空分裝置長周期安全運行的改進措施

摘要：介招了6000m³／h空分裝置運行周期短的現狀，從深層次分析了產生的原因及處理措施，概述了裝置在安全運行上的改進及科學管理方法。

關鍵詞：空分裝置；長周期運行：堵塞；吸附平衡；吸附過程：吸附劑耳土：分子篩；安全措施；監測

1 裝置概況
   中油集團撫順乙烯化工有限公司乙二醇車間空分裝置，原設計使用法國空氣液化公司的專利技術，采用全低壓流程、常溫分子篩吸附凈化、透平膨脹機制冷、DCS控制，生產高純氧、高純氮的氣、液產品，氧氮產量均為6000m³／h，于1991年投產；1997年5月16日發牛上冷爆炸事故后，于1997年日月重建，靜設備(包括分餾塔，主換熱器、主冷凝蒸發器、過冷器、液氧吸附器等)采用河南開封空分集團有限公司設計制造，動設備除膨脹機外，其余動、靜設備仍為原法液空設備，另增加了 臺美國約克公司制造的冷凍機，高純氧產量不變，高純氮產量則提高到13000m³／h(設計值)，于1997年11月8日產出合格產品，達到了 次開車成功；但自投產以來，因主換熱器堵塞造成運行周期短，到2000年5月裝置大檢修時，才徹底解決了這一問題。
2 解決制約空分裝置長周期運行的瓶頸
2．1 分析制約空分設備長周期運行的主要原因
    空分裝置運行周期是指制氧機連續正常運行的時間，其長短是衡量裝置運行狀態和經濟性能的重要指標之一。由于本空分裝置的動設備除膨脹機外，全部為進口設備，運行狀況良好，維護量小，但多次因主換熱器堵塞造成運行周期短的問題一直困擾我們的生產，原法液空裝置運行周期一般為七個月，分析原因主要是由于C02和水分的凍堵造成的，為此，在重建時降低了進純化器的空氣溫度，對純化器中的分子篩和鋁膠量進行了調整，每只純化揣的分子篩量比原來多裝了1．4噸，鋁膠少裝了15噸、但是開工后，多次因主換熱器堵塞而被迫停車處理，運行周期最多不超過100大，是什么原因造成主換熱器堵塞的呢?
    1．機械雜質、分子篩粉末等異物堵塞
    從每個運行周期的分子篩山u與分餾塔下塔的壓力差值看，一般都是從8kPa左右漸漸上漲到50kPa左右，如圖1，從分廣篩出口采樣點排放觀察未見分子篩粉末等雜物，停車大加溫吹除時，打開各排放閥也不見機械雜質、分子篩粉末等異物，開車積液后，從下塔底部排出液空看，電無機械雜質、分子篩粉末等異物，因此，主換熱器堵塞是機械雜質、分子篩粉末等異物造成的可能性可初步排出。
    2．純化器對水分的吸附效果不好
    對純化器出門的空氣進行采樣分析，工作初期露點都低于—65℃， 工作末期大部分時間在—63℃，有時在—60℃左右，我們進行了多個運行周期的跟蹤分析，整個周期的露點均在—63℃以下，說明水分進入分子篩的可能性很小。
    3．純化器對C02的吸附效果不好
    在純化器出口有C02在線分析儀，時刻監測 空氣進主換熱器中C02含量，純化器B使用時， 出口C02含量始終小于O．2×10-6，純化器A使 用時，初期出口C02為O．2×10-6，中期上漲到 (1．1~1．2)×10-6，盡管在允許：范圍之內，但 我們仍懷疑主換熱器的堵塞極有可能是C02的凍 堵造成的，問題出現在純化器本身，或是分子篩 有問題。
    2．2 純化器的工作情況
    分子篩純化系統是空分裝置中的關鍵部位， 它承擔著吸附空氣中的水分，二氧化碳，碳氫化 合物等雜質的重任，其吸附性能的好壞直接影響 裝置的長期、安全運行。
    1．從理論上分析吸附過程的特點
    (1)吸附平衡
    當吸附了一定量的氣體之后，吸附速度將逐 漸減小，另一方面，被吸附的氣體由于熱運行會 發生脫附，脫附速度隨被吸附量的增加而增大， 在一定溫度和壓力廠，當脫附速度和吸附速度相 等時，便達到了吸附平衡。
    (2)吸附過程簡述
    氣體進入吸附器后，吸附質首先在靠近純化 器入口端的吸附劑上被吸附，并漸漸趨于飽和， 達到飽和的區域稱為吸附平衡區，在平衡區以下 是在進行吸附的傳質區，傳質區以下是未吸附 區，繼續進氣，純化器傳質區逐漸下移，木吸附 區相應減少，當傳質區的前緣剛達到吸附劑的出 口時，出口氣體中的吸附質濃度尚未增加，此點 稱轉效點，到達轉效點所需的時間為轉效時間 (即穿透時間)，也就是純化器的工作時間。
    (3)吸附劑的再生
    再生是吸附的逆過程，對吸附來說，溫度越 低，壓力越高，則吸附量越人，對吸附有利；再 生則溫度越高，壓力越低，對再牛越有利，再生 效果越好。
