浅谈膨胀机制冷量对深冷分离制氮工艺的影响及调节.docx

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浅谈膨胀机制冷量对深冷分离制氮工艺的影响及调节

题目：

浅谈膨胀机制冷量对深冷分离制氮工艺的影响及调节

摘要：

分析膨胀机制冷量对深冷分离制氮工艺的影响及其对膨胀机制冷量的

调节方法。

主题词：

深冷分离制氮制冷量影响因素调节

第一章前言

深冷分离制氮法也叫低温制氮法，主要是通过空气压缩、空气净化、空气的精馏分离等过程，依据空气中各组分的沸点（气化温度）的不同（在标准大气压下氮的沸点为-196℃或77K氧气的沸点为-183℃或90K），沸点低的氮气相对于氧气要容易气化这个特点，在分馏塔内让温度较高的蒸汽与温度较低的液体不断相互接触经过传质传热，使液体中的氮较多地蒸发，气体中氧较多的冷凝，使上升的蒸气中氮的含量不断提高，下流液体中氧的含量不断增加，以此实现将空气分离，提取纯度较高的氮气。

这种方法生产量较大、相对运行成本较、得到的氮气纯度高，所以深冷分离法制氮是目前应用最为广泛的空气分离方法。

那么空气的降温液化将是我们深冷分离制氮的一个重要环节，冷量的制取过程及其调节将是我们制取质量合格的氮气最为重要的一步。

图：

1-1深冷分离制氮工艺流程

第二章深冷分离制氮冷量的制取途径及其影响

深冷分离制氮装置，冷量的制取主要有膨胀机膨胀制冷量和节流阀的节流膨胀制冷量两部分冷量组成。

2.1膨胀机的膨胀制冷过程

透平膨胀机的气体制冷流通部件主要由导流器、喷嘴、工作叶轮、扩压器等三部分组成。

从分馏塔顶部引出经过主换热器换热的（P=0.25MpaT=-150℃）污氮气体，进入膨胀机的窝壳，流入导流器中，导流器上装有可调节的喷嘴叶片。

污氮气体进入如图：

2-1的喷嘴流道内，通过喷嘴流道横截面积的变换，使其压力能降低动能增加，污氮气体的焓转换成动能，流速增加温度降低，实现了污氮气体在膨胀机导流器内的膨胀降温。

从喷嘴流出的高速的污氮气流均匀的分布到叶轮上，在如图：

2-2的叶轮流道内，污氮气体沿着横截面逐渐扩大的流道流动，进一步进行膨胀，是污氮气体的动能增加焓值减小。

此时，污氮气体膨胀动能增加所产生的反动力推动叶轮高速旋转，将其通过叶轮转化成机械能，再由与叶轮同轴带动的制动风机消耗。

这样，膨胀机通过喷嘴和叶轮的两次膨胀使污氮气体焓值降低（温度压力降低），完成制冷过程。

图：

2-1图：

2-2

2.2节流阀的节流膨胀制冷过程

节流阀的节流膨胀制冷是根据，同一种饱和液体或者气体，在不同的压力下对应的饱和温度不同来实现制冷过程的。

在分馏塔底部的富氧液空温度为-173℃压力为0.60Mpa，其经过如图：

2-3中的V1阀门控制，流入冷凝蒸发器的顶部，冷凝蒸发器顶部的压力为0.25Mpa，而富氧液空在0.25Mpa时所对应的饱和温度为-193℃.在整个过程中，由于所处的环境温度都非常低，所以是一种绝热的膨胀过程，富氧液空的压力下降使其体积膨胀，内部分子运动速度加快消耗了这部分能量使富氧液空温度降低焓值不变如图2-4中过程1-2，在精馏传热过程中利用降低的温差来吸收热量冷却氮气如图2-4中过程2-3，实现了节流膨胀制取冷量的整个过程。

图：

2-3图：

2-4

2.3膨胀机膨胀制冷量决定深冷分离制氮装置冷量的平衡

在深冷分离制氮装置中压力在0.60MPa左右，其单位节流制冷量为1.36KJ/m3，在整个装置里，单位跑冷损失和热交换不完全损失大约在8.1～11.4KJ/m3。

由此可见，在总冷损中，绝大部分要靠膨胀机制冷来弥补，所需要的膨胀制冷量为6.74～10.04KJ/m3，大约占总冷量的83%～88%。

一般在正常工况下，膨胀机制冷量占到85%～90%，而节流效应制冷量只占10%～15%，在装置开工初期，积液过程中所有的冷量都有膨胀机制冷提供。

因此，在整个装置运行过程中冷量平衡由膨胀机的制冷量来决定。

第三章膨胀机冷量对深冷分离制氮工艺的影响

在深冷分离制氮工艺中，冷量摄取的多少有膨胀机制冷量来决定，它将直接影响冷凝蒸发器液面的高度，从而影响到深冷分离制氮中精馏过程的最终效果、生产过程安全性能和生产过程的能耗。

