空分精餾塔工況波動技術(shù)分析

劉麗文

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

2020 年11 月23 日1：10 至15：30 寧夏石化公司KDN-4000/300Y 型全低壓高純氮?dú)饪辗盅b置精餾工況出現(xiàn)較大幅度波動，造成精餾塔阻力、精餾塔液空液位、冷凝蒸發(fā)器液位、進(jìn)塔空氣流量、氮?dú)饬髁砍霈F(xiàn)大幅度變化，精餾塔阻力上升至30 kPa。引起波動的直接原因是精餾塔HC2402 再生氣旁通閥定位器故障，DCS給定閥位與現(xiàn)場閥位出現(xiàn)偏差，精餾塔再生氣旁通閥DCS 給出閥位是45%，現(xiàn)場確認(rèn)實(shí)際閥位是65%，進(jìn)塔原料空氣量增大，精餾系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行，引起精餾工況[1-3]波動，該設(shè)備出現(xiàn)的精餾工況波動屬非常典型的案例。因此，對高負(fù)荷運(yùn)行引起精餾塔工況波動從理論上加以分析，對空分裝置如何平穩(wěn)操作，防止工況波動，有非常好的借鑒意義。

1 空分裝置精餾系統(tǒng)工藝及原理

1.1 空分性能及現(xiàn)狀簡介

寧夏石化公司KDN-4000/300Y 型空分裝置采用全低壓深冷工藝，加工空氣量為11 500 m3/h，產(chǎn)氮?dú)? 000 m3/h，液氮300 L/h，產(chǎn)品氮?dú)夂酢?.000 3%，2011 年7 月建成投產(chǎn)。隨著用戶氮?dú)馐褂昧坎粩嘣黾?，氮?dú)猱a(chǎn)量已經(jīng)不能滿足用戶實(shí)際氮?dú)庥昧?，產(chǎn)品氮?dú)庳?fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)值的110%，加空氣量增加至12 500 m3/h，裝置負(fù)荷增加之后，容易造成精餾工況波動，在保證產(chǎn)品氮?dú)夂细竦那疤嵯?，給空分裝置穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。

1.2 空分精餾系統(tǒng)工藝流程

凈化后的空氣進(jìn)入分餾塔，通過主換熱器（E-1）冷卻至液化溫度，達(dá)到汽液飽和狀態(tài)后進(jìn)入精餾塔，經(jīng)過精餾分離出的合格氮?dú)獯蟛糠肿鳛楫a(chǎn)品供用戶使用。塔底富氧液空通過LV2301 閥節(jié)流降溫進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器（E-2），在0.38 MPa（G）壓力下與部分進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的氮?dú)庀嘧儞Q熱，氮?dú)庖夯鳛榉逐s塔回流液，冷凝蒸發(fā)器液空吸收來自氮?dú)獾臒崃空舭l(fā)為污氮。0.38 MPa（G）的污氮從冷凝蒸發(fā)器頂部引出經(jīng)主換熱器升溫至-143 ℃后，進(jìn)入透平膨脹機(jī)絕熱膨脹降溫，產(chǎn)生冷量。膨脹后接近常壓，溫度-175 ℃的污氮二次進(jìn)入主換熱器復(fù)熱至常溫后出冷箱，分別作為純化器的再生氣與制動風(fēng)機(jī)的氣源（見圖1）。

圖1 精餾塔儀表控制流程圖

2 波動過程運(yùn)行參數(shù)變化與分析

空分精餾塔工況出現(xiàn)波動，從開始波動到儀表人員將污氮旁通閥修復(fù)共14.5 h，波動范圍涉及精餾塔所有關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，以下從精餾塔進(jìn)塔空氣流量、精餾塔阻力、精餾塔液位、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速波動進(jìn)行分析。

