劉守強,胡長青

(中鹽安徽紅四方股份有限公司 技術中心工藝室,安徽　合肥　231602)

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空分裝置預冷系統(tǒng)流程的重構

劉守強,胡長青

(中鹽安徽紅四方股份有限公司 技術中心工藝室,安徽合肥231602)

0引言

空氣分離過程在現代化工過程中，是一個非?；A和重要的模塊，在鋼鐵、冶金、石化、煤化工中都需要巨量的氮氣、氧氣用于氣體保護、氧化過程。

深冷精餾是目前工業(yè)應用最為廣泛的空氣分離方法，利用空氣中各組分在低溫下不同的沸點，通過低溫精餾方法提取空氣中有用的組分。該方法與膜法和PSA法比較，可實現空氣組分的全分離、產品精純化、裝置大型化、狀態(tài)雙元化(液態(tài)及氣態(tài))，在生產裝置工業(yè)化方面占據主導地位。

深冷精餾法對空氣的分離，完全依靠投入的能量消耗，其裝置規(guī)模大，耗能總量也大，因此若流程設置不當，能量利用效率低，就會造成單位產品物耗和能耗的增加，提高空氣產品的成本。

空分裝置預冷系統(tǒng)是深冷精餾法工藝中的重要組成部分?？諝饨洿笮涂諌簷C初步壓縮后，需要脫除低壓空氣中二氧化碳和水，才能進一步壓縮。預冷系統(tǒng)是脫碳脫水前的中間工藝步驟，其是否能將空氣溫度降低到10℃左右，對脫碳脫水的程度和難度，以及分子篩的再生周期有很大影響，甚至會造成分子篩穿透[1]。為此，馬源在文獻[2]中指出空氣一般需要預冷到8～13℃。

1空分裝置預冷系統(tǒng)

1.1　空分裝置預冷系統(tǒng)流程

由空壓機來的壓縮空氣經空冷塔C6101，由低溫冷卻水冷卻至約10℃，再去分子篩吸附器脫除水和二氧化碳。進C6101冷卻水分兩部分：一部分是一般循環(huán)冷卻水由下塔噴淋；另一部分一般循環(huán)冷卻水經水冷塔C6102，由冷箱排出的廢氣進行預冷，然后再由冷水機組X6101冷卻到一定溫度。具體流程參見圖1。

圖1　空分裝置預冷系統(tǒng)流程圖C6101-空冷塔;C6102-水冷塔;X6101-冷水機;P6101-水泵;P6102-水泵

圖1中出現的物流和熱流，根據技術軟件包提供的工藝參數如表1所示。

空冷塔C6101內徑4.4 m，低溫冷卻水進口高度為22.5 m，常溫冷卻水進口高度為11.6 m。從上至下，塔上部亂堆填充9 m高?50聚丙烯鮑爾環(huán)填料，下部上面亂堆填充3 m ?76聚丙烯鮑爾環(huán)填料，下面墊有1 m ?76不銹鋼鮑爾環(huán)亂堆填料。

1.2　現有預冷系統(tǒng)的物耗、電耗

由表1，同類小計計算預冷系統(tǒng)的物耗和電耗如表2所示。

從表2可以看出，現有預冷系統(tǒng)冷卻介質物耗有循環(huán)水905 t/h(循環(huán))，冷氣流(物流13和15混合)48 860 Nm3/h；水泵電耗250 kW。

循環(huán)水帶走熱量4.15×109kJ/h，冷氣流帶走熱量8.646×105kJ/h，合計冷氣流和循環(huán)水帶走熱量為4.15×109kJ/h。熱空氣釋放進系統(tǒng)熱量為3.043×107kJ/h。明顯循環(huán)水帶走的熱量要遠遠大于熱空氣冷卻釋放的熱量，二者是不平衡的，這表明設計時給予了預冷系統(tǒng)極大的操作彈性。

2新預冷系統(tǒng)流程

2.1　新預冷系統(tǒng)流程

對于預冷系統(tǒng)流程組織，陳建功在文獻[3]中描述了較多的大中型空分裝置預冷系統(tǒng)流程，并說明了各流程的應用特點。根據現有預冷系統(tǒng)和生產現狀，進行簡易改造才是合適的。

從表1可以看出，圖1物流11溫度為37℃，與熱空氣100℃溫差高達63℃，然后就回了涼水塔冷卻。這明顯增大了涼水塔的動力消耗，降低了冷卻水的利用率。參考張貴群等在文獻[4]中提出的開放式預冷系統(tǒng)，對預冷系統(tǒng)流程進行重構，新流程如圖2所示。與張貴群流程不同的是冷卻水實質是在冷水機組中完成換熱后，冷熱水分離分別從空冷塔上部和中部灌入。

