主冷液面高度对空分设备的影响

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【关键词】主冷高度、传热面积、能耗及安全
【摘要】介绍在操作过程中，控制好主冷液面高度对空分设备的必要性。0 ?% f4 |; M5 G
全低压空分装置稳定运转的必要条件是保证冷量平衡，而主冷液面高低是反映空分装置冷量平衡的重要标志。在空分设备中，上下塔是气液进行精馏的关键设备，而主冷液蒸发器是下塔顶部氮气和上塔底部液氧进行热量交换的场所。实际运转中，主冷凝蒸发器内的液氧液面的高度，不仅对精馏过程的最终效果有直接影响，而且对空分设备的安全运行、能耗高低都有直接影响。
一、加热对热负荷传递的影响及对策
　　空分设备中主冷凝器的设计，是根据总体流程计算和精馏计算结果给出热负荷（Ｑ）和液氧与气氮的温差（△t）来计算出其传热面积（F）的。也就是讲，不同空分设备，配置与其相适应的主冷凝蒸发器。根据传热基本方程式：Ｑ＝KF△t大卡／时　的关系式表明，当主冷凝蒸发器内的液氧液面高度发生变化，实际传热面积增大或减少，都导致热负荷Ｑ传递发生变化。主冷温差是随着主冷液面高度变化而变化，主冷液面高度控制整个冷凝蒸发器高度85－100%为最佳传热状态。如主冷液面过分高，超过100%超面积，这时由于液氧液面的静压作用，将导致液氧平均温度升高，使传热温差减小，热负荷降低，主冷液面控制过低，低于85%的面积，其传热温差将不断扩大，热负荷也将随之降低。
在传热过程中，传热温差是热负荷变化的推动力。板式冷凝蒸发器设计温差为1.6－1.8℃，但是，在生产过程中，由于主冷液面高度，上下塔压力，氧氮的浓度的变化与主冷温差有关。
　　对于液氧的蒸发过程，当压力一定时，液氧的纯度提高，蒸发温度（沸点）就提高。如压力为1.4大气压（绝压），浓度从98% Ｏ2提高到99.5% Ｏ2。蒸发温度则从93.1K提高到93.5K。当液氧的浓度一定时，压力提高，蒸发温度也提高。如浓度为99.5% Ｏ2，压力从1.4大气压（绝压）提高到1.5大气压（绝压），蒸发温度从93.5K提高到94.5K。
　　液氧蒸发的强度可用放热系数表示。放热系数主要决定于壁面与蒸发温度的温差。温差越大，放热越强，蒸发越强。由此可见，提高液氧的纯度会增大主冷温差，提高气氮纯度会缩小主冷温差。　
　　当冷凝蒸发器的热负荷发生变化时，与下述因素有关：
1.）提高主冷温差，适当降低主冷液面高度，但不能低于极限工况。
2.）增加传热面积，提高液氧高度，但必须提高氮气压力或降低纯度。
二.对能耗的影响
　　空分装置正常运转，其主冷液面高度要保持一定稳定。当液氧液面过高，使传热温差减小，热负荷能力降低，若要保持传热温度不变，热负荷增加，则需要提高下塔压力。
空分设备，除氧压外，其能量90%以上消耗在空气压缩机上，而空气压缩机的功率大小与空气压缩机的排气压力、流量、环境温度、冷却水量有关。显然，要使空分设备下塔压力提高，势必提高空气排气能力，空压机单位内能量消耗就要增大。
如一台10000m3/h全提取空分设备为例：保持其他参数不变，仅改变主冷液位，计算其下塔压力和氧气单位能耗。

