CN104534812B - 一种应用于气体深冷分离设备主精馏塔 - Google Patents

Abstract

一种应用于气体深冷分离设备主精馏塔，它涉及一种主精馏塔。该装置包括：精馏塔主体、两个压力氮气塔内取出管、下塔液氮回流管、一个低压换热器、沸腾区、换热器和主冷凝蒸发器。本发明根据空分主精馏塔下塔压力氮取出量影响空分装置跑冷因素的技术分析，针对压力氮气取量不足问题，提出解决方案：1)将取出管口加高远离气液沸腾区，减少液滴夹带；2)将单抽口改为双抽口减少出口流速。经改造后达到空分精馏工况的稳定调整，运行参数符合设计值，降低主精馏塔下塔波动对氩系统的影响，消除低压换热器低温应力疲劳和强度破坏，增加了压力氮气的产量的目的。

Description

一种应用于气体深冷分离设备主精馏塔

技术领域

本发明涉及一种主精馏塔。

背景技术

中煤龙化哈尔滨煤化工有限公司水气分厂4^#空分装置，是我公司25万吨甲醇生产线配套设备，采用杭州杭氧股份有限公司生产的KDON30000/24000型空分装置，工艺流程为分子筛净化内压缩流程，是当前世界气体深冷分离最先进工艺，属于大型空分设备。为配套25万吨甲醇生产用氧氮气量，设备制造厂家杭州杭氧股份有限公司为我厂量身制造，由杭氧厂家先期制氧设备KDON28000型制氧机基础上设计开发的新型制氧设备。其中压力氮气19500Nm³/h设计产量可以满足我化工公司整条生产线压力氮气量需求。自2009年3月此套设备运行以来，下塔压力氮气一直无法达到设计产量，压力氮在取10000Nm³/h时出冷箱温度在2℃，压力氮气经低压换热器换热后送给用户，当送氮量超过10500Nm³/h时，压力氮气出冷箱温度就会随取量的加大逐渐下降到-17℃，偏离原23.5℃～2℃正常设计值，即使在这套装置70％负荷运行时，压力氮气同比例取量应在13650Nm³/h时只能取10000Nm³/h的压力氮气。为避免对低压换热器造成损害及装置的跑冷，压力氮气取量一直处于低流量的状态，这种工况影响塔内气液平衡、影响精馏塔内各段回流比、影响氧产量。压力氮气取量不足需另外启两台氮压机补充用户需求量，压力氮气长期达不到设计值，影响了空分正常精馏工况，阻碍了长周期稳定运行，违背高负荷降成本的初衷，制约了工厂产能效益发展。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，根据空分主精馏塔下塔压力氮取出量影响空分装置跑冷因素的技术分析，针对压力氮气取量不足问题，提出解决方案：1)将取出管口加高远离气液沸腾区，减少液滴夹带；2)将单抽口改为双抽口减少出口流速。经改造后达到空分精馏工况的稳定调整，运行参数符合设计值，降低主精馏塔下塔波动对氩系统的影响，消除低压换热器低温应力疲劳和强度破坏，增加了压力氮气的产量的目的。

本发明的一种应用于气体深冷分离设备主精馏塔，它包含精馏塔主体、两个压力氮气塔内取出管、下塔液氮回流管、一个低压换热器、沸腾区、换热器和主冷凝蒸发器；其中，所述的两个压力氮气塔内取出管的出气口汇聚一起进入低压换热器，两个压力氮气塔内取出管进气口分别置于精馏塔主体下塔顶部；所述的下塔液氮回流管一端与沸腾区连通，另一端与换热器连通；换热器位于主冷凝蒸发器中；其中，两个压力氮气塔内取出管在精馏塔主体的沸腾区上部空间的管口距离主冷凝蒸发器底部50～60cm。

本发明包含以下有益效果：

本发明针对空分装置进行如下改进：1)将取出管口加高远离气液沸腾区，消除液滴夹带；2)将单抽口改为双抽口减少出口流速。

通过以上改进，带来以下优势：

(1)安全方面

通过提高压力氮取出口的高度以及增加一个压力氮气塔内取出管的设计，降低了取出气的流速，消除了压力氮气液滴夹带现象，避免造成低压换热器及管路发生低温冻裂危害的重大安全隐患。

(2)经济效益方面

处理了设备故障，压力氮气正常供给后不再低负荷运行，节约了能源，降低了动力消耗，为我厂的进一步发展提供了保障。各栏目的计算依据：

1、节支总额：150.848万元

减少两台氮压机运行费用:

250kwh×0.29×2×8000h+22T/h×0.15×2×8000h＝150.848万元

2、新增利润：569.152万元

新增氮产量3000Nm3/h×8000h×0.3＝720万元

720-150.848＝569.152万元。

本发明的设计思路如下：

首先，本发明分析压力氮气温度低原因。根据传热计算基本方式确定低压换热器换热面积的设计计算，此外低压换热器另一股上塔污氮反流气出口温度符合设计值23.5℃，论证了该低压换热器在设计工况下的性能没有问题，排除了精馏塔外引发压力氮气温度低因素。

