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小型制氮机(制氮设备)的操作

由杭氧集团公司设计制造的KDON.170/350型
全低压流程空分设备,能同时提取氧气、氮气产
品。该设备设计进分馏塔空气压力(表压,下同)
为0.55~0.7MPa,加工空气量在700~1500m /h之
间,使用单位根据当地氧、氮气销售市场的情况,
可灵活选配空压机排气量。
该设备在设计方面,采用了比较先进的“s”
形塔板,使气液两相在塔板上有更充分的时间交替
接触和进行连续精馏。因此,氧、氮分离效果更
佳,纯度更高,产量更稳定。另外,该设备在配置
仪表、计量仪表方面也比同类齐全。除还使用指针
式压力表外,其余如液面、流量、温度、转速等,
全部采用电子数字显示。分馏塔、仪表板和操作盒
设计美观、整齐、大方,操作方便。可以说是目前
国内比较适用的小型节能空分设备。KDON.170/350
型空分设备的流程如图1所示。
它同以往膨胀空气返流的全低压流程空分设备
相比,在操作上有较大的区别。下面将笔者在福建
某气体有限公司对KDON.170/350型空分设备进行
操作的情况,做一总结,供参考。
l 空分设备启动液化阶段的操作
1.1 冷却阶段的操作
装置冷却大体上可分为三个步骤:① 降低透平
膨胀机进气温度;②降低透平膨胀机排气温度;③
全面冷却分馏塔。
1.1.1 降低透平膨胀机进气温度的操作
由于透平膨胀机在常温时产冷效果比较差,必
须把进气温度先降到透平膨胀机最适宜工作和最能
发挥效率的温度上,因此,膨胀机最初所产的有限
冷量,无法冷却更多的部位,而只能“自产自用”。
开V5和v7阀、关V4和V6阀,把冷量全部旁通
至主换热器,用膨胀冷量来冷却膨胀前的空气。此
时的操作要点是:充分发挥两台透平膨胀机的最大
产冷效率,尽快将进气温度降到设计的要求值。
1.1.2 降低透平膨胀机排气温度的操作
当膨胀机进气温度下降至一120℃时,已基本
满足膨胀机进气温度的工作要求。为了确保膨胀机
有一个比较稳定的进气温度,应该把膨胀机的进气
从主换热器的下部抽口缓慢地切换到中部抽口,也
就是关V5阀,开V4阀。让膨胀机在设计的最佳进
气温点上,继续高效产冷,以降低排气温度。
1.1.3 全面冷却分馏塔的操作
当膨胀机排气温度降至一165℃ 时,微开V1
阀,对下塔进行冷却。同时,打开V6阀,适当关
小v7阀,对上塔进行冷却。此时的操作要点是:
用v7阀的开度保证膨胀机进气温度在一123℃左
右,同时用膨胀机进气阀开度控制排气温度在
一165~一170℃ 之间;调整vl阀开度,使节流前
温度顺利下降并保持在?165 170℃之间。
1.2 液体积累阶段的操作
液体积累阶段是冷却阶段的继续。操作要点和
操作依据也基本相同。值得注意的是,分馏塔内液
体的出现要求调整的幅度和次数都要相对减少,尽
量让分馏塔保持稳定运行,为加快液体积累创造良
好的条件。
当液氧液面高度上升到300ram以上时,应打
开污氮控制阀V8,冷却液空过冷器,让污氮出过
冷器温度迅速下降。
1.3 收阀调纯阶段的操作
当液氧液面高度升到400ram以上,氮气出过
冷器温度、污氮出过冷器温度和膨胀空气出冷却器
