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[空分论文] 提升气在空分液空输送中的作用

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发表于 2021-9-5 13:37:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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孙全海 南京扬子石化比欧西气体有限责任公司
    摘要: 介绍提升气在2 套空分设备上的应用效果,探讨了提升气的工作原理,分析过冷液空 和饱和液空在输送过程中体积流量的变化规律,讨论液空调节阀安装位置和液空输送管线的管径 问题。
1、提升气在空分设备中的应用
    随着规整填料精馏塔和降膜式主冷在空分设备 中的应用,空分设备的下塔压力已经可以降低到约 0. 4 MPa ( G,下同) ,这有利于减小空压机的功率 消耗。全精馏制氩方法的兴起,又使粗氩塔很高, 置于粗氩Ⅱ塔顶上的粗氩冷凝器的位置也很高,一 般接近50 m 或更高。下塔底部的富氧液空需要被 送至粗氩冷凝器中作为冷源,这一输送过程的动力 主要是靠下塔底部与粗氩冷凝器之间的压力差。由 于下塔压力的降低和粗氩冷凝器位置的抬高,以前 不太会成为问题的液空输送,现在已经有可能成为 一个问题摆在面前,如果处理不好,将会影响空分 设备的稳定运行,甚至使生产无法进行。
    解决办法主要是对粗氩Ⅱ塔的高度加以限制, 但粗氩塔总高度一定时,如果降低粗氩Ⅱ塔的高 度,就只能增加粗氩Ⅰ塔的高度,冷箱高度有可能 增加; 同时,粗氩Ⅱ塔底部的循环粗氩泵的出口压 力需要相应提高,能耗也会增加。因此,不宜过分 降低粗氩Ⅱ塔的高度,一般保证在设计工况下,液 空依靠下塔压力正好能进入粗氩冷凝器中,这样也 算是尽量利用了下塔压力。但当空分设备低负荷运 行时,因管道阻力和上/下塔阻力下降、主冷温差 减小等,下塔底部的压力会下降一些,这样在设计 工况下“正好”能进入粗氩冷凝器的液空在低负 荷时就不一定能顺利进入粗氩冷凝器。
    为解决低负荷时液空的输送问题,有的空分设 备在液空输送管道的液空调节阀后,往液空中充入 少量常温或低温空气,即所谓的“提升气”,这样可以增加液空中的气泡,降低液空的平均密度,从 而可以将液空顺利输送到更高的位置。送入上塔的 液氮和液空也可能因位差太大而压差不够产生输送 困难,也有加提升气的现象。但与液空输送至粗氩 冷凝器相比,一般液空进入上塔的位置要比粗氩冷 凝器低一些,而产生液氮的下塔顶部( 主冷氮侧) 与上塔顶部的位差要比下塔底部与粗氩冷凝器的位 差小一些,加上液氮的密度比液空小,一般送入上 塔的液氮和液空出现因压差不够而产生输送困难的 可能性小一些。
    南京扬子石化比欧西气体有限责任公司( 以 下简称: 扬子石化比欧西) 的C 台20000 m3 /h 内 压缩流程空分设备原设计的液空输送管线上并没有 加提升气,1999 年初试车时,粗氩冷凝器液空液 位和下塔液位波动太大,制氩系统工况很难稳定下 来。后来将液空调节阀后的一个吹除阀与膨胀机前 空气管路上的一个吹除阀相连接,将少量膨胀前空 气引入液空中,从此粗氩冷凝器液位和下塔液位都 很稳定,制氩系统工况也正常。
    D 台38500 m3 /h 内压缩流程空分设备原设计 的液空送粗、精氩冷凝器以及液氮送上塔管线上都 加了提升气,在空分设备负荷较高时,这些提升气 都不需要开通。但在空分设备低负荷运行时,液空 管线上的提升气需要开通,否则液空输送会很不稳 定,下塔和粗、精氩冷凝器的液位波动很大。而无 论空分设备的负荷高低,液氮管路上的提升气都不 需要开通。
2、提升气的工作原理
    为便于理解,先以水送往高处为例来分析。如 果水压是0. 4 MPa,即4 × 105 Pa,依靠这个压力, 最多能将水送到多高的位置? 根据伯努利方程式, 忽略速度项和阻力,当高度改变Δh 时,压力改变 Δp,有:
ρ × g × Δh + Δp = 0 ( 1)
    式中,ρ 为水的密度,取1000 kg /m3 ; g 为重 力加速度,近似取10 m/s2 ( 或10 N/kg) 。