其次，第二因素就是压力氮气来气品质，下塔上部引出的压力氮取出口部位有筛板液层悬浮的液滴与氮气一同取出送往低压换热器，低压换热器对含有液滴的压力氮气换热效率下降，这是导致压力氮气出冷箱温度低的主因。压力氮气恢复到设计流量需要将取出管口位置、方式进行改造，首先提升1.04米压力氮气取气管高度，同时在主冷凝蒸发器315°方向增加一根DN300的压力氮引出管，并与原来氮气管线并联，两管取气方式降低了取气流速以达到减少液滴夹带的作用，这两种处理方式恢复了压力氮气正常工况。

由于保冷箱内的管路多数为低温液体或低温气体管路，但它们的温度水平也不同。为了尽量避免不必要的冷损，在配管时应注意下列事项：

1)各管路不得相碰，冷热管不应靠得太近，间距应大于100mm。最好不要相互平行布置；2)各种液体管路或冷管应尽量靠近内部冷容器，而气体管路布置在液体管路之外；3)气体管路离保冷箱壁的距离(也就是绝热层厚度)应在下列范围：在-50～-130℃时，应大于200～400mm；在-130～-196℃时，应大于300～600mm；4)液体排出管路应特别注意防止液体不断气化而增加的冷损。引出管宜向上倾斜，并在靠近保冷箱约800mm范围内做成向上的弯管，高度约为6～10倍直径，但不得小于200mm。如果存在不合理的配置，整根排液管都充满了液体，而靠近保冷箱外壳处由于温度升高，管内液体将气化。气泡向上运动又会返回容器内，同时新的液体又继续下流。这样不断往返，整根管内始终有液体不断气化，四周筒壳温度降低，产生冷结霜现象，甚至冻裂保冷箱体，冷量不断地散失掉。较合理配置是当阀门关闭时形成一个液封，液体不会不断流到阀门侧气化。有的对液体排出管路加有加温套管，以防冻结；5)为了减少通过管路及设备支架的冷损，安装时应加导热性能差的石棉垫。

在空分塔顶部既有液氮，又有气氮：在煮开水时我们可以看到，在大气压力下，温度升高到100℃，水开始沸腾。但是，水不是一下子全部变成蒸汽的，而是随着吸收热量，蒸汽量不断增加。在汽、液共存的阶段，叫“饱和状态”。该状态下的蒸汽叫“饱和蒸汽”，水叫“饱和水”。在整个汽化阶段，蒸汽与水具有相同的温度，所以又叫“饱和温度”。

精馏塔顶部的情况与此类似，气氮与液氮是处于共存的饱和状态，具有相同的饱和温度。但是，相同温度下的饱和液体及饱和蒸气属于不同的状态。饱和蒸气放出热可冷凝成饱和液体，温度保持不变，这部分热量称为“冷凝潜热”；饱和液体吸收热可气化成饱和蒸气，温度也维持饱和温度不变，这部分热量称为“蒸发潜热”。对同一种物质，在相同的压力下，二者在数值上相等。

影响换热器传热量(热负荷)的因素：流体通过壁面的传热过程是一个较为复杂的过程，影响传热量的因素很多。实验表明，每小时的传热量Q(也叫热负荷)与冷、热流体的温度差△t(℃)成正比，与传热面积F(m²)的大小成正比，写成公式则为

Q＝3600KF△t(kJ/h)

式中的系数K叫传热系数，表示当壁面两侧流体温差为1℃时通过单位面积的传热能力，其单位是w/(m²℃)。传热系数反映了除传热面积F和温差△t以外所有影响传热各种因素。显然，传热系数K值越大，表示传热能力越强。反之则弱。对空分装置中设置的各种换热器，其传热面积已是确定不变的。

本发明相关术语简介如下：

精馏塔：精馏塔也叫空分塔，当空气精馏时，氮不断从液体中逸出进入气体，而氧不断从气体中冷凝下来进入液体。这个过程是在气体与液体接触时发生的。精馏塔是一种强化设备，它通过塔板的作用，使气液两相有充分的接触空间，从而强化热量与质量的交换，最后把空气分离成氧气和氮气。

沸腾：液体表面和内部发生剧烈汽化现象，叫沸腾。处于此状况的区域为沸腾区。

回流比：回流比一般是指塔内下流液体量与上升蒸气量之比，它又称为液气比。而在化工生产中，回流比一般是指塔内下流液体量与塔顶馏出液体量之比。精馏产品的纯度，在塔板数一定的条件下，取决于回流比的大小。回流比大时所得到的气相氮纯度高，液相氧纯度就低。回流比小时得到的气相氮纯度低，液相的氧纯度就高。这是因为温度较高的上升气与温度较低的下流液体在塔板上混合，进行热质交换后，在理想情况下它们的温度可趋于一致，即达到同一个温度。这个温度介于原来的气、液温度之间。如果回流比大，即下流的冷液体多或者上升的蒸气少时，则气液混合温度必然偏于低温液体一边，于是上升蒸气的温降就大，蒸气冷凝得就多。因氧是难挥发组分，故氧组分冷凝下来相应也较多些，这样离开塔板的上升气体的氮浓度也提高得快。每块塔板都是如此，因此在塔顶得到的气体含氮纯度就高。另一方面，因为气液混合温度偏于低温液体一边，于是下流液体的温升就小，液体蒸发得也少，因而液体中蒸发出来的氮组分相应也少些，这样离开塔板的下流液体中氧浓度就提高得慢。每块塔板都是如此，因而在塔底得到的液体的氧浓度就低。