2.1 進(jìn)塔空氣流量波動

精餾塔污氮旁通閥HC2402 閥定位器出現(xiàn)故障，操作人員DCS 給定的正常閥位是45%，后經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)HC2402 實(shí)際開度65%，DCS 閥位與現(xiàn)場閥位出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致大量污氮?dú)庾訦C2402 排入純化器再生系統(tǒng)與膨脹機(jī)制動風(fēng)機(jī)，再經(jīng)消音器放空。精餾塔壓力下降至0.70 MPa 以下，產(chǎn)品氮?dú)鈮毫ο陆?，阻力增加，出塔氮?dú)饬髁繙p少至3 000 m3/h 以下，精餾塔壓力波動引起出塔氮?dú)猱a(chǎn)品流量波動，波動范圍在2 700～5 000 m3/h。為保持精餾塔壓力穩(wěn)定，壓縮機(jī)自動加負(fù)荷，使進(jìn)塔空氣流量由11 000 m3/h 增加到12 500 m3/h。

進(jìn)入精餾塔空氣量增加使精餾塔內(nèi)的上升氣體流速增加，塔頂抽出的氮?dú)饬恳蚕鄳?yīng)增加，出塔氮?dú)庾枇υ黾樱瑥亩狗戳髦晾淠舭l(fā)器的氮?dú)饬吭龃?，主冷蒸發(fā)器熱負(fù)荷增大，下塔回流液增加，回流量與上升蒸汽同時(shí)增加，塔內(nèi)的回流比沒有太大變化，氮?dú)饧兌葲]有在波動過程中受到影響。增加進(jìn)塔氣量在一定范圍內(nèi)，氧、氮的純度基本保持不變。但精餾塔原料空氣流量的增加會給生產(chǎn)帶來很多不利影響，隨著主換熱器中冷凝液體量的增加，主換熱器的熱負(fù)荷增大，當(dāng)傳熱面積不足時(shí)，主換熱器的溫差必然擴(kuò)大，下塔的壓力相應(yīng)升高。同時(shí)，由于塔內(nèi)上升氣體流速加快，來自塔頂回流液體量增加，塔板上液體層加厚，使塔板阻力增加，上下塔壓力差也會相應(yīng)增加，將對氮、氧的分離帶來不利影響，同時(shí)也會使電耗增加，精餾塔上升氣體量大時(shí)，塔板阻力以及下流液流經(jīng)溢流斗的阻力均會增加，造成溢流斗內(nèi)液面升高，塔板上的液體無法正常流下，這將破壞精餾塔的正常工況。此外，由于上升氣體流速增加，容易將液滴帶到上一層塔板，出現(xiàn)嚴(yán)重“霧沫夾帶”，影響精餾效果，嚴(yán)重時(shí)會造成氮純度下降。

采用深冷工藝生產(chǎn)氮?dú)獾目辗炙黾?%左右的空氣量，在沒有負(fù)荷大幅度波動情況下也能正常工作，不需要采取什么措施。當(dāng)加工空氣量過大時(shí)，需要對精餾塔進(jìn)行改造，加大塔板上篩孔的孔徑，以降低氣體速度，加大主換熱器的傳熱面積，縮小主換熱器溫差，保證精餾塔能正常工作。

2.2 精餾塔阻力波動

采用篩板結(jié)構(gòu)的精餾塔，其精餾塔阻力是指氣體通過每塊塔板和液層所產(chǎn)生的阻力，即塔板上下空間里的蒸汽壓力差，氣體通過空塔截面的阻力極小，可忽略不計(jì)，一般來說沿每塊塔板的阻力ΔP干大小與篩孔蒸汽速度大小及篩孔的制造質(zhì)量有關(guān)，因此根據(jù)加工量與產(chǎn)品氮?dú)饧兌炔煌瑢Y孔大小設(shè)計(jì)有一定要求，篩孔大小一定，通過篩孔蒸汽流速越大，篩孔阻力也越大。

