargonproductionsubsysteminconnectionwithanASUisanalyzed.
Furthermorethepaperdescribestheproblemsoccurringinthecourseofargonproductionandcorrespondingsolutions.
Keywords:Large-scaleairseparationunit;Raregas;Crudeargoncolumm;Operationoptimization大型空分设备的制氢系统有两种流程:加氢制氢和全精馏制氢.
由于全精馏制氢具有流程简单、操作方便、安全、稳定、氢提取率高等优点,是空分设备用户首选的制氢流程.
全精馏制氢就是在粗氢塔中进行氧一氢分离,直接得到氧含量小于lx10-'的粗氢,在精氢塔中再进行氨一氮分离,得到纯度为99.
999%的精氢产品.
由于氧、氨常压下沸点仅差3K,如果用筛板精馏来实现氧一氢分离,约需150一180块理论塔板.
规整填料每当量理论塔板的压降是每理论筛板的1/8左右,这样在粗氢塔允许的压降范围内就可以设置相当于170块理论塔板的规整填料实现氧-氢全精馏分离.
为降低粗氢塔的高度,往往设置二级粗氢塔,粗氨工塔出口氢中氧含量为2%-3%,粗氢H塔出口氢中氧含量小于1x10-6,可直接进人精氢塔进行精馏.
1氛馏分的提取粗氨塔的原料—氢馏分来自于主塔,冷源液空也来自于主塔,且在粗氢塔冷凝器中蒸发返回主塔,所以,粗氨的制取既要关注主塔工况的变化又要兼顾粗氢塔的工况变化,二者互相影响,密切相关.
氢在上塔有两个富集区,液空进料口上下各一个.
氢在上塔的分布是随氧、氮产品的纯度变化而变化.
氧产量减少,提馏段的上升蒸汽相对增多,回流比减小,液相中的氮、氢组分充分蒸发上去,氧纯度提高,富氢区上移,即精馏段富氢区含氢量增高,而提馏段富氢区含氢量下降.
氢馏分抽口在提馏段,氢馏分中的氢含量减少,氧含量增加,氮含量减少.
如果氮产量减少,主塔内上升气相对回流液来说减少,回流比增大,气相中的氧、氢组分被充分冷凝到液体中,沿塔板下流,氮纯度提高,收稿日期作者简介:2004-11-04;修回日期:2005-03-26:高显杰(1968-),女,工程师,1990年毕业于包头钢铁学院,现在莱芜钢铁股份有限公司天元气体有限公司运一车间从事运行管理工作.
22CryogenicTechnologyW42005深冷技术2005年第4期高显杰,陈智浩:空分设备制缸系统优化操作的理论依据和经验安装运转精馏段富氢区含氢量下降,提馏段富氢区的含氢量增高.
氢馏分中氢含量增加,氮含量增加,氧含量减少.
平时,空分设备操作时要根据主塔中氢富集区的分布情况及其受氧、氮产品变化的影响原理,来调节氢馏分中氢、氧、氮的含量,使氢馏分的各组分满足粗氢塔正常运行的要求.
氢馏分中氢的含量要求在8%一10%,氧含量90%一91%,氮含量小于0.
1%.
如氦馏分中氮含量太高,一则会使粗氢纯度降低,因为氮在粗氢塔中不冷凝,而是随粗氢进人精馏塔;再者会造成粗氢冷凝器的温差减小,由于氮组分聚集在粗氢冷凝器中不液化,时间久了,形成氮塞,使粗氨冷凝器停止工作、粗氢塔工况恶化,若处理不及时还会影响到主塔工况.
氨馏分从主塔抽取后进入粗氢塔进行氧一氢分离,氨馏分从底部进人,顶部得到含氢约99.
6%的粗氢.
由于氧一氢分离较困难,约有2/3的氢被洗涤下来,同时氢馏分从底部进入,底部液体中含氢很高,它又回到主塔参加精馏.
因此,氢馏分中氢只有一部分作为粗氢被提取,所需氢馏分量约为粗氢量的35-40倍.
2粗氮冷凝器热负荷的合理调整粗氨冷凝器是粗氨塔的关键设备,它的热负荷的大小直接影响氢蒸气液化量的多少,所以直接决定回流比的大小,也就决定着粗氢产量和纯度.
粗氢冷凝器换热工况的影响因素主要有三个.
(1)蒸发侧的压力:蒸发侧压力高,液空蒸发温度就高,换热温差减小,氢蒸气液化量减少,回流比减小,粗氢冷凝器热负荷减小;反之,蒸发侧压力低,液空蒸发温度就低,液空和氢蒸气的换热温差扩大,氢蒸气的液化量增多,回流比增大,热负荷加大.
(2)液空组分的含量:液空含氧量升高,由于氧的沸点比较高,蒸发温度就升高,粗氢冷凝器换热温差减小,氢蒸气液化量减少,回流比减小,热负荷减小.
(3)液空液位高度:液空液位高度的存在可使蒸发侧底部产生一定压力,能克服液空在翅片通道中的流动阻力.
液空液位增高,液空循环倍率增加,粗氨冷凝器热负荷随之提高.
但液位过高,由于底部压力的增加,蒸发温度也升高,粗氢冷凝器的平均换热温差减小,使粗氨冷凝器的热负荷下降.
所以粗氢冷凝器的液空液位要适宜.
粗氢冷凝器热负荷的大小取决于蒸发侧压力、液空组分以及液空液位的高度;而粗氢冷凝器的热负荷大小又决定着氢馏分的取出量,热负荷大,液化量增加,粗氢塔内气体量减少,压力降低,随之抽取过来的氨馏分量就增加;反之则小.
因此,调整一个合适的粗氢冷凝器热负荷,关系到粗氢的产量和纯度.
