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制氮机(制氮设备)冷凝蒸发器的安全设计
 
 
  空分设备中液氧沸腾主冷凝蒸发器的爆炸事故已引起国内外空分业界人士的重视和思考, 各大空分设备制造厂家在对事故进行调研和分析的基础上对已投产和新设计的空分设备提出了对策和建议。但是空分设备中还有一类富氧液空沸腾冷凝蒸发器, 如粗氩冷凝蒸发器、纯氮设备冷凝蒸发器, 尽管这类冷凝蒸发器极少发生爆炸事故, 但是富氧液空(氧含量为36 %~40 % , 其余为氮气和少量氩气) 和液氧都属于助燃物质, 空分设备发生爆炸的部位都在富氧液空或液氧的蒸发区, 尽管液氧蒸发区发生爆炸的可能性比富氧液空蒸发区要大, 但富氧液空冷凝蒸发器的安全运行也必须引起空分设备设计单位和用户的重视。下面就此问题进行一些讨论, 供同行借鉴和参考。
1  富氧液空冷凝蒸发器的结构形式
目前, 国内外空分设备制造厂家设计制造的粗氩塔一般采用浸浴式冷凝蒸发器(如图1 所示) ,在特大型空分设备的粗氩塔上也有采用降膜式冷凝蒸发器的。纯氮设备大多采用浸浴式冷凝蒸发器,还有一部分纯氮设备采用干式冷凝蒸发器(如图2所示) 。
  粗氩塔浸浴式冷凝蒸发器的结构与空分设备主冷凝蒸发器相似, 其板式单元浸泡在液空池内, 且有一定高度的液空液位, 由于热虹吸效应形成液空自循环, 自循环倍率为7 。由于热虹吸效应建立的液空自循环, 可冲刷液空蒸发通道, 使碳氢化合物固态析出的几率减小。同时, 还需要有2 %液空量不断返流至上塔, 以提高液空的流动性, 确保粗氩塔冷凝蒸发器的安全运行。纯氮设备干式冷凝蒸发器使进入冷凝蒸发器的液空全部蒸发, 形成坩埚式干蒸发, 以极高的倍数浓缩一些挥发度很小的碳氢化合物。
浸浴式冷凝蒸发器中的板式单元上、下两端敞开, 其垂直通道走液空。因此, 液空蒸发通道畅通, 不易形成碳氢化合物积聚的死角。干式冷凝蒸发器结构简单, 板式单元上、下两端封闭, 液空需先经过导流片再经过直通道, 容易形成碳氢化合物积聚的死角。
碳氢化合物在液空沸腾时的积聚, 在很大程度上取决于沸腾侧内气液两相流动的动力学条件, 在热负荷小以及相应液空液位低的工况下, 沸腾效果不佳, 沸腾侧上部容易出现液空没有浸湿状态, 特别容易导致乙炔结晶物沉积。
2  碳氢化合物在富氧液空中的浓缩积聚
大气中的碳氢化合物随加工空气进入冷箱后,浓缩和积聚现象非常明显。正常工况下, 空分设备各处碳氢化合物含量见表1 。
表1  空分设备各处碳氢化合物含量
组 分
分子筛纯化
系统出口空气
粗氩冷凝
蒸发器液空
主冷凝蒸发
器液氧
氧化亚氮(N2O) — — 114 ×10 - 6
二氧化碳(CO2) 011 ×10 - 6 013 ×10 - 6 018 ×10 - 6
甲烷(CH4) 1 ×10 - 6~3 ×10 - 6 66 ×10 - 6 18 ×10 - 6
乙烯(C2H4) 01005 ×10 - 6 01005 ×10 - 6 01005 ×10 - 6
乙烷(C2H6) 01005 ×10 - 6 015 ×10 - 6 0115 ×10 - 6
丙烷(C3H8) 0105 ×10 - 6 313 ×10 - 6 01005 ×10 - 6
  从表1 看出, 碳氢化合物在粗氩冷凝蒸发器液空中的浓缩倍数比在主冷凝蒸发器液氧中的浓缩倍数要高, 因此液空冷凝蒸发器的安全设计不容忽视。在特殊情况下, 液空中的碳氢化合物含量会严重超标。例如宝钢72000m3/ h 空分设备膜式粗氩冷凝蒸发器曾发生过氧化亚氮堵塞故障, 对粗氩冷凝蒸发器富氧液空侧进行加温, 排出的氧化亚氮量多达50~100kg ; 乌鲁木齐石化公司炼油厂KDN22000 型高纯氮设备的纯氮塔冷凝蒸发器, 其液空中的总烃量一直超标, 平均高达320 ×10 - 6 。这些都对空分设备的安全运行造成威胁。随大气进入空分设备的堵塞物质, 如二氧化碳和氧化亚氮以及可燃物质甲烷、乙烯、乙烷和丙烷, 极易在液氧和富氧液空内积聚并析出。由于它们均属高沸点组分(相对于液氧、液空的沸点) ,
在液空和液氧中的饱和蒸气压极小, 因此它们一旦进入精馏塔内, 均会在液空、液氧中积聚。这些危险杂质在富氧液空、液氧内浓缩积聚到超过其饱和溶解度极限时, 将形成具有爆炸危险的物质。只要不达到饱和溶解度就不会以固相析出而堵塞沸腾通道, 并且不在爆炸范围内, 就不会对空分设备的安全运行造成危害。例如在98K 时, 富氧液空中乙炔的溶解度约为20cm3/ m3 , 高于其在液氧中乙炔的溶解度615cm3/ m3 。这说明乙炔在富氧液空中固态析出的可能性比在液氧中的小, 液空沸腾冷凝蒸发器的运行较为安全。
3  富氧液空冷凝蒸发器的安全设计
综合以上分析, 富氧液空和液氧中都会出现碳氢化合物浓缩积聚的现象, 富氧液空中固态析出的可能性比液氧中的小, 因此, 液氧沸腾区发生爆炸的可能性比富氧液空沸腾区要大。但是富氧液空沸腾形式的冷凝蒸发器还是应该从以下几方面考虑安全设计:
(1) 宜采用浸浴式冷凝蒸发器结构, 保证液空的循环倍率。
(2) 板式单元的液空沸腾侧通道应选用较大的翅片节距, 一般翅片尺寸为6135mm ×117mm ×012mm (翅高×节距×齿厚) , 并且每一块翅片在组装前要严格去毛刺, 以保证液空流动畅通, 消除安全隐患。
(3) 冷凝蒸发器中的液空要定量或定期排放。
(4) 要定期对有害杂质气体进行检测、记录,一般要8 小时分析1 次乙炔和碳氢化合物含量, 有条件的单位应设置总烃含量在线分析仪, 随时监控液空中烃类物质的变化趋势。
4  结束语
总之, 富氧液空沸腾冷凝蒸发器的安全性要引起人们足够的重视, 预防碳氢化合物在其中浓缩而引起爆炸。在设计中要给其与主冷凝蒸发器同等的重视, 避免使用干式冷凝蒸发器形式。在使用中尽量保持全浸操作, 同时排放一定量的液空, 还要经常分析液空中碳氢化合物的含量, 以保证空分设备安全运行。