大中型空分设备空气预冷系统
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收稿日期：&""&$"!$!# 作者简介：陈建功（!#)" * 发工作。工程师。 ） ，男，!##& 年甘肃工业大学化机专业本科毕业，在杭氧从事空分装置单元设备的设计开 图! 空冷系统典型流程示意图
深冷技术
"##" 年第 $ 期
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设计制造
!（全部利用污氮气的空冷系统） # $%& ，出口温度较高，分子筛吸附器容量需加大 # $(& ，允许较高的冷却水温度 一般不中部回水。因此可取消空冷塔上“中心筒”结 构，降低塔高约 * 米，取消相应接管、阀门、测点 # *’-, . / 由水冷塔供水，供水压力仅约 ’0’*123，要求水泵扬 程较高 # 4’-, . / 上段水直接到下段参与换热，从而下部水量可减少约 *’-, . /，要求水泵流量较低 无 有。利用空分设备副产品污氮气与水传质换热获得冷 量，不增加电耗，水的消耗为污氮气放空所带走的水 蒸气，极少。基本不用检修，无运行维护费用
流程中部回水
空冷塔上部水量 空冷塔上部水泵 空冷塔下部水量 空冷塔下部水泵 冷水机组 水冷塔
副产品污氮的吸湿性来得到低温水，从而大大降低 了能耗。空冷塔和水冷塔采用了最先进的填料塔形 式，具有阻力小、 效率高、 处理能力强等优点。 由于空分设备用户的条件和要求各不相同，有 的用户提供给水冷塔的污氮量很少，此时就要靠冷 水机组来制取冷量，水冷塔一般取消，亦可保留， 流程作如下更改（见图 *） ：空冷塔中部加一出口， 空冷塔上部进水从该出口流回冷水机组（或水冷 塔） ，冷却后再进入空冷塔上部，形成一个循环。
若水不够清洁，容易引起喷头堵塞； ! 效率较低， 用水量大。这种形式的空冷塔已不多用了。 !"!"! 塔板式 通过将喷头改为塔板，塔内零部件复杂很多， 但效率得到较大提高，水耗、水泵电耗下降。塔板 形式一般为穿流筛板或带降液管筛板，前者用于塔 径较小时，制造安装比后者容易且效率相当；后者 用于塔径较大时。考虑到空冷塔内温度较高，易引 起结垢，导致塔板开孔处堵塞，塔板采用大开孔形 式，同时保持一定的开孔率，既防止开孔堵塞，又 能保证效率。塔板式空冷塔常见有两种，一种是上 段为塔板，下段为喷头（如图 #$） ；另一种是上、 。 下两段均为塔板（如图 #%） !"!"# 填料式 以往填料塔存在着高效填料品种少、相关数据 不足、造价高等问题。随着高效填料大量出现，成 本降低，近年来填料在空冷系统中也得到大量应 用。塔板改成填料，使气液两相由逐级接触逆流操 作变为微分接触逆流操作，两相传质换热效果更 好。一般填料式塔的空气出口温度与水进口温度差 小于 !& ，而板式塔则为 #& 左右。填料塔制造安 装也较方便，只要填料支承板、盖板、水分布器装 好后，将一定高度的填料装入即可。填料塔还具有 阻力小、处理量大等优点。空冷塔中常使用散堆填 料，如鲍尔环、阿尔法环等，材质为聚丙烯。 填料塔也有一些缺点："由于填料材质为聚丙 烯，寿命不如塔板（不锈钢材质） ，一定年限后需 更换；#填料塔对液相分布要求严格，对水分布器 设计要求高；!目前，填料塔成本高于板式塔。 从各方面综合来看，填料式塔具有其它形式塔 无法比拟的优点，所以在实际应用中，空冷塔已大 部分采用填料结构。不过空冷塔下部空气进口温度 ! !