表1空分裝置預冷系統(tǒng)物流工藝參數

物流號標態(tài)流量/Nm3·h-1摩爾流量/kmol·h-1溫度/℃壓力/MPa組成V/[%]焓/kJ·h-1氧氮氬水1236140105351000.62520.576.170.912.42-3.890E+07222713510133100.61520.576.170.912.42-7.690E+07464500(kg/h)35802320.45000100-1.022E+10512500(kg/h)6938320.45000100-1.980E+096520000(kg/h)28864320.45000100-8.240E+097125000(kg/h)6785150.11000100-1.946E+098125000(kg/h)678581.06000100-1.950E+099520000(kg/h)28864321.0000100-8.240E+0910645000(kg/h)36051420.62000100-1.026E+1011260000(kg/h)28864320.45000100-4.120E+0912260000(kg/h)28864370.40000100-8.23E+091311920532120.1180.00110000-2.112E+0515369401648120.1181.9397.530.540-6.534E+05

表2現有預冷系統(tǒng)物耗和電耗(系統(tǒng)焓增為正)

物流號標態(tài)流量/Nm3·h-1摩爾流量/kmol·h-1溫度/℃壓力/MPa組成V/[%]焓/kJ·h-1氧氮氬水循環(huán)水進905000(kg/h)64666320.45000100-1.434E+10循環(huán)水出1645000(kg/h)36051420.62000100-1.026E+10循環(huán)水出2260000(kg/h)28864370.4000100-8.23E+09冷氣流進488602180120.1181.45998.1320.4090-8.646E+05冷氣流出488602180環(huán)境環(huán)境環(huán)境環(huán)境環(huán)境環(huán)境-17796P6101160kWP610290kW熱空氣進236140105351000.62520.576.170.912.42-3.890E+07冷空氣出22713510133100.61520.576.170.912.42-0.847E+07

表3空分裝置預冷系統(tǒng)物流工藝參數(對應圖2)

物流號標態(tài)流量/Nm3·h-1摩爾流量/kmol·h-1溫度/℃壓力/MPa組成V/[%]焓/kJ·h-1氧氮氬水1236140105351000.62520.576.170.912.42-3.89E+072230730.510294.2100.61520.9877.950.930.138-0.86E+07399082.5kg/h550081.06000100-1.58E+094210739kg/h11698371.0000100-3.335E+099314162kg/h17439570.615000100-4.946E+091099082.5kg/h550080.118000100-1.58E+0911210739kg/h11698320.45000100-3.34E+0912210739kg/h11698370.40000100-3.335E+09

充分利用冷水機組(虛線框內)的循環(huán)冷卻水，必要時加大冷水機組進口水流量，以維持空冷塔下部需要的冷卻水流量。

由于是在舊流程上的改造，現有設備除水泵等小設備外，大設備已經無法變動。因此，工藝設備除泵以外參數都不改變。在CHEMCAD中優(yōu)化計算表明，在保證物流2溫度10℃左右條件和空冷塔在現有填料及其裝填方式下，冷卻水3、4和循環(huán)水用量都有大幅下降，具體結果參見表3。

圖2　重構的預冷系統(tǒng)流程圖

CHEMCAD在化工流程模擬中具有簡單實用的特點，在換熱器設計和模擬中廣泛采用。由于水-空氣直接接觸傳熱，具有與精餾塔類似的傳遞過程，因此空冷塔選擇分離設備中的SCDS系列填料塔[5]。在CHEMCAD模擬中，熱力學物性計算用Peng-Robinson方程，傳遞性質為默認方法。

由圖2可以看出，重構后的空冷塔流程更加簡潔，撇除了多余的循環(huán)水管線，這也將給預冷系統(tǒng)改造減少很多工程量。

2.2　預冷系統(tǒng)新流程的物料衡算和能量衡算

對重構后的新預冷系統(tǒng)進行物料衡算和能量衡算，其中水冷塔流程仍采納舊流程(在圖2中未標示)，工藝及工藝參數不進行改變，衡算結果如表3所示。

從表3可以看出，以冷水機組循環(huán)水用于空冷塔下塔段冷卻水是完全可行的，而且冷卻水用量可以大幅減少。而由于低溫冷卻水和常溫冷卻水用量的減少，促使泵的規(guī)格可以減小，可以分別選擇IS125-100-250型水泵(低溫冷卻水用，電機功率75 kW)和IS150-125-400型水泵(常溫冷卻水用，電機功率為45 kW)[6]。

2.3　重構的預冷系統(tǒng)操作彈性

在其他條件不變下，僅改變進口熱空氣流量和溫度，在保持出口冷空氣溫度在8～13℃之間約束下，在CHEMCAD模擬中觀察熱空氣進口流量(表4)和進口溫度最高限(表5)。