3制氮系统的优化操作粗氢塔的投运会增加空分设备的冷损.
粗氢塔的投运一般应具备以下四个前提条件:①主塔工况稳定;②氧、氮产品的产量及纯度高,氧纯度至少要达到99%;③冷量要充足,也就是主冷液氧液位在上限且稳定;④加大膨胀机制冷量.
以上四个条件具备后,逐渐增大液空的取出量,即增大粗氢冷凝器热负荷到最佳值.
随着粗氢冷凝器热负荷的增加,氢馏分的取出量增大,直到常规流量.
检查氢馏分的氨含量是否在8%一10%之间.
如不在其范围内,调整氧、氮产品和液氮调节阀,使之达到规定值.
保证粗氢塔工况的正常,最重要的是要保证氨馏分的抽取量和馏分组成的稳定,抽取量决定于粗氢冷凝器的热负荷和粗氨塔压力,馏分的组成受主塔工况的制约.
合格的粗氢从粗氢塔中被抽出,进人精氢塔参加精氢塔精馏.
精馏所需的上升气一部分来自于精氢塔底蒸发器蒸发的氢气,液氢的蒸发用来自下塔的气氮做热源;精馏所需的回流液是上升气在冷凝器中被冷凝的液体,冷源采用节流后的液氮.
精氢塔的操作工况主要取决于冷凝器与蒸发器工作能否很好配合,使回流液量和上升蒸气量有一个适宜的回流比,以生产出纯度较高的粗氢.
如冷凝器冷量过多,液化量增加,回流液就增加,回流比增大,回流液中的氮组分就不能被充分蒸发出来,导致流到塔底的纯氢中氮含量过高,液氢纯度降低.
如蒸发器中的气氮量过少,上升气量不足,回流比增大,也会造成上述现象.
由于氮和氨的液化温度相差较大(10K),冷凝器压力过低,就会使液氮温度过低,氢还可能冻结成固体而堵塞冷凝器管.
在操作中,要控制好压力和阀门开度.
4制氢系统常见故障的处理及预防制氢系统常见的故障是粗氢冷凝器氮塞和精氢深冷技术2005年第4期CryogenicTechnologyNo4200523高显杰,陈智浩:空分设备制扭系统优化操作的理论依据和经验安装运转冷凝器氢冻结.
4.
1粗鼠冷凝器氮塞氢馏分氮含量高,就会使氮聚集在粗氢冷凝器不能液化而形成氮塞.
这种情况出现时,粗氢冷凝器的换热温差缩小,氢蒸气液化量明显减少,粗氢塔阻力降低,粗氢冷凝器液空不能蒸发而导致液位上涨.
发生氮塞时应采取以下措施:①关小粗氢塔液空注入阀,以降低粗氢塔液空液位;②减少产品氧取出量,提高氢馏分氧含量,有利于粗氢冷凝器排氮和提高氢蒸气温度,加快液空蒸发,使液空液位尽快恢复正常;③打开粗氢塔放空阀排氮,一方面可防止氮的集聚,另一方面可加强粗氨冷凝器换热,使液空液位降到正常水平.
若以上方法无效,只能临时停止粗氢塔运行,待主塔工况稳定后,重新投运粗氢塔.
预防措施:为避免粗氢冷凝器发生氮塞,在操作中要做好以下三点:①保证氨馏分的氢含量为8%一10%.
氧含量90%一91%,氮含量小于0.
1%;②避免主冷液位大幅波动;③上塔压力不能提高过快.
总之,主塔的运行工况要稳定,不能进行大幅度调整,以确保氢馏分各组分含量在正常范围内.
4.
2精氦冷凝器氢冻结精氢冷凝器压力过低时,液氮温度低,就会使氢冻结成固体而堵塞在冷凝器管中.
这种故障若不严重,就需尽量提高冷凝器氮侧压力,以提高氮温度将氢溶化.
若此方法不能解决问题,就只能停运精氢塔,进行局部加温,以排除故障.
预防措施是:精氢冷凝器氮侧压力不能太低,若有降低应及时提高.
以上是笔者根据长期的一线工作经验,结合理论,对制氢系统的操作所做的定性分析,供同行参考.
参考文献:[1〕汤学忠,顾福民.
新编制氧工问答【M].
北京:冶金工业出版社,2003.
((现代空分设备的操作原理与技术》2005年8月出版由杭氧集团有限公司总工程师、杭氧股份有限公司董事长毛绍融教授级高工,杭氧股份有限公司总工程师、杭州制氧机研究所副所长朱朔元高工,杭州杭氧股份有限公司空分设计院院长周智勇高工担任主编的《现代空分设备的操作原理与技术》一书由杭州出版社于2005年8月正式出版.
本书的特点是:内容丰富、文字简练、结构清晰、图文并茂、实用性强,主要有:低温热力学基础,空气过滤预冷、净化原理及设备,传热传质原理及设备,活塞式压缩机、透平压缩机和透平膨胀机的应用技术,空气分离原理及低温精馏塔,空分设备流程,低温液体泵,稀有气体的制取,控制技术,低温液体贮槽,空分设备及部机安装、调试与操作原理,空分安全技术等.
每个大章均有独立性,阅读时不必拘于书中安排的顺序.
可供高等院校师生、冶金、石化、化工、能源等相关部门的空分设备设计、安装、操作、管理人员阅读或作为培训教材.
书号:ISBN7-80633-793-8/TQ"1,定价:80元/本(含邮寄费).
杭州深冷文化传媒有限公司负责发行工作,欢迎广大读者和使用单位订购.
联系电话:0571-85869235传真:0571-85372442E-mail:slbjb@263.
net通讯地址:杭州市东新路388号杭州深冷文化传媒有限公司邮编:31000424CryogenicTechnologyW42005深冷技术2005年第4期