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1、空气预冷却系统摘要 本文主要对空气预冷系统的工作原理、组成结构及功能、操作及操 作过程中的问题及排除进行简要介绍。关键词 空气冷却塔 水冷却塔 传热 传质 填料 内件 操作空气预冷系统是空气分离设备之配套系统，它是串接于空气压缩机系统和分 子筛吸附系统之间，旨在降低进分子筛纯化器的空气温度，来减少空气的含水量， 并通过水洗涤除去大部分水溶性有害物质，以保证分子筛纯化器的安全工作。 一、 空气预冷系统的工艺流程及原理图 1 是空气预冷系统的流程简图。从空气压缩机来的热空气进入空冷塔下 部，由下而上穿过空冷塔中的下段、上段填料，依次与冷却水和冷冻水进行微分 式逆流接触而传热传质，达到冷却空气之目的
2、。冷却水由外界供给，冷冻水由水 冷塔塔底供应。来自冷箱的污氮进入水冷塔的底部，自下而上同冷却水在填料表 面进行微分逆流接触，使污氮升温增湿后排入大气。对于空冷塔，当进塔的热空气为不饱和状态，进塔水温低于进塔空气的露点 时，经过塔内的气液逆流接触，空气为减湿降温过程，传热方向都是由空气传给 水；而水的出塔温度将可能高于进塔空气露点时，塔底的传质是由水传给空气， 而塔顶的传质是由空气传给水，故在全塔内传质方向是不同的。在改变传质方向 的塔截面处，水温将等于空气露点。对于水冷塔，当未饱和的冷污氮从塔底进入，与塔顶加入的热水逆流接触时， 污氮在塔内被加热增湿，水在塔内被冷却。在塔顶，污氮被加热的极限是
3、进塔水 表面的饱和湿污氮状态。实际上，由于存在传递阻力，污氮出塔温度将低于进塔 水温，故进塔水的温度与其表面上的饱和湿度必然大于出塔污氮的温度和湿度。于是塔顶的传热和传质都是从水传给污氮。在塔底，水被冷却的极限是污氮进塔 状态下的湿球温度，而实际出塔水温要高于湿球温度。但因进塔污氮是未饱和的， 湿球温度低于污氮温度，故出塔水温将有可能低于进塔污氮温度。在此情况下， 塔底的传热由污氮传给水，而传质仍然是水传给污氮。从而可知在全塔内，传质 方向都是由水传给污氮，故污氮在塔内是增湿过程；而传热方向是不同的，在塔 内某一截面处改变传热方向，此处的污氮温度等于水温，但在全塔内仍是冷却过 程。在空气或污氮
4、与水直接接触的增湿与减湿过程可以看出，在气、液两相之间 同时发生热量和质量传递。该过程是由两个相和两种组分所组成的体系，在气相 的组分是不凝的干气和可凝的蒸汽；在液相则是与可凝蒸汽相同的单一组成。虽 然气体和液体中还可能混有其他组分，在气液接触过程中，也可能有某些杂质发 生溶解或汽化，但它们的变化在计算中均不予考虑。计算过程中的几个相关公式泛点气速计算式.u 2 ( a lg -F g Vs3V 0.16P LLA -1.750.125塔径计算式填料层高度计算式OL K aA OV K aAL T ，V T、 空气冷却塔及水冷却塔的结构特点及其功能1、塔器的种类塔设备类型有板式塔、填料塔、湿壁
5、塔、降膜塔、喷雾塔等。其中最常用的是板式塔和填料塔。各种塔的主要特点如下表：设备流型作用原理连续相主要应用过程板式塔错流、对流积分液体/气体吸收、精馏、脱吸填料塔对流、并流微分液体/气体吸收、精馏、提馏、增湿、去湿湿壁塔邙降膜塔）对流、并流微分液体/气体吸收、精馏、提馏、蒸发喷雾塔错流、对流、并流微分气体吸收、提馏、增湿、去湿综合与国外公司如法液空、BOC和PRAXAIR合作设计和制造的空分设备的情 况,他们的空气预冷系统之空冷塔及水冷塔一般为填料塔.2、填料塔 填料塔一般由筒体、填料、出口防带水装置、填料支架、气体和液体分布器、 中间支架、再分布器、气体和液体进出接管以及人孔等部件组成。液体
