液体空分设备常见问题

由于市场对低温液体的大量需求，也为了保证在空分设备非正常停车或因故障间断供气时生产线能够正常运行，具有低温液体生产能力的空分用户在保证不影响生产用气的同时，都会较大限度的对液体产品进行生产储存，想尽办法来提高液体产品的产量。

       液体空分设备是直接生产出液体氧、氮等液体产品的空分装置，有的液体空分设备除生产液体产品，也生产少量气体产品。        根据获取液体产品的方法来分，液体空分设备分两种；一种是先生产气态的氧氮，再通过液化装置，将气态产品转化为液体产品。另一种是直接用液体空分设备生产出液体氧氮等产品。        根据压力等级来分，液体空分装置分低压循环液体空分和中压循环液体空分两大类：低压循环气体膨胀量小，工作压力低，气体的液化是通过相变来实现的，为了获得冷量要大幅度提高循环空气量，相应的能耗就大大提高；而中压循环由于工作压力和液化温度高，单位气体液化所需的冷量相应减少，气体液化没有等温的冷凝过程，而是直接变为液体，这样就减少了循环气量，使能耗大大降低。        一般情况下，液体产品小于1000m³/h的空分设备，多采用全低压空气循环的液体空分工艺流程；当液体产品的产量要求在2000-3000m³...

如果在设计时选择的液空调节阀通过能力过小，或在安装时与液氮调节阀换错，或在运行中调节阀或液空吸附器、过冷器堵塞，均能造成液空的通过能力减小。即使在液空调节阀开至较大，液空液面也会不断上升。为了维持下塔液面的稳定，不得不采取开大液氮调节阀，减少下塔回流液的方法，这将破坏下塔的正常精馏工况。由于液氮取出量过大，液氮纯度下降，上塔氮气纯度也随之下降，氧的提取率降低，氧产量减少。同时，液空中氧纯度虽然有提高，但是在上塔精馏段的液体中由于回流比增大而氧含量下降，因此，总的结果仍使产品氧纯度下降。在出现上述情况时，氧气产量与质量往往达不到指标，必须针对原因，采取措施。如果是阀门通过能力不够，可增加一个旁通阀。在液空管路系统堵塞严重，无法维持正常生产时，只得停车加温。

影响氧产量的因素，除了尽可能减少空气损失，降低设备阻力，以增加空气量；尽可能减少跑冷损失、热交换不完全损失和漏损，以减少膨胀空气量外，这里主要从调整精馏工况的角度，分析一下调整产量的方法：1)液面要稳定。液氧液面稳定标志着设备的冷量平衡。如果液氧面忽高忽低，调整纯度就十分困难。合理调节膨胀量和液空、液氧调节阀开度，使液氧面稳定。2)调节好液空、液氮纯度。下塔精馏是上塔的基础。液空、液氮取出量的变化，将影响到液空、液氮的纯度，并且影响到上塔精馏段的回流比。如果液氮取出量过小，虽然氮纯度很高，但是，给精馏段提供的回流液过少，将使氮气纯度降低。此时，由于液空中的氧浓度低，将造成氧纯度下降，氧产量减少。因此，下塔的较佳精馏工况应是在液氮纯度合乎要求的情况下，尽可能加大取出量。一方面为上塔精馏段提供更多的回流液；另一方面使液空的氧浓度提高，减轻上塔的精馏负担，这样才有可能提高氧产量。这里需要说明的是，液氮纯度的调节要用液氮调节阀，不能用下塔液氮回流阀。回流阀在正常情况下应全开。3)调整好上塔精馏工况，努力提高平均氮纯度。平均氮纯度的高低标志着氧损失率的大小。而平均氮纯度又取决于污氮纯度的高低，因为污氮气量占的比例大。污氮的纯度主要也是靠下塔提供合乎要求的液氮来保证的。当下塔精馏工况正常，而污氮纯度仍过低时，则可能是上塔的精馏效率降低(例如塔板堵塞或漏液)；或是膨胀空气量过大；或是氧取出量过小、纯度过高，使上升蒸气量增多，回流比减小。要改善上塔的精馏工况，主要是控制氧、氮取出量。一方面二者的取出量要合适；另一方面阀门开度要适度，以便尽可能降低上塔压力，有利于精馏，以提高污氮纯度。

