纯化器切换对空分工况的影响分析及应对措施.pdf

第36 卷第4 期2023-07doi:10.3969/j.issn.1008-8261.2023.04.015纯化器切换对空分工况的影响分析及应对措施叶成赞（中国石化仪征化纤有限责任公司水务部，江苏仪征2 119 0 0）摘要：分子筛纯化器切换流程在空分生产中广泛应用，在纯化器定时切换时，压力、温度、流量产生波动，造成空分精馏工况的偏移。本文以E#空分为例，对纯化器切换时对空分系统的影响进行分析，提出空分操作的关注要点，并对减少纯化器切换带来的影响提出可行的措施。关键词：纯化器切换；精馏影响；改进建议中图分类号：TQ050文献标识码：A文章编号：10 0 8-8 2 6 1(2 0 2 3)0 4-0 0 4 8-0 31概述空气深冷生产液氮、液氧等低温液体产品时，为了保证空分安全稳定运行，需要尽可能去除空气中的H,O、C O 2、NO 和C,H等杂质。由于分子筛和铝胶具有良好的低温吸附和高温解析性能，所以在空分运行中广泛使用分子筛、铝胶作为吸附剂，并设置2 台纯化器交替运行，达到空分持续生产的目的。某公司E#空分KD0NAr5000/13000/155型空分设备采用常温分子筛吸附净化流程，配置2 台纯化器。空气经过分子筛吸附后进入主换热器深度冷却后进人下塔，各种组分经过主分馏塔和氩系统的精馏，产生氮气、液氮、氧气、液氧、液氩产品。2纯化器切换过程介绍E#空分的纯化器切换分为四个过程：吸附、卸压、再生、升压。纯化器在工作压力下完成吸附，然后卸压后进人再生过程。再生气是来自空分上塔的污氮气，吸附剂经加温、冷吹两个阶段后完成再生。在投用时，需要将纯化器升至工作压力，升压气源取自进纯化器的压空主管,升压阀为 DN65 的调节阀,升压时长设置14 0 0 s。2 台纯化器并联运行18 0 s后，原运行纯化器的进出口阀门关闭，进人卸压过程。纯化器切换阀门的开度与时序控制由DCS系统设定自动控制。纯化器升压阀门开度如表1所示。表1纯化器升压阀门开度Table 1 Opening of purifier booster valve时序/s开度/%10 160160 72072010801 080 1 2001 200 1 400A210.0B27.0收稿日期：2 0 2 3-0 3-15。作者简介：叶成赞（19 8 8-），男，本科，工程师，研究方向为空分装置、动力管线运行管理，技术改造管理。聚酯工业Polyester IndustryE#空分空气净化流程简图如图1所示。空气冷吸附器却空压站补充气塔空气压缩机出口空室图1E#空分空气净化流程简图Fig.1 Schematic diagram of E#air separation airpurification process3纳纯化器切换过程的扰动及影响3.1丝纯化器升压过程的扰动及影响在纯化器转升压过程中,升压阀突然打开时,空气出空冷塔的压力同步下降。虽然空压站补充气调节阀接收到压力下降的信号，开始增加开度，但信号检测反馈调节有一定的滞后性，所以升压初期进主换热器的空气压力和流量均略有减少。随着升压阀增开,纯化器的升压速度加快,压空补充气的阀门同步增开。进人空冷塔的空气量增加，空冷塔阻力增加，导致空气进纯化器、主换热器和下塔压力、空气进主换热器的流量同步减少。在升压接近尾声,升压速度降低,压空补充气阀门逐步关小,进空冷塔空气流量、空冷塔阻力逐步降低。此时空气进纯化器、主换热器和下塔压力同步上升，空气进主换热器的流量逐步增加。进人准备阶段，2 台纯化器并联运行，此时压空补充气调节阀稳定在一定开度。但由于2 台纯化器15.020.013.017.0Vol.36 No.4July.2023一空气进主换热器一再生气/污氮吸附器B一放空28.035.023.032.0均分进主换热器空气量，纯化器段的阻力值达到最低。此时下塔的压力值逐步升至最大值，进主换热第4 期器空气量达到最大值。切换后，单台纯化器运行，压空补充气开度逐步关小，空冷塔、下塔压力逐步回归正常。在纯化器升压时，冷端和热端膨胀机的进出口温度变化并不明显。由于纯化器分压作用，膨胀机的膨胀端机前压力、机后压力以及膨胀机转速均略有下降，此时膨胀机制冷量随之下降。在纯化器升压完成至2 台纯化器并联运行期间，压空大量进入主换热器，膨胀机的机前、机后压力、转速均处在最大值,此时膨胀机制冷量上升。