3.1膨胀机制冷量对冷凝蒸发器液面（主冷液面）高度的影响

装置的工况稳定时，装置的产冷量与冷量消耗保持平衡，装置各部位的压力、温度、液面再不随时间的变化而变化。

经过膨胀机膨胀的污氮气体，进入主换热器与逆流的净化空气经过传热，使净化空气冷却到-173℃具有一定的相对稳定的含湿量，进入分馏塔底部参与精馏过程。

此时，回流液量与蒸发量相等，主冷液面保持在一个相对稳定的状态。

当膨胀机制冷量不足时，在主换热器内不能将净化空气冷却到-173℃，含湿量降低。

此时，净化空气进入分馏塔底部参加精馏，由于进入分馏塔内的冷量不足，下塔液面的高度会持续下降，为了保持塔底液面的高度系统会自动相应的控制进入主冷的节流阀V1的开度，导致进入冷凝蒸发器的液体量不足，主冷液面持续下降。

当膨胀机制冷量过剩时，在主换热器内将净化空气冷却到-173℃以下，使净化空气含湿量增加。

此时，净化空气进入分馏塔底部参加精馏，由于进入分馏塔内的净化空气的含湿量增加，下塔液面的高度会持续上升，系统会自动相应的开大进入主冷的节流阀V1的开度，导致进入冷凝蒸发器的液体量增加，主冷液面持续上升。

3.2主冷液面高度对深冷分离制氮精馏工况的影响

根据传热基本方程式Q=KF△t的关系式表明当冷凝蒸发器内的富氧液空液面高度发生变化时，实际传热面积F增大或减少，导致热负荷传递发生变化。

主冷温差是随着主冷液面高度变化而变化的，主冷液面高度控制到2200～2400mm即整个冷凝蒸发器高度85%～100%为最佳传热状态。

3.2.1主冷液面过高对制氮精馏工况的影响

当主冷液面过高，超过2400mm时，这时由于富氧液空液面的静压作用，导致富氧液空的平均压力升高，对应的饱和温度升高，使传热温差△t减小，回流液的热负荷能力降低，在整个精馏过程中对氧的冷凝提取率下降，产品氮气的纯度下降。

3.2.2主冷液面过低对制氮精馏工况的影响

当主冷液面控制过低，低于2200mm时，其传热面积F将不断减小，热负荷能力也将随之降低，氮气的液化率下降，回流液的量减少，同样在整个精馏过程中对氧的冷凝提取率下降，产品氮气的纯度下降。

3.3主冷液面对深冷分离制氮生产过程安全性能的影响

我们知道不仅乙炔在富氧液空内一定条件下能引起主冷凝蒸发器爆炸外，其他的碳氢化合物CnHn的浓缩在一定条件下也会引起主冷凝蒸发器爆炸。

虽然在分子筛纯化器中，分子筛对空气中的CnHn进行了吸附净化，但是分子筛对乙炔吸附效率可达98%左右，对CnHn吸附率只有60%～65%，剩下的就随着加工空气进塔，乙炔和碳氢化合物几乎全部积聚在主冷凝蒸发器内富氧液空中。

由于它们在富氧液空中的分压较低，且能较强烈溶解于富氧液空中，造成这些碳氢化合物在富氧液空中浓缩，一旦浓缩到爆炸极限就存在着不可估计的危险。

因此，首先要把冷凝蒸发器富氧液空内的乙炔、CnHn量要控制在一定范围，就要保持一定的主冷液面高度，以稀释液氧中乙炔、CnHn含量，使其保持在爆炸极限一下。

表：

3-1乙炔和碳氢化合物在富氧液空中的含量极限规定：

化合物

控制目标

报警值

停车值

乙炔C2H2

≤0.01PPm

≥0.1PPm

≥1PPm

碳氢化合物CnHn

≥50PPm

液氧（按碳记）

≥70PPm

液氧（按碳记）

3.4主冷液面对制氮生产过程中能耗的影响

当主冷液面过高，使传热温差减小，热负荷能力降低，若要保持传热温度不变热负荷增加，由节流膨胀制冷过程可知，则需要提高下塔压力。

空分设备，其能量90%以上消耗在空气压缩机上，而压缩机的功率大小与压缩机的排气压力、流量、环境温度、冷却水量有关。

显然，要使空分设备下塔压力提高，势必提高压缩机排气压力，压缩机单位内能量消耗就要增大。

同时，如把主冷液面高度控制高于正常值，则会造成冷凝蒸发器换热效果降低，进装置空气量减少，导致装置精馏工况破坏。

对压缩机来说，由于空分装置进塔空气量减少，造成压缩机实际排气量小于压缩机的正常工作排气量，压缩机发生喘振放空。

这样，对压缩机造成机械损坏、能耗增大，对整个装置进塔空气量减少，导致装置达到规定产量、质量要求时，氮气单位能耗增加。

通过以上实际情况分析，为了使装置能符合设计工况下正常运转和实现安全运转，必须正确地控制主冷液面液位高低，盲目随意提高冷凝蒸发器液空液位高度，不仅会造成装置设备不正常状态，而且将使能耗增加，因此正确控制主冷液面高度，对节约能耗具有实际意义。