下塔液空主要来自从下部块塔板流下的液体。从上一块塔板上流下的液体与进塔空气在块塔板上接触，部分液体蒸发，液体中的氧浓度有所增高后再流入液釜的。但是，它的氧浓度受到进塔空气的氧浓度(20.9%O2)的限制，总要比它的平衡浓度低一些。例如，当下塔压力为0.55MPa时，与含氧20.9%的蒸气相平衡的液体中氧浓度为40.8%，而实际液空中氧浓度应低于这个值。 平衡浓度与压力有关。随着压力的提高，平衡浓度降低，液空中氧浓度也随之减小。例如，当压力为0.6MPa时，液体中的平衡浓度为40.1%O2。此外，根据塔的能量平衡，进塔空气应是含湿的。对于中压流程的制氧机，膨胀空气与节流空气混合后应含有部分液体；对于低压流程的制氧机，切换式换热器冷端空气是稍有过热的，则必须使一部分空气在液化器中液化，使其综合状态是含湿的。装置的冷损越大，或生产液体产品，则要求进塔空气含湿越大。而进塔的这部分液体中的氧浓度是较低的，因此，含湿的大小将影响到液空的氧浓度。冷损越大，液空的氧浓度越低。例如，对生产气氧的设备，液空的氧浓度为38%O2～40%O2；对于生产液氧的空分设备，液空的氧浓度为35%O2～37%O2。在实际运转中，液空的氧纯度还受下塔物料平衡的制约。如果液氮调节阀关得过小，液空量增加，液空氧纯度就必然降低，而液氮纯度会提高。反之，则液空的氧纯度提高。液空氧纯度的高低对精馏是有影响的。其影响程度不能笼统而言，应作具体分析。例如，在液氮纯度保持不变及回流量一定的情况下，液空纯度越高，则氧气纯度提高；液空纯度越低，则氧气纯度难以提高。当然，这还要看上塔是否有潜力而异，操作人员较好按规定的指标操作。

在空分设备上应用的高压气化器，目前在充瓶上使用的有三种型式：1)水浴式。将盘管放入水中，并伴有蒸汽通入。用热水使液氧(或液氮、液氩)气化。盘管采用单根或多根直径较大的管子(如φ25mm×2～3mm)盘绕而成。一般做成一层，上下装有汇流管或叫集合器(单根的没有)。进、出口管都朝上。管子材料需用铝管或不锈钢管。水温保持在80～90℃。它的优点是传热性能好，体积小，重量轻，操作较安全。缺点是要消耗一定量压力为0.4MPa左右的蒸汽。2)空浴式。换热器置于大气中，用空气来加热低温液体，使之气化。传热管采用星形大肋片复合管，外管为铝管，内管为不锈钢管。大肋片的外径为φ113mm，内径为φ22mm，壁厚3mm，肋片为8片。肋片可使传热强化8倍多。气化器采用立式安装，高度约2m。每个单元组由8根星形管串联而成。气化量为50～75m3/h。根据总的气化量大小来确定所需并联的单元组数。每组之间设有汇流管，朝下安装。整个气化器安装在一个框架内，并用连接板将肋片固定。它的优点是不需消耗蒸汽或电能，操作安全。缺点是传热系数小，体积大，重量大，成本高。3)装于空分塔内，利用加工空气加热。它作为装置内设备的一部分(氧换热器)，由空气回收液氧和氧气的冷量，并又返回到塔内，减少了装置的冷量消耗。氧换热器常做成单管与套管两种。根据流程的压力决定管外或套管之间的空气压力。小型设备一般做成盘管结构，用小口径的紫铜管(φ5mm×lmm或φ6mm×lmm)盘绕而成。管内受压为15～16MPa，管间所受空气压力对中压流程为2～4MPa，对低压流程为0.55MPa。在150m3/h空分设备上将氧换热器和主换热器做成一体，用多根套管盘绕而成。管子为φ10mm×1mm和φ5mm×1mm。套管的焊接用银焊。 前两种型式的气化器用于液体贮槽后的增压气化，它的冷量未加回收，冷损大。