杭氧新型“二万等级”中压氧透开发成功
!((! 年 * 月 !+ 日，杭氧透平机械有限公司最新开发的 !((((,# -./! 等级空分装置配套的氧气透平压缩机，在攀枝 花新钢钒股份有限公司一次开车成功，并通过了 0! 小时考 核。根据 攀 钢 对 设 备 的 要 求， 该 氧 压 机 的 设 计 流 量 为 ’1(((,# 2 .，排气压力为 !"*345。 该氧 气 透 平 压 缩 机 主 要 工 况 参 数 为： 进 气 压 力 、排 气 压 力 ’"1+11345 （ 8） 、出 口 流 量 61"11745（8） ’+*((,# -.、输出轴功率 !+’!79。运行时，转子振动小于 ’1"+ ,。 $ 该氧气透平压缩机应用了国内外最新技术成果，采用 双缸、四段、八级、一次增速的结构。+ 只叶轮全部采用了 三元流技术；同时采用了特殊的分段密封结构，仅此一项 技术就可减少内泄漏 0(: ，提高效率 #: 。该机组继承发 扬了杭氧氧压机安全可靠、自动化程度高的特点。 该机型的开发成功，使杭氧透平公司具备了“二万五” 以下各种中压氧透的设计及生产能力，在透平氧压机的设 计制造技术和市场占有率上继续保持国内领先地位。
空气预冷系统（空冷系统）是大中型空分设备 的一个重要组成部分，它位于空压机系统和分子筛 吸附系统之间，用来降低出空压机高温空气的温度 与湿度，同时通过水的洗涤除去空气中的硫化物等 易使分子筛中毒的化合物，使空气达到一定要求后 进入分子筛吸附系统。
汇集后出空冷塔。污氮则从水冷塔下部进，上部放 空。配套设备有空冷塔、 水冷塔、 水泵等。 此空冷系统流程为近几年中最常用的，它取消 了冷水机组，以水冷塔代替，充分利用了空分设备
设计制造
文章编号：!""#$#%&’ （&""&） "($""&’$"(
大中型空分设备空气预冷系统
陈建功
（杭氧科技有限公司设计院，杭州市东新路 (++ 号 (!"""%）
摘要：介绍了空气预冷系统的不同流程以及喷淋式、塔板式、填料式冷却塔，分析了其优缺 点；最后，指出空冷系统使用中需注意的两个方面。 关键词：大中型空分设备；空气预冷系统；冷却塔；使用 中图分类号：,-.’)/# 文献标识码：0
冷系统（ "）的比较见表 $。 " #" 空冷塔的比较 空冷系统最主要的设备为空冷塔，空气的降温 过程就是在空冷塔中完成的，空冷塔的优劣将决定 整个空冷系统的运行效果。不同类型空冷塔示意图 见图 ,。
3—喷淋式 8—上段为塔板，下段为喷淋 9—上、下两段均为塔板 :—上段为填料，下段为塔板 图$ 图" 配有冷水机组的空冷系统示意图 不同类型空冷塔示意图
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*0*0$ 喷淋式（如图 ,3） 这种类型的塔依靠塔内喷头将进水雾化，增加 水与空气的接触面而提高换热效果。塔内仅有喷头 数只，结构简单，制造、安装、检修都很容易，空 冷塔重量较轻。但也存在如下问题："需要大量实 验数据来确定各种型号尺寸的喷头；#喷头阻力较 大，一般可达 ’0; # ’0(123（ !） ，增加水泵功耗， 深冷技术 "22" 年第 $ 期
!
使用中要注意的两个问题
（’）要注意水循环系统的冷却效果，尽量降低
冷却水的温度，这有利于空冷系统的良好运行。如 供水温度过高，可能使空气出口温度达不到设计要 求，分子筛吸附系统就要吸附更多的水分。 （!）注意冷却水的水质问题。常见为硬度过 高，这样的水结垢很厉害，特别是使用冷水机组的 用户，其冷凝器常因管路结垢而使冷水机组达不到 应有的制冷量。另外，在填料或塔板、捕雾器上结 垢，会增加塔的阻力。一般处理方法有：在管路上 设置“电子除垢器” ，或加化学药剂于水中。用加 药方法时要防止水起泡沫，否则容易引起空冷塔雾 沫夹带，出现分子筛吸附系统带水事故。 随着全球对水资源保护及能源的日益重视，节 能、节水将是永恒的主题。对空冷系统也是如此， 不断通过改进流程、冷却塔的设计或运用其它控制 手段来达到节能节水目的，谁在这方面做得更好， 谁就能得到更多的用户。 !