    吸附劑的再生主要是采用低壓干燥氣體(如 污氮氣，氮氣等)作為再生氣源，通過加熱，冷 吹過程使被吸附的吸附質解吸出來，恢復吸附劑 的吸附能力。
    2．本裝置分子篩的工作情況
    本裝置分子篩采用上海UOP生產13X—APG 型分子篩，它對H₂0、C0₂、C₂H₂有很強的親和 力，這種親和力的順序是H₂0＞C₂H₂＞C0₂，使 用鋁膠為法國空氣液化公司生產；的活性氧化鋁， 吸水性能較好。分子篩使用周期為250分鐘，進 氣溫度在10～15℃， 工作厄／J為500kPa左右， 設汁氣量為31500m³／h，再生氣為污氮氣，再生 過程由電加熱器將污氮氣加熱刊18O~200℃，加 熱時間70分鐘，冷吹時間九145分鐘，壓力為 9kPa，流量為7000m³／h。
    為了保證純化器的工況穩定，設計時必須使 具吸附能力Q吸大于被吸附氣體的吸附質總含量Q質，即Q吸＞Q質，本裝置純化器的設計處理氣 量為31500m3／h，大于正常工作時的裝置最大進 氣量29500m³／h，吸附時間不變，氣體中吸附質 的含量不變，即實際被吸附氣體的吸附質總量Q實遠小于Q吸，即Q吸＞Q實。如果分子篩工作 正常，則純化器出口C02含量不會上漲，在整個周期應是基本趨于穩定的。而在A床使用時出 現以C0₂含量的上漲，上漲的時間點并不固定， 但均在使用2小時之內開始上漲，上漲的趨勢如。
    如果分子篩再生不徹底，其C02含量上漲時 間應在使用的中后期，從趨勢圖分析看，分子篩 某一區域有問題或是純化器有內漏的刊能性要大 一—些，為此，我們進行了以下工作：
    (1)分子篩的質量分析
    我們從A床分子篩的最上層均勻地采用分 子篩樣品，分別送大連物理化學研究所和上海 UOP進行檢驗，證明分子篩各項指標均合格，不 存在質量問題。
    (2)分子篩裝填的檢查
    我們在分子篩初次裝填后，按要求進行了特 殊再生；一年后，打開裝填孔觀察，發現分子篩 裝填表面平整，無沖擊現象，估計鋁膠利分子篩隔網完好，不可能混合，在2000年5月拆卸過 程中證明了這一點。
    (3)分子篩再生參數的調整
    由于原法國液空有限公司設計進純化器空氣 溫度較高，在1997年重建時，新上一臺冷凍機 組，降低了進純化器空氣的溫度，劉純化器中分 子篩和鋁膠的裝填量進行廠改變，鋁膠仍用法液 空生產的，由原來每只吸附器5.7噸下凋刊3．2 噸，分子篩用上海UOP生產的13X—APG，1／16"， 由每只吸附器7噸上調到8．4噸，使川周期，再生 過程各參數沒作改變；運行幾個月后，出現主換 熱器堵塞現象，可能對分廣篩再生不夠好，調整 部分再生參數，再牛氣量由原來的6400m3／h上 調到7000m3／h，再生過程中，加熱時間由原來 的60分鐘上凋到70分鐘，冷吹時間由原來的 155分鐘下調到145分鐘，其余參數不變；經幾 個周期的運行，再生結束時，分子篩床層溫度不 高，滿足操作要求，同時更有效地保證分子篩的 再生。
    完成以上的工作后，我們經過反復地討論研 究，認為其原因只能是純化器存在內漏；由于純 化器采用內保溫，在對內保溫壁進行焊接時，可 能存在漏點，另外也可能是中心管泄漏，這樣造 成部分空氣沒經過鋁膠和分子篩吸附就直接進入 主換熱器，使純化器出口C02含量卜漲，從而造 成主換熱器快速堵塞，影響長周期運行。在 2000年5月空分裝置大檢修期間。扒出分子篩 和鋁膠查漏，在兩個純化器的內保溫壁上分別查 出了大小不等的幾個漏點，在公司領導的果斷決 策下，對內保溫壁采用氬弧焊，進行滿焊處理。 100％探傷檢查。漏點消除后，純化器出口空氣 中C02含量由原來的1．2×10-6下降至0．1×10-6，大大降低了C02在主換熱器上凍結的可能 性，使空分裝置的運行周期由原來的100天延長 到現在的620天以上。
3 本裝置安全措施的改進
    為了吸取空分裝置爆炸的教訓，根據我裝置 的實際情況，在重建窄分設備L新增了一系列 安全措施。
    3．1 原料空氣質量監測
    空分裝置生產的原料是大氣，大氣的質量好 壞直接關系著主冷液氧中烴類含量，由于我公司空分設備建在裝置區內，有三面被化工裝置近距 離包圍，這樣劉大氣的監測顯得十分重要，因 此，我們采取了以下三項措施：
    (1)對大氣質量每周分析一次，大氣質量指 標見表1，從近幾年的分析看，大氣中的CH4，C2H4含量較高，曾多次超過人氣質量指標要求， 其余各項指標均正常。
    (2)設風向標，根據風門變化和當時的大氣 質量情況進行操作調整。
    (3)制定“周圍裝置緊急排放制度”，依據 具體情況對空分進行操作。