同时,膨胀机的轴振动、位移随着转速的变化发生较大的波动。经过以上分析，纯化器在切换时，进下塔的空气流量、下塔压力、上塔压力变化趋势是先降低至稳态后缓慢上升至峰值，然后再缓慢下降至正常状态。膨胀机的制冷量与下塔压力变化趋势相同，同时膨胀机振动和位移大幅波动。3.2切换后温度升高的扰动及影响空气在经过纯化器后，温度会有所升高，这是因为空气中的水分和二氧化碳被分子筛吸附，而吸附过程是一种放热过程 。吸附放热使出口空气温度比进口温度高4 6 2 。E#空分纯化器在切换后10 15min，空气出纯化器温度能达到峰值38,最大温升约2 2。约7 0 8 0 min后,温升差值会稳定在3.5 5.0。纯化器内温升原因主要为：（1）再生气为污氮气，温度约为2 5，比进纯化器空气温度高约10。（2)冷吹不彻底,冷吹结束后出分子筛的污氮气温度约为33，高于进口温度约8，纯化器内残余的热量。（3)升压时,吸附热储存在纯化器中。在纯化器切换之后，由于大量热量进入主换热器，理论上空气经过主换热器后的温度会大幅升高，通过比对温度数据，此参数变化小于0.1%。主要原因为：（1）主换热器中污氮气、低压氮气、高压氮气被进一步复热，出主换热器温度升高，带走一部分热量。（2）膨胀机膨胀端进口温度升高，膨胀机的总制冷量随着进气温度的升高而增加 3。（3)主换热器中有一定液位的液氮,控制某一高度以保证主换热器的温度梯度，其余的液氮作为下塔回流液参与精馏，此时液氮大量气化，液氮去下塔的阀门关小。此时，空分下塔的温度梯度基本维持不变，仅需要考虑进塔空气量的增减微调液氮取出阀的开度，维持下塔回流比。对于E#空分等带有氩塔的双高空分，纯化器切换带来压力和温度的综合因素对空分精馏工况的影响，需要重点关注上塔氩馏分的含量。截取一次的叶成赞：纯化器切换对空分工况的影响分析及应对措施切换过程曲线如图2 所示。下提图2 截取一次的切换过程曲线Fig.2Cutting the switching process curve once由图2 可知,在升压阶段，由于进下塔的空气量减少，冷凝下来的液体量也减少。但液氮回流量并没有减少，造成下塔塔底富氧液空的氧含量下降。此时虽然液空去上塔的阀门开度关小，进入上塔的液空依然能使氩馏分上升,对应的氩馏分中的氮含量增加。在纯化器并行阶段，空气大量涌人下塔，上升气流量相对比液氮回流量多，需要保证下塔的精馏稳定,减少下塔液氮的取出。另外下塔冷凝的液体量增加，液空中的氧含量上升，塔底液空进人上塔后,氩馏分的含量有下降趋势。氩馏分的检测有一定滞后，当大量的液空进入上塔后，上塔的回流液增多,仍会使氩馏分中的氮含量增加。当运行一段时间后，纯化器切换带来的热量逐步消减，空分中冷量逐渐富余，液体产品可以多取出，维持氩馏分的含量稳定。4应对纯化器切换扰动的关注要点及措施4.1分子筛升压速度控制在升压时，纯化器内的分子筛和铝胶受到空气气流的冲击而产生床层振动，当气流速度变化大时，可能冲破床层造成吸附剂敷设不均匀和粉化，引起空气在纯化器内偏流，降低整个纯化器的吸附容量，减少纯化器工作时间，造成吸附剂粉化，进入主换热器和精馏塔，影响空分的运行安全。为了避免升压时气流冲击造成纯化器破坏，升压阀必须按照一定速率开启，从而达到固定时间内达到控制压差的目的 4 。为此设定E#空分纯化器升压速度在约0.0 2MPa/min,时长约 2 2 min。通过整定压空补充气阀门的PID参数，使补充气阀门根据纯化器的升压速度及时调整，稳定进空冷塔的空气压力，从而减少对精馏塔的影响。在每次检修后，需要调整升压各阶段的阀门开度，找出最佳的设定值。在空分能运行中，定期复核纯化器的升压速度,及时调整阀门开度。49504.2根据关键参数变化及时干预主塔精馏工况在E#空分生产中，精馏工况的关键参数控制如表2 所示。通过对关键参数的综合分析,评判空分工况,及时调整液氮的取出量，有效保证空分工况稳定。表2 精馏工况的关键参数控制Table 2Key parameter control of distilation conditions序号1富氧液空去上塔阀门开度2塔釜液空氧含量3液氮出过冷器E2后的温度4氩馏分中氩含量5上塔提馏段阻力6上塔精馏段阻力7低压氮气氧含量8液氮氧含量4.3延长分子筛冷吹时间，减少加温时间E#空分采用1.3MPa蒸汽作为热源加热污氮气，经过换热后，污氮气温度在17 5左右，此温度也会因电厂供汽参数变化而变化。