回流比小时则与上述情况相反，精馏工况的调整，实际上主要就是改变塔内各部位的回流比的大小。操作工人常说的精馏塔塔温高，实际就是指回流比小；塔温低，就是回流比大的情况。

压力氮气：压力氮气为主精馏塔下塔上部产品，经压力氮抽口取出，经低压换热器与净化后的正流空气换热后作为产品气连续送入管网，供后线生产使用。

附图说明

图1为现有精馏塔结构示意图；

图2为本发明精馏塔结构示意图。

具体实施方式

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

具体实施方式一：本实施方式的一种应用于气体深冷分离设备主精馏塔，它包含精馏塔主体1、两个压力氮气塔内取出管2、下塔液氮回流管3、一个低压换热器4、沸腾区5、换热器6和主冷凝蒸发器7；其中，所述的两个压力氮气塔内取出管2的出气口汇聚一起进入低压换热器4，两个压力氮气塔内取出管2进气口分别置于精馏塔主体1下塔顶部；所述的下塔液氮回流管3一端与沸腾区5连通，另一端与换热器6连通；换热器6位于主冷凝蒸发器7中；其中，两个压力氮气塔内取出管2在精馏塔主体1的沸腾区5上部空间的管口距离主冷凝蒸发器7底部50～60cm。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的两个压力氮气塔内取出管2分别位于精馏塔主体1下塔顶部两侧。其它与具体实施方式一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一

结合图2对本实施例的结构进行说明：

本实施例的应用于气体深冷分离设备主精馏塔，它包含精馏塔主体1、两个压力氮气塔内取出管2、下塔液氮回流管3、一个低压换热器4、沸腾区5、换热器6和主冷凝蒸发器7；其中，所述的两个压力氮气塔内取出管2的出气口汇聚一起进入低压换热器4，两个压力氮气塔内取出管2进气口分别置于精馏塔主体1的沸腾区5上部空间；所述的下塔液氮回流管3一端与沸腾区5连通，另一端与换热器6连通；换热器6位于主冷凝蒸发器7中；其中，两个压力氮气塔内取出管2在精馏塔主体1的沸腾区5上部空间的管口高度是在原有高度上加高1.04米。

本实施例是对中煤龙化哈尔滨煤化工有限公司水气分厂4^#空分装置是由杭州杭氧股份有限公司生产的KDON30000/24000型空分装置，经切气、加热、置换、扒砂、测量、绘图，进行了改进，照改造方案对空分精馏塔主塔开口接管，提升1.04米压力氮气取气管高度，在主冷凝蒸发器315°方向增加一根DN300的压力氮引出管，两种措施达到减少液滴夹带的目的。在没有经验更没有工业化生产示范装置的情况下，成功的完成了KDON30000/24000大型空分装置塔内改造，改造数据及科研技术在同行业中具有推广价值。

本实施例改造前空分装置只能送13500左右压力氮气满足不了造气、净化、甲醇的需要，为了满足工艺要求必须启两台氮压机压送后送出，每年浪费大量的水、电。改造后在实际运行中，达到空分装置独立完成压力氮气供给，流量达19000，工况稳定。改造节约了设备、技术、占地等投资，实现降低生产成本节约能耗的目的。从改造至今设备运行良好。此项改造为创新改造，现杭氧已将此项技术推广，广泛运用在三万以上空分装置中，在空分领域节能降耗方面有很好的发展前景。

Claims (2)

1.一种应用于气体深冷分离设备主精馏塔，其特征在于它包含精馏塔主体(1)、两个压力氮气塔内取出管(2)、下塔液氮回流管(3)、一个低压换热器(4)、沸腾区(5)、换热器(6)和主冷凝蒸发器(7)；其中，所述的两个压力氮气塔内取出管(2)的出气口汇聚一起进入低压换热器(4)，两个压力氮气塔内取出管(2)进气口分别置于精馏塔主体(1)下塔顶部；所述的下塔液氮回流管(3)一端与沸腾区(5)连通，另一端与换热器(6)连通；换热器(6)位于主冷凝蒸发器(7)中；其中，两个压力氮气塔内取出管(2)在精馏塔主体(1)的沸腾区(5)上部空间的管口距离主冷凝蒸发器(7)底部50～60cm。

2.根据权利要求1所述的一种应用于气体深冷分离设备主精馏塔，其特征在于所述的两个压力氮气塔内取出管(2)分别位于精馏塔主体(1)下塔顶部两侧。