表1 大氣質量指標

    3．2 空氣凈化
    (1)對空冷塔的用水進行水質分析，確保用 水潔凈、無油，水質分析見表2，其中COD、PH 值每班分析一次，油、懸浮物每天分析一次。
表2 水質分析指標

    (2)增加一臺制冷機組，確保空氣進純化器 溫度由原來的18℃左右下降到10℃左右。
    (3)適當增加分子篩量，由于進入純化器的 空氣溫度降低，其含水量隨之降低，可適當減少鋁膠；分子篩量的增加，則增強了對烴類及C02 的吸附，減少烴類及C02帶入冷箱系統。
    (4)純化器出口C02在線分析儀更新，準確 地監測進冷箱空氣中C02含量的變化情況，一旦C02通過吸附層，則N₂O、C3H8、C2H4將被解吸 而進入冷箱系統。
    (5)純化器出口空氣露點進行離線分析, 每 班一次。
    3．3 空氣深冷分離
    空氣分離部分最易發生爆炸危險的應是主冷 凝蒸發器，因此，我們對其采取了以下措施：
    (1)主冷凝蒸發器結構設計為防爆型。
    (2)采取全浸式操作，控制主冷液位在 90％～94％，使主冷凝器蒸發器基本全浸入液氧 中，防止烴類析出，減少發生爆炸的危險性。
    (3)增設了連續的1％液氧排放，使主冷液 氧始終保持部分更新，防止烴類的聚集。
    (4)增大液氧吸附器的能力，硅膠由原來的 150升增加到650升，大大增加了液氧中炔烴和 極性有機物的脫除能力，并定期再生，實施工作 票制度，嚴格再生管理。
    (5)加速主冷液氧循環，防止烴類聚集。
    (6)建立了在線八組分分析儀，700秒一組 數據，可隨時監測液氧中烴類的變化，并有離線 直接法和濃縮法兩種形式的色譜分析，每班一 次；這樣三種形式對比，更準確地掌握廠液氧小 的烴類動態，發現液氧中的烴類含量上升，立即 排放液氧，確保了裝置的安全運行。
    (7)每周分析一次主冷液氧中的汕及氮氧化 合物。
    盡管我們在安全方面做了很大的改進，采取 了一些有效的措施，但是隨著運行周期的延長，我們很清楚地意識到：動靜設備的事故率會上 升，裝置的安全隱患將會增加，必須從技術的角 度研究深層次的安全問題；
    首先，我們一直堅持每季一次的安全評價工 作，全而了解裝置的綜合危險程度，從而達到消 除隱患、消滅安全上的管理漏洞，使裝置真正達 到本質安全型；
    其次，認真做好主冷液氧中烴類物質的分析 比較工作，每天我們都將離線直接法、離線濃縮 法、在線分析法的三種結果通過計算機作圖等手 段進行分析比較，找出烴類物質隨周圍環境變化 而增加或降低的規律，指導牛產，提前采取加大 液氧排放等手段，確保液氧中烴類不超標；
    第三，加強液氧吸附器再生前后的分析比較 工作，靈活掌握其再生時間，發揮其最佳吸附能 力；
    第四，在線多次處理純化器系統的切換閥關 不嚴的問題，甚至幾次在線更換純化器系統的切 換閥門。
    第五，強化培訓，提高員工的技術素質，加 強事故預演訓練，成功地避免了一次因儀表故 障，空分所有調節閥失控的重大惡性事故的發生。
    在各有關部門的協助下，經過車間不懈的努 力，運用科學的管理方法，探挖裝置潛力，加快 技術改造，在既無備套空分，又無備用機組(除 兩臺備用水泵和一臺備用膨脹機外)的情況下， 將原來的3個月運行周期延長至今的21個月以 上的長周期安全運行，保證了合格氧、氮產品的 連續外供，適應廠企業的發展要求，確立了向撫 順石化分公司東部各廠供氮的中心地位。