6、通过液体 分布器均匀分布在填料顶层，在重力作用下沿填料表面向下流动，与在填料空隙 中流动的气体相互接触，产生传热和传质。2.1 筒体 筒体一般由金属板材制成。根据安装、检修需要，可采用整体焊接或分节组 装结构。筒体各部分的壁厚既要满足强度和刚度要求，又要满足稳定性要求。2.2 填料 塔填料是填料塔的核心构件，填料的效率主要取决于填料的流体力学性能和 传质性能。塔填料按其单元结构与在塔内装填方式的不同可分为散堆（或颗粒） 和规整（或整彻）型填料两大类。对每种类型的填料，基于减少压降、增大比表 面积、增加流体扰动改善液体的分散和汇聚特性、增加表面对工艺流体的润湿性 能等以满足传热和传质分离过程的要
7、求。填料的性能由填料的材质、大小和几何 形状来决定。目前，我们在空气预冷系统中使用的填料多为散堆填料，其原因只要求是散 堆填料与规整填料相比，其价格低廉。散堆填料在塔内的装填方法有湿装和干装两种。湿装是在塔内先充满水（或 工艺液体），然后再装填塔填料。这种装法床层空隙较大且均匀，同时又可防止 填料间的碰撞损坏，广泛用于陶瓷填料、玻璃填料等装填。干装是将填料直接堆 放在支承板上的装法，广泛用于金属填料和塑料填料的装填。干装比湿装虽然简 单，但床层空隙率却比湿装的小。不论干装或湿装，均需保证填料层具有均匀的 空隙率。散堆填料装填质量的好坏（床层空隙均匀与否）直接关系填料塔的流体 力学与传质分离性能
8、。2.3 出口防带水装置 空气出口防带水装置由升气装置、捕雾器、水回流管线等组成。在回流管线 上设置了液泛和游离水大量夹带的信号检测、报警机构。 正常操作时空气 夹带的游离水在升气管处分离后经限流孔板返回塔釜。 一旦出现误操作而 发生液泛或游离水的大量夹带，在升气管处即能将夹带的液团和泡沫有效分 离并回流到塔釜，彻底避免空气夹带游离水进入后序的纯化系统。2.4 填料支撑 填料支承用于支承填料。它应有如下特点：第一有足够的强度 和刚度， 能承受填料层和其中持液的重量，以及操作中附加的重量和压力；第二具有 大于填料层空隙率的开孔率，防止在此首先发生液泛，进而导致整个填料层 过早液泛；第三结构合理，
9、有利于气液两相均匀分布，阻力小，好拆装。其 结构主要有板式和梁式两大类。空气预冷系统中主要使用喷射式支承梁，它是迄今性能最好的填料支承 板。其优点有：自由截面率接近甚至超过 100%（此处自由截面率为支承板平面展开图上的自 由面积与塔横截面积之百分比）；为气、液两相提供不同的气液通道，从而避免 了其间的流动干扰，即使在很高的气液负荷下压降也很小；气、液两相流体通量 大，大于其他任何类型支承板； 能对气体进行均匀分布；从而保证了高效塔填料发挥出较高的传质效率 刚性好，易于分块和安装。2.5 水分布器填料塔的传质过程要求塔任一横截面上气液两相流体能均匀分布，从而实现 密切接触、高效传质。其中。液体
10、的初始分布至关重量。它不仅决定填料层润湿 均匀程度，而且直接影响气体的均匀分布。理想的液体分布器应具备以下条件：第一 与塔填料相匹配的分液点密度和 均匀的要布质量；第二 操作弹性较大，适应性好；第三为气体提供尽可能大的 自由截面率，实现气体的均匀分布，且阻力小；第四 不易 产生 雾沫 夹百 叶 窗，抗污垢性能好；第五 结构合理，便于制造、安装、调整和维修；第六 结构 紧凑，占塔内尽可能小。液体分布器按分布液的原理分为重力型和压力型。按液体初始分布器的结构 特征为喷洒式、盘式、管式和槽式。空气预冷系统中主要用压力排管式液体分布器，其特点为：在排管下方侧面 开有小孔，水通过压力由小孔流出，分布点较