氣體通過篩孔穿過液體層逸出時(shí)，還必須克服液體的壓力ΔP濕，ΔP濕由靜液封與動液封產(chǎn)生，氣體流速增大，塔板液體層增厚，ΔP濕會增大。氣體還必須克服液體的表面張力所產(chǎn)生的阻力ΔP表，ΔP表一般較小，該設(shè)備精餾塔有71 塊塔板，克服液體表面張力所產(chǎn)生的阻力約2.79 kPa。因此塔板的阻力為上述三項(xiàng)之和，即ΔP=ΔP干+ΔP濕+ΔP表。

由于HC2402 故障引起進(jìn)塔空氣流量增加，精餾塔蒸汽組分上升流速增加，干塔板阻力ΔP干增大，同時(shí)，流入冷凝蒸發(fā)器換熱器E-2 氮?dú)庠黾樱s塔回流液增加，塔板液體增厚，蒸汽上升阻力ΔP濕增大，精餾塔阻力ΔP 增大，最高上漲至30.9 kPa。

2.3 精餾塔液位波動

精餾塔冷凝蒸發(fā)器采用鋁質(zhì)板翅式換熱器，浸入冷凝蒸發(fā)器液空中，在精餾過程中反流氮?dú)饬鹘?jīng)換熱器翅片，與冷凝蒸發(fā)器液空進(jìn)行熱交換，發(fā)生相變，氮?dú)獗焕淠?，液空被蒸發(fā)。氮?dú)庠谶M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器板式換熱器之前溫度大約-168 ℃，壓力0.75 MPa，沒有達(dá)到該壓力下的液化溫度，經(jīng)過換熱器被冷凝成-168 ℃飽和狀態(tài)下的液氮。精餾塔塔底液空壓力0.75 MPa，溫度-166 ℃，呈飽和液體狀態(tài)，自塔底抽出，進(jìn)入過冷器與蒸發(fā)器、膨脹機(jī)產(chǎn)生的溫度較低的廢氣熱交換，溫度降至-169 ℃，再經(jīng)LV2301 閥節(jié)流后送入冷凝蒸發(fā)器，得到壓力0.38 MPa 的汽液混合狀態(tài)的液空，節(jié)流效應(yīng)使得液空溫度進(jìn)一步降低至-175 ℃，與流經(jīng)板式換熱器內(nèi)部的氮?dú)膺M(jìn)行熱交換，使氮?dú)庖夯?，作為塔頂回流液，流入下塔參與精餾。

精餾塔出現(xiàn)波動后，精餾塔壓力降低，進(jìn)塔空氣量增加，出塔氮?dú)馐茏?，氮?dú)饣亓髁吭黾邮估淠舭l(fā)器熱負(fù)荷增加，冷凝蒸發(fā)器的液空蒸發(fā)速度加快，冷凝蒸發(fā)器液位迅速下降，最低下降至550 mm。精餾塔回流液增加，有更多液體流入塔底，液空液位不斷上漲，最高至1 000 mm。

2.4 膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速、再生氣流量波動

該型空分設(shè)備采用PLPN-108.33/3.81-0.3 型臥式油潤滑透平膨脹機(jī)組，最高轉(zhuǎn)速20 320 r/min，膨脹量5 200～7 800 m3/h，0.38 MPa 污氮經(jīng)噴嘴進(jìn)入膨脹機(jī)工作輪，推動膨脹機(jī)做功，污氮絕熱膨脹降溫，膨脹機(jī)風(fēng)機(jī)端依靠膨脹后污氮制動，通過調(diào)整膨脹量與制動風(fēng)量的大小控制膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速與制冷量。污氮旁通閥HC2402 具有調(diào)節(jié)進(jìn)入污氮?dú)饬髁颗c膨脹后污氮壓力的作用，當(dāng)HC2402 儀表定位器故障時(shí)，閥位出現(xiàn)變化，引起進(jìn)入膨脹機(jī)的污氮流量以及膨脹后污氮壓力大幅度變化，膨脹機(jī)噴嘴端與風(fēng)機(jī)端同時(shí)受到HC2402閥開度變化影響，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)類似喘振的波動，波動幅度在1 500 r/min 左右。