表4熱空氣進口流量與出口冷空氣溫度的關系

進口流量/kmol·h-110535110001150011700出口溫度/℃9.9310.6311.5111.91

從表4可以看出，熱空氣進口流量可以超出原設計流量約11%，出口溫度都不會超出12℃?？紤]到水泵有很大負荷余量，冷水機組規(guī)格也未改變。當進口空氣流量為12 642 kmol/h(設計負荷的120%)，上塔低溫冷卻水流量增加到108.1 t/h，下塔常溫冷卻水流量同比增加到230 t/h，出口空氣溫度可降低到11.68℃，低于工藝要求的高限13℃。

表5熱空氣進口溫度與出口冷空氣溫度的關系

進口溫度/℃100120140160出口溫度/℃9.939.9610.0010.06

從表5可以看出熱空氣進口溫度對出口溫度影響非常不敏感，即使進口溫度大幅度增加到160℃，出口空氣溫度都遠低于13℃。

2.4　預冷系統(tǒng)新流程水耗與電耗

根據表3，合計不同規(guī)格的冷卻水用量，以及空氣流量，如表6所示。表6預冷系統(tǒng)重構后的物耗和電耗(系統(tǒng)焓增為正)

物流號標態(tài)流量/Nm3·h-1摩爾流量/kmol·h-1溫度/℃壓力/MPa組成V/[%]焓/kJ·h-1氧氮氬水循環(huán)水進314162kg/h17439320.615000100-4.98E+09循環(huán)水出314162kg/h17439570.615000100-4.946E+09常溫冷卻水泵45kW低溫冷卻水泵75kW熱空氣進236140105351000.62520.576.170.912.42-3.890E+07冷空氣出230730.510294.2100.61520.9877.950.930.138-0.86E+07

從表6可以看出，循環(huán)水總循環(huán)量為315 t/h，電耗120 kW。與流程重構前(表2)相比，循環(huán)水總循環(huán)量下降590 t/h，電耗降低130 kW。

3結論

(1)對現有預冷系統(tǒng)分析表明，預冷系統(tǒng)有極大的操作彈性，可以進行流程優(yōu)化和操作優(yōu)化；

(2)重構后的預冷系統(tǒng)操作彈性，仍然很大，可以方便進行負荷的調節(jié)。在進口空氣流量低于12 642 kmol/h，或進口溫度高達160℃下，仍可以維持空冷塔出口空氣溫度低于13℃；

(3)重構后的預冷系統(tǒng)模擬計算表明，循環(huán)水總循環(huán)量下降590 t/h，電耗降低130 kW。

參考文獻

[1]王高敏.大型空分裝置空冷塔系統(tǒng)的研究與優(yōu)化[D].上海：華東理工大學，2011.

[2]馬源.大型空分裝置預冷系統(tǒng)的研究[J].氣體分離，2009(3):48-50.

[3]陳建功.大中型空分設備及其預冷系統(tǒng)[J].深冷技術，2002(3):25-27.

[4]張貴群，游義忠.空氣預冷系統(tǒng)的選擇與思考[J].深冷技術，2013(2):23-27.

[5]鄔慧雄,等.CHEMCAD典型應用實例:化學工業(yè)與煉油工業(yè)(下)[M].1版.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

摘要：通過對現有空分裝置預冷系統(tǒng)的流程和工藝參數的審查，發(fā)現冷卻循環(huán)水的冷卻能力未得到充分利用，導致部分冷卻循環(huán)水空循環(huán)。進一步通過定量分析發(fā)現，現有的預冷系統(tǒng)熱量非平衡，具有很大的操作彈性和節(jié)能降耗空間。據此，對預冷系統(tǒng)換熱網絡進行流程重構，并進行了物料衡算和能量衡算。結果表明，與原流程相比，冷卻水循環(huán)量降低了590 t/h，電耗降低了130 kW。

關鍵詞：換熱網絡;預冷系統(tǒng);空分裝置;節(jié)能降耗;流程

Progress Reconstruction for the Pre-cooling System in Air Separation Unit LIU Shou-qiang,HU Chang-qing

(CNSG Technology Center Processchamber,Circular Economy Demonstration Garden,Hefei 231602,China)

Abstract：Through reviewing the process and parameters of existing pre-cooling system in the air separation unit,it's found that the cooling capacity of the cooling circulating water has not been fully utilized, resulting in circulating water of no effect. Further quantitative analysis shows that the heat of existing pre-cooling system is non-balanced,which has great operating flexibility and energy and material savings’ space. Accordingly, heat exchanger network of the pre-cooling system is reconstructed, and computing its material balance and energy balance.It shows that compared with the existing process, that cooling water is reduced by 590 t/h,and power consumption is decreased by 130 kW.

Key words：heat exchanger network;pre-cooling system;air separation unit;energy saving;progress

作者簡介：劉守強(～),,工程師，主要從事化工生產管理工作。

收稿日期2015-00-00修訂稿日期2015-00-00

中圖分類號：TQ028.1+3

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 06-0572-04