提升气在空分液空输送中的作用

阿道夫地方

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:

    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:

    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) 。

    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) 。

    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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