温度均达到设计值时,开始收阀调纯的操作。由于
全低压设备使用的是节能型冷凝蒸发器,设计温差
比较小,在收阀调纯过程中,液氧液面波动幅度比
较大。因此,要特别注意控制关阀的速度和幅度,
应尽量保持液氧液面的稳定或将其控制在一定的波
动范围之内。
1.3.1 在关小V2阀和V3阀的同时,分馏塔内精
馏工况不断得到改善。此时,应根据膨胀机进、出
口温度下降和液氧液面上升的情况,及时减少膨胀
冷量,将其中一台膨胀机的进气调节阀慢慢关小直
至全关,让另一台膨胀机满负荷运转。
1.3.2 在空压机排气量正常的情况下,如果氧气
纯度和氧气产量达不到设计要求,说明V3阀开度
不合适,应该继续将其调整到合适的位置。 t
1.3.3 当液氧液面、氧气纯度和氧气产量基本稳
定后,为了进一步提高氧气产量,应逐步关小V7
阀,以增加膨胀空气进入上塔的流量。而同时慢慢
关小v8阀,让膨胀空气在上塔有足够的时间进行
交替接触和连续精馏,以增加氧气产量。
1.3.4 当v7阀关小到一定位置时,必然会使膨胀
机的排气压力升高。但此时,主要的操作依据是液
氧液面,只要液氧液面能保持住,V7阀可以继续
关小甚至全关。但v8阀不能全关,而且当开度减
小到两转时,应等液氧液面高度升至400ram以上,
再根据污氮中氧含量的情况将其调整到合适的
开度。
2 正常运行中的操作
2.1 透平膨胀机进气量和转速的调整
该设备膨胀后空气直接进入上塔,流量太大,
对氧气纯度有直接影响。此时可以把制动风机进气
阀关小,让膨胀机转速提高,适当减少膨胀机的进
气量,相应地开大v1阀,使氧气纯度提高。
2.2 液氧液面的控制
根据操作经验,该设备液氧液面高度在400~
500ram时,氧气纯度最好,氧气产量最高。因此,
要用膨胀机进气阀和v1阀开度,把液氧液面高度
控制在4OO~500ram之间。
2.3 氧气纯度和氧气产量的调整
分馏塔调整正常后,氧气纯度和氧气产量都很
稳定,一般情况下不必再调整。但该设备使用的是
微型空气压缩机,这种压缩机对气候变化非常敏
感,特别是温差变化比较大的天气,空压机排气量
会随温差变化而增减。为了稳定纯度,应根据排气
量变化,有预见性地调整氧气流量。
2.4 正常运行时的参数值
KDON.170/350型空分设备正常运行时的参数
值见表1。表1中所列数据,是该设备初步运行的
操作值。空压机排气量为1200m /h,一台透平膨胀
机(膨胀量为247m /h)运行。
表1 KDON-170/350型全低压流程空分设备
正常运行中的参数值
测量
内容 测量部位 原设计值 实际操作值
空气出主换热器温度 一一170℃ 一168~一l69℃
主换热器膨胀空气抽口温度 一l23℃ 一l24一一l28℃
温 氮气出过冷器温度 一l78℃ 一l7l一一l72℃
污氮出过冷器温度 一l78℃ 一l7l一一l72℃
度 膨胀空气出冷却器温度 一一l75℃ 一l68一一l70℃
膨胀机进口温度 一l23℃ 一125~一l29℃
膨胀机出口温度 一一165℃ 一158~ 一l66℃
液 液空液面 ≈l60ITlnl l53一l56mm
面 液氧液面 ≈4oOITlnl 4oO一50oITlnl
氧气纯度 99.6%O, 99.6%O
液氧纯度 99.6%O, 99.6%O,