11、多，而且分布均匀；为气体提供了 很大的自由截面积，阻力小；占塔空间小，结构紧凑；易于支承；造价低廉。2.6 气体进出口管及人手孔 气体进口管的设计主要考虑气流分布均匀、结构简单、阻力小、便于制造安 装、经济性好等。人手孔主要用于装卸填料及内件。人手孔的位置应有利于装卸填料及内件。三、 空气预冷系统的安装、使用和维护1、安装及试车要求 本系统的平面布置、管道系统配置、管路和基础设计等由工程设计考虑， 并应注意以下必点： 、 空气冷却塔、水冷却塔安装过程中，严禁在塔体上动火。 、空气冷却塔、水冷却塔安装过程中，垂直度要求应符合JB4710。 、 空气预冷系统安装就绪后，应作检漏试验。 、 空气冷却
12、塔的冷段和水冷却塔的冷段、空气出空气冷却塔管道和污氮气进水冷却塔管道以及冷水管道均应有保温措施，液位测点应有防冻设 施，以免冻结，使液位控制失灵。 、 在安装空气冷却塔及水冷却塔的内部零件与填料时，应注意人身安全，填料必须尽量装满，防止在运行时，填料在塔内跳动。 、 本系统的液位是自动调节的，并设有空气出塔温度压力报警联锁，空气冷却塔、水冷却塔液面高位报警联锁和低位报警联锁等 ，当自动调节 系统失灵时，可采用手动控制，但应尽快修复。 、 冷却水泵和冷冻水泵每组两台，一用一备。 、 检修水冷却塔前，应先用足够的空气进行置换，彻底驱除塔 内及管路中的残余氮气，同时对设备内的气体进行分析，含氧量应大
13、于 20%，才 能进行检修，以确保有身安全。2、起动操作 、 各项准备工作就绪后，打开各压力表和液面计阀。 、打开冷却水进口阀（V9147、V9126阀），向水冷却塔内加水，待液面计LI9104液位计指示为12501350mm时关闭旁路阀（V9126阀）。 、 向空气冷却塔内送入空气，待塔内压力升到正常值并稳定后，按如下顺序操作；A、向空气冷却塔中部供水与向塔外排水；打开冷却水泵进口阀（V9118阀），启动水泵（P9101-1）,打开冷却水泵 出口阀（V9120、V9122阀），水进入空气冷却塔中部，注意控制冷却水流量 计阀（FICA9101 ）的流量在370ms/h左右，当液位计（LI910
14、2）指示接近正 常值（2500mm）时，开启疏水阀（V9102、V9105阀）向外界水回收系统排水 并注意保持液位计（LI9102）液位于2500mm左右；B、打开冷却水进口阀（V9127、V9128阀）向水冷却塔供水C、向水冷却塔送空气空气分离系统刚启动不久，进入系统的空气量较少，此时应慢慢开启空 气旁路阀（V9114、V9113阀），一部分经空气冷却塔冷却的含水蒸汽量低于 外界的空气进入水冷却塔，水冷却塔的排水温度将进一步降低。D、空气冷却塔上部供水打开旁路阀（ V9135 阀）、冷冻水泵进口阀（ V9138 阀），启动水泵 （P9102-1）,打开冷冻水泵出口阀（V9140、V9142阀
15、），水流入空气冷却塔 上部，冷冻水流量计阀（FCV9102）自动调节，使冷冻水流量计阀（FICA9102） 流量在83.5 m3/h左右，并注意保持LI9102液位于2500mm左右；3、正常操作 、启动阶段调节稳定后将液位控制从手动转为自动，其操作方法是关旁路阀（V9102阀），开自动阀（V9103、V9104阀），空气冷却塔自动向 外界排水，操作时应注意保持液位在液位计的中上部，并检查各仪表是 否正常。 关闭旁路阀（V9135阀），使去冷冻水泵的水均通过水冷却塔冷却。 、自动调 节冷冻水流量计阀（ FCV9102 阀），使冷冻水流量计阀（FICA9102）的流量在 83.5 m3/h 左右。 、随着空气分离系统逐步降温，直至正常运转，相应地关小直至关闭空气旁路阀（V9114阀）。4、停车操作先停水泵，同时关闭各泵的进口阀门，然后放气降压。如属长期停机， 则应打开各吹除阀，将设备内积水排尽，视情况进行清洗。5、空气冷却塔、水冷却塔的控制与报警联锁压力 空冷塔空气压力低于450kPa时报警；压力低于400kPa时联锁水 泵停机并打开空压机放空阀。温度 空气出空冷塔温度过高报警。水位 当水位高于3000mm（水冷却塔为1900mm）或低于2000mm（水