当进出精馏塔的和各股物料的量及状态完全符合整个精馏塔的物料平衡、组分平衡以及能量平衡时，精馏工况才能维持稳定运行。通常，从精馏塔引出的气氮、气氧产品处于干饱和蒸气状态，因而进精馏塔加工空气的状态也应该是在其压力下的干饱和蒸气状态。一般下塔压力为0.5～0.6MPa，其对应的饱和温度约为100～101K，也就是加工空气进下塔的状态是温度为100～101K的干饱和蒸气。 但是，由于精馏塔存在冷损失，加之膨胀后入上塔的空气为过热空气，为了．补偿冷量，导致加工空气进入下塔的状态不仅要达到饱和，而且必须含少量的液体，即加工空气进下塔的状态应该是气液混合物。对于只生产气态产品的塔，进下塔的加工空气中含3%～5%的液体；对于同时生产气、液产品的精馏塔，因塔的冷损失加大，加之有部分焓值低的液态产品离开塔，为了维持塔的冷量平衡，进入下塔的加工空气中所含液体的比例势必要增加。入塔加工空气中的液空，在小型中压制氧机中，由高压空气节流后产生部分空气液化来提供；在全低压切换流程中，其入下塔加工空气中的液体部分在液化器中产生；在全低压分子筛纯化流程中，入下塔加工空气中的少量液空，由主换热器冷段正流空气被冷却后，部分被液化而产生。假若进塔空气的状态不是气液混合物，而为饱和或过热，塔内冷量就会失去平衡，发生精馏塔中塔板的液体过分蒸发，塔板温度升高，液体减少，甚至液体消失，造成精馏不能正常进行，空气也就无法分离了。

在全低压空分流程中，有的设有一个液化器，有的设有两个、甚至三个液化器，分别靠污氮、纯氮或纯氧的冷量使一部分空气液化。有的还把液化器与液空、液氮过冷器连成一体。流经液化器的空气来自下塔的洗涤空气或切换式换热器冷端的低温空气。 液化器的作用与空分流程及启动方式有关。一般有以下几个作用： 1)在启动积液阶段，液化器起到液化空气、积累液体的作用。有的流程不单独设液化器，例如法国液化空气公司的6500m3/h空分设备，把液空过冷器、污液氮过冷器和膨胀换热器做成一个整体来回收冷量，启动时完全靠过冷器作为液化器使用来进行液体的积累； 2)在正常运转阶段，在切换式换热器(或蓄冷器)和精馏塔之间，液化器能起到冷量分配、调节的作用。从精馏塔出来的污氮和产品氧、氮的冷量，有一部分在液化器中回收，由液化空气把冷量直接转移到下塔。这样，分配给切换式换热器(或蓄冷器)的冷量就减少了，即热负荷降低了，就可避免冷端空气被液化，使进塔空气温度比干饱和状态约高1～1.5℃。 特别是当精馏塔工况波动时，由于液化器的自平衡作用，能使污氮出液化器(进切换式换热器)的温度基本不变，保持冷端温差在自清除允许的范围，有利于切换式换热器以及精馏塔工况的稳定性。此外，液化器还能起到调节冷凝蒸发器液面的作用。 液化器的自平衡是指液化器能自动保持其冷气流出口温度基本恒定。这是因为当冷气流(如污氮)量或其入口温度发生变化，即液化器热负荷发生变化时，进入液化器被液化的空气量也会相应地发生变化。例如污氮进入液化器的温度降低，污氮与空气的温差增大，使得液化器的热负荷增大，空气液化量增多。而液化量越大，则液化器内空气侧的压力越低，与下塔(或低温空气管道)之间的压差越大，被吸入液化器的空气量会自动地增加，回收的冷量也就增加，所以污氮出液化器的温度可以基本保持不变。这就满足了切换式换热器(或蓄冷器)对冷端返流气体温度保持恒定的要求。

冷量是在制冷中习惯用的一种称呼，制冷就是要获得比周围空气温度更低的低温，它相对于周围空气来说，就有了吸收热量的能力，通常把低温物体相对于周围空气温度所具有的吸收热量能力的大小叫冷量。物体的温度越低(与周围空气的温差越大)。数量越多，则吸收热量的能力越大，即冷量越大。

精馏过程必须有上升蒸气和下流液体。冷凝蒸发器是联系上、下塔的纽带，它用于液氧和气氮之间进行热交换。液氧来自上塔底部，在冷凝蒸发器内吸收热量（气氮冷凝放出的潜热）蒸发为气氧，其中一部分作为产品气氧送出，而大部分（70%~80%）供给上塔作为精馏用的上升蒸气。气氮来自下塔上部，在冷凝蒸发器内放出热量而冷凝成液氮，供给上塔和下塔作为回流液，参与精馏过程。因此，冷凝蒸发器是精馏系统中必不可少的重要换热设备。它工作的好坏关系到整个空分设备的动力消耗和正常生产，所以要正确操作和维护好冷凝蒸发器。