HC2402 閥開度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動引起純化器再生氣流量波動，HC2402 閥開度增大，使再生氣流量增加，進(jìn)入純化器再生氣流量在3 000 m3/h 以上，造成純化器加熱器出口溫度低于135 ℃，達(dá)不到170 ℃以上工藝指標(biāo)要求。

3 應(yīng)對措施

當(dāng)精餾塔氮?dú)猱a(chǎn)量增加，原料空氣流量增加，工況出現(xiàn)波動，為穩(wěn)定工況應(yīng)當(dāng)采取以下措施：

（1）精餾工況出現(xiàn)異常，精餾塔壓力下降，氮?dú)獬鏊繙p少，操作人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整進(jìn)塔原料空氣流量，提高精餾塔壓力，提高氮?dú)猱a(chǎn)品流量，穩(wěn)定精餾工況。

（2）開大液空調(diào)節(jié)閥LV2301 閥開度，降低液空液位。液空液位與塔阻過高時(shí)，及時(shí)從塔底液空排放閥排放部分液空，防止精餾塔液空液位過高，當(dāng)觀察塔阻下降，氮?dú)饧兌壬仙龝r(shí)，應(yīng)停止排放。

（3）進(jìn)塔空氣流量增加，精餾塔阻力也相對升高，在較高阻力下操作，要及時(shí)排放液氮。塔板上的液體厚度增加，在篩孔孔徑一定的情況下阻力上升，塔板正常工作時(shí)，塔板上的液面比出口堰高一些，由于上升氣體頂托了清亮液層的靜壓，液體不能從篩孔中漏下，而是通過出口堰流到溢流管里，溢流管里的液面比塔板上的液面要低一些，但比下一塊塔板上的液面要高，當(dāng)塔板上的液體增厚，液體下流速度減慢，使溢流裝置內(nèi)液體液面上升至上一塊塔板，液體不能順利下流，進(jìn)一步積累在塔板上，這是由于回流液體負(fù)荷過大或上升氣流流速過大引起的。因此，精餾塔阻力達(dá)到一定程度時(shí)，不能因蒸發(fā)器液位低，而不排放液氮，否則會造成液泛現(xiàn)象，影響氮?dú)饧兌取?/p>

（4）空分超負(fù)荷運(yùn)行，氮?dú)猱a(chǎn)量達(dá)到原設(shè)計(jì)110%，精餾塔經(jīng)常會出現(xiàn)不同程度的波動，在調(diào)整過程中，首先以穩(wěn)定工況為主，塔底液空液位應(yīng)控制在400～600 mm，因蒸發(fā)器熱負(fù)荷增加，蒸發(fā)器液位上漲較慢，甚至長時(shí)間不上漲，因此，不能觀察蒸發(fā)器液位接近上限時(shí)排放液氮，應(yīng)以液空液位上升600 mm 時(shí)排放液氮為宜，否則容易造成精餾塔液空液位與阻力波動。大負(fù)荷狀態(tài)下HC2402 閥與LV2301 閥的開度比以前應(yīng)略大一些，可減少精餾塔工況的波動。

4 結(jié)論

以上是針對寧夏石化公司KDN-4000/300Y 型空分裝置運(yùn)行中出現(xiàn)的因調(diào)節(jié)閥故障引起精餾工況的波動現(xiàn)象進(jìn)行的分析?？辗盅b置大負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)常會出現(xiàn)塔阻、液位的波動現(xiàn)象，雖然波動幅度小，對生產(chǎn)沒有造成嚴(yán)重影響，但波動機(jī)理與上述案例有共同之處。對上述波動現(xiàn)象認(rèn)真分析，對目前空分裝置穩(wěn)定運(yùn)行有非常重要的意義。