　　  由上图可知，当主冷液面从设计工况2ｍ增加到2.5ｍ时，则下塔压力从0.602MPa增加到0.6158MPa。相应氧气单位能耗从0.49kwh/m3O2提高到0.495kwh/m3O2。
以上数据表明一台10000m3/h空分设备，每年按8000小时计，将增加消耗电能40万度电。同样，对于我厂实际情况，控制好住冷液面高度具有实际意义。本厂空分设备是采用多台空气压缩机排气入一根总管，且连通５台空气分离装置，根据这一特点，如把空分装置主冷液面高度控制高于正常值，则会造成空分装置主冷凝器换热效果差，进空分装置空气量减少，导致装置精馏工况破坏。由于空气来之总管，无法提高装置下塔压力，对空气压缩机来说，由于空分装置进塔空气量减少，造成空压机排气困难，空气压缩有可能喘振放空。这样，对压缩机造成损坏，能耗增大，对空分装置进塔空气量减少，导致空分装置达不到规定产、质量要求，使氧气单位能耗增加。
通过以上的例题计算和分析本厂实际情况，得出为了使空分设备能符合设计工况下正常运转和实现安全运转，必须正确地控制主冷液面液位高低，并要符合设计规定的要求，盲目随意提高主冷凝蒸发器液氧液位高度，不仅会造成空分设备的误操作和不正常状态，而且将使能耗增加，因此正确控制主冷液面高度，对节约能耗具有实际意义。
三.对安全运转的影响
全低压空分装置要满足正常运转。在操作过程中应严格控制主冷凝蒸发器中的乙炔含量。在不影响氧气纯度的情况下，主冷液面尽量保持高一些，这样有利于有害物质的稀释。
国内外实践证明，不仅乙炔存在且在一定条件下，能引起主冷凝蒸发器爆炸外，其他的碳氢化合物ＧnHn的浓缩，在一定条件下，也会引起主冷凝蒸发器爆炸。随着加工空气量进塔，乙炔和碳氢化合物，几乎全部积聚在主冷凝蒸发器内液氧中。由于它们在液氧中的分压较低，且能较强烈溶解于液氧中，造成这些碳氢化合物在液氧浓缩，一旦增浓到爆炸极限，就存在着危险。
空分设备中，虽有液空吸附器，液氧吸附器，吸附乙炔效率可达98%左右，对碳氢化合物其吸附率只有60－65%，剩下的就在液氧中逐渐浓缩。
因此，首先要把主冷凝蒸发器液氧内的乙炔，碳氢化合物量要控制在一定范围，保持一定主冷液面高度，以稀释液氧中乙炔含量。对主冷中液氧多测定，正确及时交换液氧吸附器，控制主冷液氧面稳定大幅度下降和波动对空分设备长期安全运转不利。在正常操作过程中，测定乙炔含量高，可取排放部分液氧，提高主冷液面高度。如：乙炔或碳氢化合物达到停车极限时，则必须停车，加温吹除。
乙炔和碳氢化合物在液氧中的含量极限规定
* l6 _* C0 k6 C. a! `( H3 r
化合物
# B  u7 P' y- `; \5 H2 R8 J6 q       
正常值
        3 J8 S0 u+ M- T8 _5 D
报警值
) l7 m. ]- E. G( y6 }        4 M9 y, p4 @' y+ e  m
停车值

: }! s, R+ H2 W* z5 L
乙炔
- Y. q. `& v5 l! q        ) x* d2 f% Q& }# i
0.01ppm
2 d: |1 g9 @) U  W       
0.1ppm
       
1ppm
3 P) m1 C1 Z+ j% Q/ M3 {
3 V3 F; ]" P' F  i
碳氢化合物
        * r* V2 B% D+ E" G       
30mg/L液氧
（按碳计）
: v9 R2 ^) ~0 S8 N6 L: I( q       
100mg/L液氧
（按碳计）

四.对精馏工况影响
空分设备精馏过程必须有上升蒸汽和下流液体。主冷凝蒸发器是联系上下塔纽带。液氧来自上塔底部，在冷凝蒸发器内吸收热量蒸发成气氧，一部分作为产品氧抽出，大约有70－80%供上塔作为精馏用上升蒸汽。气氮来自下塔上部，在冷凝器内放出热量而冷凝成液氮，供给上下塔作为回流液，参与精馏过程。

　　全低压空分装置精馏工况要保持稳定。首先要主冷液面的稳定，当主冷液面高度发生变化，对上下塔精馏工况具有一定影响。图－２表明，主冷凝蒸发器内液氧在管内蒸发，沸腾状态为三个区段。即：预热区、沸腾区和蒸发区。
　　当主冷液面高度上升时，管子全部浸入液氧中，影响了沸腾区传热，沸腾强度就减弱，传热温差减小，热负荷降低。如：过分高，将导致液氧上满至气氧取出口，造成板式冷端带液。这时蒸发区的蒸发量减少，上升蒸汽量明显减少。上塔下流液体量大于上升蒸汽量，提馏段的回流比增大，氧气纯度降低。
　　当主冷液面高度控制过低，在管子上就会出现蒸发区，使管子的传热面积未能得到充分的利用。过分低造成传热面不足，主冷热负荷就要降低，即传热量减少。因此，液氧蒸发量就要减少，气氮冷凝量相应减少，下塔进气量就要减少，下塔精馏工况也将破坏，从而影响到整个装置精馏工况。
　　在正常运行中，主冷凝蒸发器液氧液面操作要保持在规定的高度上，引起主冷液面波动的原因较多，但归纳起来是冷量不平衡或液量分配不当。
　　产冷量的多少是整个空分装置冷量平衡所要求的。产冷量大于需要量，主冷液面升高，就应减少制冷量。若空分装置冷损增大或由于其他原因，产冷量小于需要量，则主冷液面下降，就要增加制冷量。对全低压空分装置来说，增加或减少制量主要是增加或减少膨胀机的膨胀量。主冷液面过高或过低时，还要分析其他液面是否在工艺规定范围内。主冷液面过高而下塔液面过低，可能是由于打入上塔的液空过大，此时应关小液空截流阀。主冷液面过低，而下塔液面过高，则要开大液空截流阀，以保持主冷液面稳定。
结束语：综合以上所述，控制好主冷液面高度，对整个空分装置的强化传热，能耗高低，安全运行，精馏工况的好坏，有着密切关系。为此，在实际操作过程中提出必须正确控制主冷液面高度，而不要盲目随意提高或降低。

              参考文献：    《制氧工问答》

小飞龙

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