第四章膨胀机制冷量的调节

膨胀机制冷是深冷装置冷量的主要来源，它的调节对空分装置的良好运行具有很重要的意义。

改变膨胀机的制冷量，通常有改变气体在膨胀机进口处状态参数的调节即“质”的调节；改变气体流量的调节即“量”的调节；还有，就是改变风机转速的调节。

图：

4-1

4.1改变气体在膨胀机进口状态参数的调节——进口节流调节

进口节流调节，是通过调节如图：

4-1膨胀机入口阀V43，改变膨胀机前的进气压力，使膨胀机的焓降

及其等熵效率

同时发生变化，以实现改变膨胀机产冷量的目的。

由于膨胀机的有效焓降

、等熵效率降低

。

因此，这种调节放在经济上很不合算。

所以，这种调节方法只用于调节范围不大，非设计工况运转时间不长的调节。

4.2改变改变膨胀机气体流量的调节

改变膨胀机气体流量的调节一般有转动喷嘴叶片角度的流量调节、多机组调节这两种方法。

图：

4-2图：

4-3

4.2.1转动喷嘴叶片角度的流量调节

转动喷嘴叶片角度的流量调节，是利用调节如图：

4-1喷嘴V404转动喷嘴叶片，改变如图4-2喷嘴与叶轮的切线角度

而改变入口的流通面积，进而改变膨胀机的流量，改变其制冷量。

这种调节方法不改变气体在膨胀机进出口的状态参数，而且能够很均匀的改变膨胀机的进气量。

因此在较大的范围内调节冷量时，仍然保持机器有较高的等熵效率。

所以这种调节经济性好，并且可以灵活的掌握改变叶片角度的大小，得到比较精细的调节效果，是一种最简单、最先进、最常用的调节方法。

4.2.2多机组调节

为了使同一型号的膨胀机获得不同的调节范围来控制膨胀机的制冷量，完成空分装置所需冷量。

通常可以将如图4-3膨胀机的喷嘴与叶轮之间的相对安装高度设计的不同，来实现膨胀机进气量的不同，从而实现同一型号的膨胀机调节范围的不同。

在8000Nm3/h制氮装置中，膨胀机ET401A的喷嘴与叶轮的相对安装高度大于膨胀机ET401B的喷嘴与叶轮的相对安装高度，所以，在两台同一型号的膨胀机调节过程中V404开度相同，制冷量ET401A大于ET401B。

这种调节方法只适用于，不同季节不同外部环境温度下装置启动过程中使膨胀机的效率最佳的调节，在装置正常运行过程中调节的意义不大，所以这种调节方式不常用。

4.3改变风机转速的调节

改变风机转速调节膨胀机的制冷效果，是通过关小如图4-1制动风机出口阀V402来改变风机出口的阻力，降低风机的转速进而改变膨胀机的转速，来降低膨胀机叶轮对气体动能到机械能的转换。

这种调节方法同样降低了膨胀机的有效焓降

及其等熵效率

，提高了膨胀机的能耗。

因此，这种调节方法也是很不经济的，所以在平时操作中很少用到。

第五章结束语

通过对深冷分离制氮装置制冷的制取方式和决定因素的分析以及制冷量对空分装置的影响因素分析发现，膨胀机制冷量在深冷分离制氮装置冷量的补充与提供起着决定性的作用，在日常生产工作合理的调节膨胀机制冷量，对深冷分离制氮装置的生产工况、安全运行性能、经济性能至关重要。

根据膨胀机的结构性能分析得出，膨胀机冷量调节主要有改变膨胀机进气“质”和“量”的调节，以及改变制动风机转速的调节这三种方式。

在平时日常操作与维护中，我们应该严格监控整个装置冷量的变化，采取合理有效的对膨胀机制冷量的调节方式，来维持装置的安全平稳运行。

致谢

参考文献

[1]汤学忠,顾福民.新编制氧工问答.北京:

冶金工业出版社,2005.

[2]陈兆元，气体深冷分离工.北京:

化学工业出版社,2005.

[3]中国气体分离设备商务网，主冷液面高度对空分设备影响，2011

[4]中国石油兰州石化公司，8000

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