    由于在整个水的输送过程中,ρ 和g 都是不变 的常数,所以Δh /Δp 也不变,即高度的变化量始 终与压力差的变化量成正比:
Δh = - Δp ÷ ( ρ × g) ( 2)
    这样水压由4 × 10^5 Pa 降至0 时,水的位置可以升高4 × 10^5 ÷ ( 1000 × 10) = 40 m。由式( 2) 还可看出,当压力差Δp 一定时,高度的变化量Δh 与密度ρ 成反比,即密度越小,高度的变化量 越大。
    如 果在1m3 /h 流量的水中充入1m3 /h 的空 气,忽略空气的重量,而且假设空气与水充分混 合,则当压力为p 时,空气和水的总体积流量是:
微信截图_20210905131610.png

    这里有一个问题,原来0. 4 MPa 的水只能升高 40 m,现在往水中通入空气后,水能升高56. 2 m, 比原来多升高了16. 2 m,1m3水增加的机械能 mgh = 1000 × 10 × 16. 2 = 162000 J 从何而来? 实际上,空气能进入0. 4 MPa 的水中,则空气 压力至少为0. 4 MPa。现就以0. 4 MPa 计算,当 1m3空气由0. 4 MPa 等温( 0 ℃) 膨胀至0 时,它 的等温膨胀功是:
微信截图_20210905131718.png
    误差是由于式( 4) 中只取一位小数造成的, 两者应该正好相等。也就是说,水的机械能增加来 自于空气的膨胀功。由于假设条件“水和空气充 分混合”难以实现,实际在0. 4 MPa 的1m3 /h 水 中通入1m3/h 的空气达不到56. 2 m 的高度。空分设备中液空在夹带气体后输送高度可以增 加的原理与上面输送水和空气的例子相同,但液空 输送的问题要更复杂一些,因为液空在上升过程中 液体中气量是变化的,即随着位置升高,液空的压力下降,部分液空汽化,液体中的气量随高度增加 而增加。
3、提升气对液空输送过程中体积流量的影响
3. 1 液空输送过程中体积流量的变化
    空分设备中的富氧液空主要产生于下塔底部, 有时气体膨胀机后也能产生少量富氧液空。下塔的 富氧液空在经过过冷器降温后,需要被送到粗氩冷 凝器或上塔; 气体膨胀机后产生的少量液空一般不 经过过冷器,而是直接去上塔或粗氩冷凝器。扬子 石化比欧西D 台38500m3/h 空分设备的精氩塔再 沸器( 也相当于液空的第二过冷器) 后的过冷液 空压力0. 39 MPa,温度- 180. 9 ℃,液空中氮含量 59. 46%,氧含量39. 1%,氩含量1. 44%; 膨胀机 后气液分离罐中饱和液空压力0. 417 MPa,温度 - 174. 6 ℃, 液空中氮含量59. 64%, 氧含量 39%,氩含量1. 36%。这些流体都要被输送到压 力为0. 036 MPa 的粗氩冷凝器中。在输送过程中, 随着液空位置升高和压力降低,液空发生汽化后, 气液混合物的体积流量增大。过冷液空和饱和液空 在输送过程中随着压力降低,其体积流量相对值的 变化情况如图1 所示( 初始流量都是1m3/h) 。
微信截图_20210905131911.png

    图1 中,因液空在上升过程中发生汽化,过冷 液空在进入粗氩冷凝器时,体积流量会增大到液空 出过冷器时的13. 5 倍,而饱和液空在进入粗氩冷 凝器时体积流量增大到21. 7 倍。过冷液空在压力 高于0. 21 MPa 时,体积流量不变,只有等压力降 至0. 21 MPa 以下后,体积流量才开始增大; 而饱和液空则从一开始就随着压力降低,体积流量就不 断增大。
    质量一定时体积与密度成反比,因此一般来 说,饱和液空在输送过程中任一个压力下的平均密 度都要小于过冷液空,也就是饱和液空每单位高度 液柱产生的静压比过冷液空小,即两种液空在相同 的压差下,饱和液空更容易被输送到较高的位置。
3. 2 提升气对液空输送过程中体积流量的影响
    往过冷液空中充入提升空气后,液空的体积流 量将变大,而平均密度变小。往1 m3 /h 过冷液空 中分别充入0. 005m3/h 和0. 01m3/h 常温( 20 ℃) 空气后液空体积流量的变化情况如图2 所示,将其 与不充入提升空气的过冷液空及饱和液空的体积流 量相比较( 见图2) 。
微信截图_20210905131916.png
