空分预冷系统

空分设备的换热
一、换热的设备按原理分类，可分为三类：
1、混合式换热：冷热流体通过直接接触进行热量交换，故亦称直接接触式换热器。

空分中水冷塔、空冷塔就属于这种类型。

2、蓄热式换热器
冷热流体交替通过传热表面。

当冷流体通过时将冷量(或热量)贮存起来，而后热流体(或冷流体)在将气量取出。

3、间壁式换热器(亦称间接式换热器)
冷热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传热面进行的。

间壁式换热器按其传热面的结构又分为：管式换热器、板式换热器、板翅式换热器及特殊型换热器。

二、传热的基本方式
热量从高温物体向低温物体传递有三种基本方式：即传导、对流、辐射。

1、传导传热
热传导亦称导热，是直接接触物体各部分之间的传热现象。

①在液体和固体中热量的转移时依靠分子的碰撞。

②固体金属主要依靠自由电子的运动。

③气体则主要依靠分子的不规则运行。

2、对流传热
由于流体(液体或气体)本身流动，将热量从流体一部分传递到另
一部分的现象称为对流传热。

其热量是依靠流体流动的位移而进行的。

3、辐射传热
辐射是指热量不借任何介质传递，而直接由热源以电磁波形式辐射出来被另一物体部分或全部吸收而转变为热能。

三、板翅式换热器
板翅式换热器是一种全铝金属结构新型组合式间壁换热器。

它结构紧凑，平均温差很小，在单位体积内的传热面积很大，传热效率高达98%~99%，同时使有色金属的消耗为零。

而且启动快，实属高效新型换热器。

1、板翅式换热器的结构
板翅式换热器的板夹基本结构。

如图：它由隔板、板片、封条三部分组成。

板片的机构形式有：光直性版板片、锯齿形板片、多孔性板片。

板夹要构成一个实际的换热器(叫一个单元)，还需要封条位置的布置。

四、冷凝蒸发器
冷凝蒸发器是联系上下塔的重要换热设备。

(是产生相变的热换热设备)。

常见的有板式和管式两种。

它是由板式单元组合成的全铝结构容器。

五、氮水预冷器
氮水预冷器安装在保冷箱外是常温换热器。

它的作用是利用污氮
氮水的不饱和度冷却水，而后通过水在冷却加工空气体，即降低加工空气的温度，同时减少加工空气饱和含水量。

其次，在空气冷却塔中，空气和水直接接触，即换热又受到洗涤，能够清除空气中的灰尘，溶解一些有腐蚀性的杂质气体，如H2S、SO2、SO3等，可避免板翅式可逆式换热器全铝合金材质的腐蚀，延长使用寿命。

由于空气容积较大，对加工空气还起到缓冲作用，使空压机切换时不宜超压。

饱和空气中水分含量只取决于温度，因此空气虽然经过的喷淋，但温度降低了，因此水分含量不是增加而是减少。

这对分子筛吸附及其重要。

通常分子筛纯化器吸附要求是加工空气入纯化器的温度为8~10℃，为此，空冷塔采用两级喷淋，一级为常温水，二级为喷淋用冷冻水，其水温为5℃左右。

常温水经氟利昂制冷机冷却而成为冷冻水。

影响氮水预冷器降低温效影响因素有很多。

诸如：喷淋水量、喷淋设备结构、筛板孔径板数或者填料选择等。

三、传热传质原理及设备
一、概述
1、热量传递的条件和方向
凡是不同物体之间或同一物体不同部位存在温差(即t1-t2＞0)就有热传递，而热量传递总是自由的由高温物体传向低温物体。

从上述得出结论：“凡有温差存在，就有热量传递”。

2、换热器的分类
工业上凡是热量由热流体传递给第六题的设备称作热交换，简称
换热器。

热交换的分类有很多方法。

如按使用目的进行分类，可分为冷却器、加热器、蒸发器、冷凝器等
按结构分：可分为管壳式散热器(它又分为列管式、盘管式、套管式)和板式换热器(它又分为板翅式、板片式、螺旋板式)。