5 空冷系统典型流程介绍
空冷系统典型流程见图 !。从空压机来的高温 空气进入空气冷却塔 （空冷塔） 下部，与从水泵来的 常温冷却水在空冷塔下段逆流直接接触，进行热质 交换。空气得到初步冷却，再上升到空冷塔上段， 与来自水冷却塔 （水冷塔） 的低温冷却水进一步热质 交换后出空冷塔，进入分子筛吸附系统。冷却水分 为两路，一路进入水冷塔，与干燥污氮气传质换热 后作为低温冷却水进入空冷塔上段；另一路直接进 入空冷塔中部。两路水与空气换热后在空冷塔下部
表!
项 目 空气出口温度 空冷塔上部进水温度
陈建功：大中型空分设备空气预冷系统 不同流程空冷系统比较
"（冷水机组制冷） # $’& # )& ，一般需依靠冷水机组来达到此温度 只能采用中部回水结构。因为制造厂对冷水机组水进 出口温降 ! + 有要求，通用型为 (& ，特殊的不大于 $,& ，回水 可 降 低 冷 水 机 组 进 口 水 温， 使 ! + 小于 $,& ，否则 ! + 将大于 *’& ，冷水机组无法满足要求 # *’-, . / 空冷塔内压力即水泵供水压力，约 ’0(123，所以要求 水泵扬程较低 # %’-, . / 下部水量不能减少，水泵流量要求较高 有。因此增加电耗 5’67，水耗 )(-, . /，以及运行维 护费用。 无
! 空冷系统不同流程比较
" #! 整体比较
,
以 4’’’- . / 空分设备为例，全部利用污氮气 制取冷量（设水冷塔、不设冷水机组）的空冷系统 （!）与靠冷水机组制取冷量（不设水冷塔）的空 ・ *4 ・
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陈建功：大中型空分设备空气预冷系统
设计制造
达 ’((& ，影响聚丙烯填料寿命，该处又易结垢， 。 所以空冷塔下段仍使用塔板（如图 #)） ! "# 水冷塔的比较 水冷塔的比较与空冷塔相似，不再叙述。只说 明一点，从换热原理上讲，填料非常适合于水冷 塔，因为水与污氮气的热交换主要通过传质实现， 微分接触逆流操作的填料塔可使两相传质换热效果 达到最佳。 根据上述分析对比，综合考虑用户运行维护费 用、能耗、系统效率、制造成本等，空冷系统应尽 量选用如下方案：取消冷水机组，设置水冷塔，采 用中部不回水流程，空冷塔上段为填料结构、下段 为塔板结构，水冷塔为填料结构。
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施建中） ・ !0 ・
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设计制造
!（全部利用污氮气的空冷系统） # $%& ，出口温度较高，分子筛吸附器容量需加大 # $(& ，允许较高的冷却水温度 一般不中部回水。因此可取消空冷塔上“中心筒”结 构，降低塔高约 * 米，取消相应接管、阀门、测点 # *’-, . / 由水冷塔供水，供水压力仅约 ’0’*123，要求水泵扬 程较高 # 4’-, . / 上段水直接到下段参与换热，从而下部水量可减少约 *’-, . /，要求水泵流量较低 无 有。利用空分设备副产品污氮气与水传质换热获得冷 量，不增加电耗，水的消耗为污氮气放空所带走的水 蒸气，极少。基本不用检修，无运行维护费用
流程中部回水
空冷塔上部水量 空冷塔上部水泵 空冷塔下部水量 空冷塔下部水泵 冷水机组 水冷塔
副产品污氮的吸湿性来得到低温水，从而大大降低 了能耗。空冷塔和水冷塔采用了最先进的填料塔形 式，具有阻力小、 效率高、 处理能力强等优点。 由于空分设备用户的条件和要求各不相同，有 的用户提供给水冷塔的污氮量很少，此时就要靠冷 水机组来制取冷量，水冷塔一般取消，亦可保留， 流程作如下更改（见图 *） ：空冷塔中部加一出口， 空冷塔上部进水从该出口流回冷水机组（或水冷 塔） ，冷却后再进入空冷塔上部，形成一个循环。