    由图2 可以看出,往过冷液空中充入提升空气 后,过冷液空的性质向饱和液空趋近,当充入相当 于液空流量0. 5%的常温空气时,液空的体积流量 就已经有了较明显的变化,在相同压力下比较,液 空的体积流量增大了11% 63%,液空的平均密 度当然也会相应变化( 减小) 。由图2 还可看出, 即使提升气量增大到液空流量的1%,过冷液空在 同样压力下的平均密度仍然要明显大于饱和液空。
    空分设备中既可以使用分子筛纯化系统后的常 温空气作为提升气,也能使用下塔底部的低温饱和 空气作为提升气。如果使用低温饱和空气作为液空 输送的提升气,那么提升气量必须适当增大,才能 达到用常温空气作为提升气同样的效果。计算结果 表明,1m3/h 常温空气的效果大约与2. 1m3/h 低 温饱和空气的效果相当。
4、关于液空调节阀安装位置和液空管径的讨论
4. 1 液空调节阀安装位置
    目前空分设备中液空经过液空调节阀时产生的 压降已经很小,液空的压降主要产生在液空垂直上 升管道内,由液空柱的静压力产生。由图1 可以看 出,在液空开始汽化前,过冷液空的体积流量不 变; 液空开始汽化后,液空气、液两相的体积流量 随液空位置升高( 压力降低) 而不断变大。为了 避免输送液空在气、液两相区调节,液空调节阀最 好安装在液空开始汽化之前。图1 中液空压力大约 是降低0. 18 MPa 后开始汽化,因过冷液空密度约 为880 kg /m3,这样过冷液空大约是在升高20 m 后 开始汽化。所以,一般液空调节阀应安装在离冷箱 底部高度不超过20 m 的位置。由于饱和液空从一 开始就会汽化,输送饱和液空的调节阀最好安装在 冷箱底部附近。
4. 2 关于液空管径的讨论
    在液空开始汽化前,适当增大管径来降低液空 流速可以减小流动阻力。但在液空开始汽化后,如 果垂直上升管道也采用较大的管径就不一定合适。因为气、液两相流速过小,在流动过程中会“分 离”,气相对液相的夹带作用会减弱。适当提高液 空流速还可以利用“伯努利效应”,即流体的流速 增大时其压力降低的性质,这样液空就能提前汽 化,液空中的气相分数也会增大一些。但液空管径 太小也不行,因为流体阻力与流速的平方成正比, 如果流速太大,阻力就会快速增加。因此,液空 气、液两相上升管道的管径过大或过小都不好,应 该根据液空体积流量和气相分数等选用合适的液空 管径。
    扬子石化比欧西C 台20000m3 /h 空分设备和 D 台38500m3/h 空分设备的液空输送管线都采用 了变径的方法,即在液空调节阀后的液空管线上,位置较低的液空管线的管径较小,而随着位置升 高,液空管线的管径适当增大。如D 台38500m3/h 空分设备,在液空调节阀前的液空管线的管径是 200 mm,液空调节阀( 此阀位置在离冷箱底部高 度约17 m 处) 后先是有一段管径是80 mm,然后 到达一定高度后管径增大到100 mm,再升高后又 增大到150 mm,最后进入粗氩冷凝器时的液空管径 是250 mm,进入精氩冷凝器的液空管径是200 mm。C 台20000m3/h 空分设备液空管线的下部管径是 100 mm,中上部管径是150 mm,液空进入粗氩冷 凝器时管径是200 mm。
    计算2 套空分设备液空管路中的流速,得到的 结果是: 液空开始汽化时,流速一般为2 4 m/s, 随着液空位置升高、压力降低,液空气、液两相的 流速不断增大,当液空流速增大到8 12 m/s 时, 就适当增大管径,使流速降低一些,然后随着液空 位置再升高,流速又增大到10 m/s 以上,再增大 管径……最后一段最粗的管道( DN250 mm 或 DN200 mm) 主要是顶部弯头和水平管道,目的可 能是利用这段较粗的管道来降低液空流速,从而将 液空的动能重新转化为压力能,并且为液空气、液 两相分离做准备。
5 结论
    ( 1) 对于下塔压力偏低而粗氩冷凝器位置较 高的空分设备,可以考虑在液空输送管线上增设提 升气,这样可以稳定液空的流动,对制氩系统及 上、下塔工况有利。
    ( 2) 提升气的作用主要是降低气、液两相的 平均密度,从而有可能将液空输送到更高的位置。
    ( 3) 液空调节阀最好安装在液空开始汽化之 前,而液空开始汽化后的输送管道采用下小上大变 管径的方法,有利于液空的稳定流动。

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