在E#空分刚建成投产时期，冷吹峰值控制达130 以上，经过调整加温和冷吹时间,再生时冷吹峰值控制在12 0 以上。根据实践经验，再生进口温度为17 5。冷吹阶段的冷吹峰值为8 0 10 0 为实际运行中的较佳值 4 。E#空分纯化器控制的冷吹峰值比文献中的经验值要高将近2 0 左右，说明E#空分在运行中有潜力可挖。可在空分运行中，保持现有切换周期不变，根据出纯化器空气中的CO2含量和冷吹峰值,逐步缩短加温时间,延长冷吹时间。可以每次缩短6 0 s加温时间,运行3个周期再进行下一步调整，做好冷吹峰值和进主换空气温度峰值等数据分比对分析。同时兼顾安全和节能效果，找到最优的加温时间设定。4.4考虑天气变化和切换的叠加影响空分冷箱中塔器设备处于低温状态，由于热传Analysis of the impact of purifier switching on air separation(Water Affairs Department of Sinopec Yizheng Chemical Fibre Co.,Ltd.,Yizheng 211900,China)Abstract:The switching process of molecular sieve purifiers is widely used in air separation production.When thepurifier switches at a fixed time,pressure,temperature,and flow rate fluctuate,resulting in deviation of air separa-tion distillation conditions.This article takes E#air separation as an example to analyze the impact of purifier switc-hing on the air separation system,propose key points of attention for air separation operation,and propose feasiblemeasures to reduce the impact of purifier switching.Key words:purifier switching;rectification impact;improvement recommendations聚酯旨工业导，导致冷量损失。一般情况下温差越大，冷损越大。可通过调整液氮的取出量，微调上、下塔的液体回流量稳定空分工况。当处于高温天气或气温急剧下降时，精馏工况也恰好处于临界状态,纯化器的切换的各种扰动因素叠加导致精馏工况突变，如果不及时作出正确判断，采取紧急措施，严重会导致名称控制要点综合判断下塔液体量的增减和液体中氮组分的增减下塔液氮取出量的增减判断氩馏分控制线与临界值的距离综合判断精馏段提纯工况判断液氮产品质量conditions and corresponding measures第36 卷“氮塞”。4.5异常情况的特殊处理空分长期运行，纯化器各切换阀门动作频繁，各阀门难免出现故障。纯化器切换阀通常存在阀门关闭不严、内漏，造成纯化器无法按照控制程序进行，需要及时判断出故障阀门，必要时需要临时停车检修。再生气控制阀通常会出现执行机构卡涩，动作不灵敏的情况，可能造成再生气流量不足，纯化器再生不彻底，上塔抽出的污氮气流量下降及上塔工况波动等问题，需要及时调整加热、冷吹时间，增加手动控制阀门等措施，密切关注空分精馏情况，及时调整稳定生产。同时，阀门检修可以根据情况在线检修。5结语在设备状况基本稳定的状况下，纯化器的切换是空分运行的主要变量，文章对该因素对空分精馏的影响进行分析,提出操作运行建议，研究内容有助于指导空分生产，具有一定的借鉴意义。参考文献：1孙全海.分子筛纯化器温度曲线的观察与分析 J.深冷技术，1999(4):3.2程玉芝.分子筛吸附器的安全控制策略 J.深冷技术，2 0 10(1).3汤学忠，顾福民.新编制氧工问答 M.北京：冶金工业出版社,2 0 0 1.4王沪阳，王豪，徐文艳.分子筛吸附器升压过程中空气流量的优化控制 J.深冷技术，2 0 12（7：4 7-50.YE Cheng-zan