若水不够清洁，容易引起喷头堵塞； ! 效率较低， 用水量大。这种形式的空冷塔已不多用了。 !"!"! 塔板式 通过将喷头改为塔板，塔内零部件复杂很多， 但效率得到较大提高，水耗、水泵电耗下降。塔板 形式一般为穿流筛板或带降液管筛板，前者用于塔 径较小时，制造安装比后者容易且效率相当；后者 用于塔径较大时。考虑到空冷塔内温度较高，易引 起结垢，导致塔板开孔处堵塞，塔板采用大开孔形 式，同时保持一定的开孔率，既防止开孔堵塞，又 能保证效率。塔板式空冷塔常见有两种，一种是上 段为塔板，下段为喷头（如图 #$） ；另一种是上、 。 下两段均为塔板（如图 #%） !"!"# 填料式 以往填料塔存在着高效填料品种少、相关数据 不足、造价高等问题。随着高效填料大量出现，成 本降低，近年来填料在空冷系统中也得到大量应 用。塔板改成填料，使气液两相由逐级接触逆流操 作变为微分接触逆流操作，两相传质换热效果更 好。一般填料式塔的空气出口温度与水进口温度差 小于 !& ，而板式塔则为 #& 左右。填料塔制造安 装也较方便，只要填料支承板、盖板、水分布器装 好后，将一定高度的填料装入即可。填料塔还具有 阻力小、处理量大等优点。空冷塔中常使用散堆填 料，如鲍尔环、阿尔法环等，材质为聚丙烯。 填料塔也有一些缺点："由于填料材质为聚丙 烯，寿命不如塔板（不锈钢材质） ，一定年限后需 更换；#填料塔对液相分布要求严格，对水分布器 设计要求高；!目前，填料塔成本高于板式塔。 从各方面综合来看，填料式塔具有其它形式塔 无法比拟的优点，所以在实际应用中，空冷塔已大 部分采用填料结构。不过空冷塔下部空气进口温度 ! !
杭氧新型“二万等级”中压氧透开发成功
!((! 年 * 月 !+ 日，杭氧透平机械有限公司最新开发的 !((((,# -./! 等级空分装置配套的氧气透平压缩机，在攀枝 花新钢钒股份有限公司一次开车成功，并通过了 0! 小时考 核。根据 攀 钢 对 设 备 的 要 求， 该 氧 压 机 的 设 计 流 量 为 ’1(((,# 2 .，排气压力为 !"*345。 该氧 气 透 平 压 缩 机 主 要 工 况 参 数 为： 进 气 压 力 、排 气 压 力 ’"1+11345 （ 8） 、出 口 流 量 61"11745（8） ’+*((,# -.、输出轴功率 !+’!79。运行时，转子振动小于 ’1"+ ,。 $ 该氧气透平压缩机应用了国内外最新技术成果，采用 双缸、四段、八级、一次增速的结构。+ 只叶轮全部采用了 三元流技术；同时采用了特殊的分段密封结构，仅此一项 技术就可减少内泄漏 0(: ，提高效率 #: 。该机组继承发 扬了杭氧氧压机安全可靠、自动化程度高的特点。 该机型的开发成功，使杭氧透平公司具备了“二万五” 以下各种中压氧透的设计及生产能力，在透平氧压机的设 计制造技术和市场占有率上继续保持国内领先地位。
空气预冷系统（空冷系统）是大中型空分设备 的一个重要组成部分，它位于空压机系统和分子筛 吸附系统之间，用来降低出空压机高温空气的温度 与湿度，同时通过水的洗涤除去空气中的硫化物等 易使分子筛中毒的化合物，使空气达到一定要求后 进入分子筛吸附系统。
汇集后出空冷塔。污氮则从水冷塔下部进，上部放 空。配套设备有空冷塔、 水冷塔、 水泵等。 此空冷系统流程为近几年中最常用的，它取消 了冷水机组，以水冷塔代替，充分利用了空分设备
设计制造
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大中型空分设备空气预冷系统
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（杭氧科技有限公司设计院，杭州市东新路 (++ 号 (!"""%）
摘要：介绍了空气预冷系统的不同流程以及喷淋式、塔板式、填料式冷却塔，分析了其优缺 点；最后，指出空冷系统使用中需注意的两个方面。 关键词：大中型空分设备；空气预冷系统；冷却塔；使用 中图分类号：,-.’)/# 文献标识码：0
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3—喷淋式 8—上段为塔板，下段为喷淋 9—上、下两段均为塔板 :—上段为填料，下段为塔板 图$ 图" 配有冷水机组的空冷系统示意图 不同类型空冷塔示意图