液空纯度 32%O, 32% ~33%
液氮纯度 l0×l0一 0, 无分析

氮气纯度 l0×l0一 0, 无分析
污氮纯度 l0.3%0, ll% 一l2%0
空气节流阀vl 3 5转 3 5转

门 液空节流阀V2 4转 l转240~

度 液氮节流阀V3 2转 l转25o
污氮控制阀V8 , l转310o
膨胀空气进上塔流量 , ll0~l30m /h
流 氧气流量 l70m3/h 170—190m3/h
氮气量 流量 350m /h >465m3/h
污氮流量 200 570ⅢJ/h >300m /h
空气出主换热器压力 0.645MPa 0.49MPa

下塔压力 0.5l7MPa 0.45~0.49MPa

上塔压力 0.O59MPa 0.O5MPa
3 问断制氧
3.1 实行间断制氧可行性的分析
对于中压流程来说,小型空分设备实行间断制
氧已不再是新鲜事。但全低压流程小型空分设备,
在设计时是以连续制氧(氮)为前提的,因此,能
不能进行间断制氧?实行间断制氧后应该如何操
作?都有待进一步的实践和总结。
与中压流程相比,全低压流程空分设备的主换
热器、冷凝蒸发器、液空和液氮过冷器以及膨胀空
气冷却器,均采用传热效率很高的材料和先进技术
制成的,不易泄露,冷损很少,而且换热效果特别
好。这些对于间断制氧来说,都是非常有利的条
件。因此,笔者认为,只要找到合适的操作方法,
实行间断制氧是可行的。
3.2 恢复制氧操作方法的探讨
根据我们的操作情况来看,恢复制氧时有两种
操作方法可以选择:其一是“舍液面求纯度”操作
法;其二是“保液面”操作法。
所谓“舍液面求纯度”操作法,实际上是以牺
牲分馏塔内低温冷量为代价来获取塔内各点的工作
温度;然后再根据分馏塔内冷量消耗情况,用膨胀
冷量做补充。由于低温液体蒸发的过程总是由低沸
点组分到高沸点组分,因此能迅速提高液氧纯度,
达到提前送氧的目的。
这种操作方法简单,恢复制氧时间也比较快,
大约20 30min左右。但此法消耗分馏塔内的冷量
太大,而且适用范围也很小。停机时间稍长一点,
就可能把分馏塔内低温冷量耗尽,而当新的冷量又
接不上时,反而更难操作。
相比之下第二种操作方法比较保险。全低压流
程的特点,使我们可以先不动用分馏塔内低温冷
量,而单独启动膨胀机,对主换热器、保温材料及
部分管道进行预冷,并储存一定的冷量;然后再将
膨胀冷量送进分馏塔内。在这个基础上,只需消耗
塔内部分低温冷量,作进一步的全面冷却就行了。
这种操作方法的好处是:保住分馏塔内低温冷
量,虽然恢复制氧的时间长一些(约需50—60rain
左右),但工况很稳定、很安全,而且适用范围很
广,停机几小时甚至一天以上都可用这种操作方法。
3.3 恢复制氧具体操作方法和步骤
3.3.1 “舍液面求纯度”操作法
按操作说明书的“紧急停机后之恢复操作”方
法进行(略)。
3.3.2 “保液面”操作法
3.3.2.1 全开V4、V7阀和膨胀机排气阀,适当开
大氮放空阀和污氮排出阀。V5阀开2—3转,V2
和v3阀正常开度,全关V1、V6、V8阀。
3.3.2.2 送气入分馏塔后,待进塔空气压力升至
0.5MPa时,微开v1阀,让少量空气在塔内流动,
然后启动膨胀机。如果停机时间较长,要开两台膨
胀机。
此时的操作要点是:在膨胀机进、排气压力和
转速允许范围内,尽量开大膨胀机进气阀,以增加
膨胀冷量;用空压机放空阀保持进塔空气压力在
0.65MPa;当膨胀机进口温度降至一120~C时,慢慢
关紧V5阀。
3.3.2.3 当膨胀机排气温度下降至一170℃时,依
次进行如下调整:①用膨胀机进气阀开度控制排气
温度在一170一一180℃之间;② 慢慢开启V6阀,
适当关小V7阀,对上塔进行预冷,并用v7阀开
度控制膨胀机进气温度,使其不低于一140℃;③
开启V8阀,冷却液空过冷器,使污氮出过冷器温
度下降;④ 适当开大v1阀,让节流前温度下降并
冷却下塔;⑤微开氧放空阀,控制其流量在5oIn3/h
左右,让膨胀空气冷却器投入工作。
3.3.2.4 当节流前温度下降至一165 oC时,逐步关
小空压机放空阀,并相应地开大v1阀,直至把加
工空气全部送入分馏塔内,保持进塔压力
0.65MPa。
3.3.2.5 当氮气出过冷器温度、污氮出过冷器温
度和膨胀空气出冷却器温度下降到正常值时,说明
分馏塔内各部位的冷却已基本完成。此时,可以关
小氮放空阀和污氮排出阀,保持上塔压力。
3.3.2.6 当液氧液面开始回升时,如果开了两台
膨胀机,应逐步关小其中一台进气阀开度,直至全
关。另一台膨胀机的进气量也要根据液氧液面上升
情况,适当减小;并相应开大v1阀,降压。
送氧以后按上述1.3.3、1.3.4和2.1、2.2、
2.3、2.4节方法操作。
根据我们实际操作的情况来看,停机前液氧液
面高度在450mm左右,停机约5h后,按第一种方
法操作,20 30rain就能送氧,液氧液面下降至
200mm左右回升。停机约10h后,按第二种方法操
作,50 60rain送氧,液氧液面下降至100ram左右
开始回升;停机约20h后,90—120rain送氧,液氧
液面下降至60mm左右开始回升。两种操作方法都
不需要开大V2阀和V3阀。
以上操作虽比旧150m /h空分设备恢复制氧的
速度慢,但却初步说明了该设备实行间断制氧基本
上是可行的。