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*0*0$ 喷淋式（如图 ,3） 这种类型的塔依靠塔内喷头将进水雾化，增加 水与空气的接触面而提高换热效果。塔内仅有喷头 数只，结构简单，制造、安装、检修都很容易，空 冷塔重量较轻。但也存在如下问题："需要大量实 验数据来确定各种型号尺寸的喷头；#喷头阻力较 大，一般可达 ’0; # ’0(123（ !） ，增加水泵功耗， 深冷技术 "22" 年第 $ 期
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使用中要注意的两个问题
（’）要注意水循环系统的冷却效果，尽量降低
冷却水的温度，这有利于空冷系统的良好运行。如 供水温度过高，可能使空气出口温度达不到设计要 求，分子筛吸附系统就要吸附更多的水分。 （!）注意冷却水的水质问题。常见为硬度过 高，这样的水结垢很厉害，特别是使用冷水机组的 用户，其冷凝器常因管路结垢而使冷水机组达不到 应有的制冷量。另外，在填料或塔板、捕雾器上结 垢，会增加塔的阻力。一般处理方法有：在管路上 设置“电子除垢器” ，或加化学药剂于水中。用加 药方法时要防止水起泡沫，否则容易引起空冷塔雾 沫夹带，出现分子筛吸附系统带水事故。 随着全球对水资源保护及能源的日益重视，节 能、节水将是永恒的主题。对空冷系统也是如此， 不断通过改进流程、冷却塔的设计或运用其它控制 手段来达到节能节水目的，谁在这方面做得更好， 谁就能得到更多的用户。 !
5 空冷系统典型流程介绍
空冷系统典型流程见图 !。从空压机来的高温 空气进入空气冷却塔 （空冷塔） 下部，与从水泵来的 常温冷却水在空冷塔下段逆流直接接触，进行热质 交换。空气得到初步冷却，再上升到空冷塔上段， 与来自水冷却塔 （水冷塔） 的低温冷却水进一步热质 交换后出空冷塔，进入分子筛吸附系统。冷却水分 为两路，一路进入水冷塔，与干燥污氮气传质换热 后作为低温冷却水进入空冷塔上段；另一路直接进 入空冷塔中部。两路水与空气换热后在空冷塔下部
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项 目 空气出口温度 空冷塔上部进水温度
陈建功：大中型空分设备空气预冷系统 不同流程空冷系统比较
"（冷水机组制冷） # $’& # )& ，一般需依靠冷水机组来达到此温度 只能采用中部回水结构。因为制造厂对冷水机组水进 出口温降 ! + 有要求，通用型为 (& ，特殊的不大于 $,& ，回水 可 降 低 冷 水 机 组 进 口 水 温， 使 ! + 小于 $,& ，否则 ! + 将大于 *’& ，冷水机组无法满足要求 # *’-, . / 空冷塔内压力即水泵供水压力，约 ’0(123，所以要求 水泵扬程较低 # %’-, . / 下部水量不能减少，水泵流量要求较高 有。因此增加电耗 5’67，水耗 )(-, . /，以及运行维 护费用。 无
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陈建功：大中型空分设备空气预冷系统
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达 ’((& ，影响聚丙烯填料寿命，该处又易结垢， 。 所以空冷塔下段仍使用塔板（如图 #)） ! "# 水冷塔的比较 水冷塔的比较与空冷塔相似，不再叙述。只说 明一点，从换热原理上讲，填料非常适合于水冷 塔，因为水与污氮气的热交换主要通过传质实现， 微分接触逆流操作的填料塔可使两相传质换热效果 达到最佳。 根据上述分析对比，综合考虑用户运行维护费 用、能耗、系统效率、制造成本等，空冷系统应尽 量选用如下方案：取消冷水机组，设置水冷塔，采 用中部不回水流程，空冷塔上段为填料结构、下段 为塔板结构，水冷塔为填料结构。
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