按材料分：可分为金属换热器(它又分为铜、铝、钢)和非金属换热器(它又分为玻璃、陶瓷、塑料、石墨等)。

空分设备按工作原理可分为：间壁式换热器、蓄热式换热器和混合式换热器三大类。

3、低温换热器的特点
①传热过程多数在小温差下进行。

②要求流动阻力小。

③气体温度接近饱和线时，物理性质变化较大，应采用积平均温差来计算传热温差，以提高计算精度。

④低温换热器所用材料要求在低温下有良好的机械能力。

⑤低温换热器应结构紧凑、体积小、质量小。

⑥换热器跑冷损失直接影响设备情况，所以应采取有效保冷措施。

二、液体流动与对流放热
1、液体流动状态
液体有两种不同流动状态——层流和紊流。

①层流
流体在管道内流动时，流体的平均速度不大，各流体微团彼此平
行的分层流动，互不干扰混杂。

层流时，流体速度沿管道直径是抛物线分布，管中心速度最大，沿曲线渐进管壁侧速度较小，直至为零，其平均速度为中心速度一半。

②紊流
随着流体平均速度增加到足够大时，各流体微团发生强烈的混合和掺杂，不仅沿着主流方向流动，而且还有垂直于主流方向的运动。

2、影响对流放热因素
①强制对流还是自然对流。

②流体有无相变。

③层流与紊流。

④流体与壁面的相对位置。

⑤流体特性。

3、换热器的流动阻力
由于流体粘性，流体流动时必须克服流体与壁面粘性力的作用，会产生压力差，称为压力损失。

压力损失由消耗动力的压缩机或泵的压力予以补偿。

压力损失的大小是设计和衡量换热器性能的主要指标之一。

压力损失大小与流体状态、管径和流路长短有关。

压力损失增加将导致上、下塔压力增高，最终使能耗增加。

压力损失有两种：沿程压力损失(沿程阻力)和局部压力损失(局部阻力)。

4、板翅式换热器的特点
①传热效率高。

传热系数比管壳式换热器高。

②结构紧凑、单位体积换热面积是管壳式换热器的5倍以上，最大可达几十倍。

③轻巧、牢固。

④适应性大，可适应于多种介质的交换。

⑤经济性好。

由于结构紧凑，铝材轻，降低了设备投资费用。

⑥流道易堵塞，维修困难，所以介质要求清洁、干净。

4.1、板式换热器的结构
①换热器的基本元件
板式芯体有翅片、导流片、封条、隔板和侧板组成。

在相邻两隔板之间放置翅片，导流片和封条组成一通道。

隔板：主要用于传递热量和把介质分隔开来，也是承压主要元件。

压力越高，隔板越厚。

(0.8~2mm).
封条：在四周起密封支撑作用。

导流片：起流体的分配与汇集作用。

侧板：是换热器最外侧平板，主要起保护作用和便于换热器支架和焊接。

(5~6mm).
翅片：是换热器最基本单元件，换热器的传热主要依靠翅片完成，同时承担两隔板之间支撑作用。

5、自洁式过滤器
自洁式过滤器由高校过滤筒、之氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室和出风口、框架等组成。

过滤过程：
在压缩机吸气负压作用下，吸入周围的环境空气。

当空气穿过高效过滤筒时，粉尘由于重力、静电和接触等被阻留在滤筒外表面，净化空气进入气室，然后经出风管出。

自洁过程：
当电脑发出指令，电磁阀启动并驱动隔膜阀，瞬时释放一股压力为0.4~0.6MPa的脉冲气流，经专用喷头整流喷出，文氏管卷吸、密封、膨胀从滤筒内均匀向外侧冲击，将积聚在滤筒表面的粉尘吸落，自洁过程完成。

清灰控制有3中方式：(1)定时定位，可任意设定间隔时间和自洁时间；(2)差压自洁：当差压超过指标时，进入自动连续自洁。

(3)手动自洁：当电控箱不工作或粉尘较多时，可采用手动自洁。

反吹过程是间断的，每次仅1~2组处于自洁状态，其余仍在工作，所以具有在线自洁功能以保证连续工作。

自洁式过滤器核心是部件过滤筒，采用高效防水、过滤低，经特殊工艺生产而成。

自带前置过滤网，防止柳絮、树叶、废纸飞入，延长滤筒使用寿命。

自洁式空气过滤器优点：
①过滤阻力小
②过滤效率高
③适应性广
④占地面积小
⑤耗气小
⑥结构简单
⑦防腐性能好
⑧日常维护工作量小(约两年左右更换滤筒，更换滤筒不需要停机)
三、空气预冷系统
1、流程：
压缩后的高温空气进入空气冷却塔下部，由下向上穿过空气冷却塔的传质传热单元，依次与常温水泵和冷却水泵进行逆流接触而进行传质传热以达到冷却空气的目的，并除去大部分水溶性有害物质，如：NH3、HCl、SO2、NO2等。

常温水由外界供给，冷却水由冷却塔供给。

污氮气从水冷却塔底部进入，与水冷塔顶部进入的常温水充分接触，经热质交换，污氮气被增湿至接近饱和状态排入大气。

于此同时，从水冷却塔顶部进入的常温水，被逆流而上的污氮气冷却，并因部分蒸发、大量的气化潜热被带走而降温，从水冷塔底部配出经低温水泵升压后，成为空气冷却塔上部的冷却水。

设置冷水机组时，出空气冷却塔的空气温度可达8~10℃，不设冷水机组时，出空气冷却塔空气温度的高低主要取决于供水冷却塔氮气量的多少盒季节变化后的外界供水温度，一般在10~20℃之间。

带冷水机组的空气预冷系统，在富余氮气量较少或者水质条件差的情况下应采用此流程。

该流程在空气冷却塔中设置中心筒结构，上部分水在中心筒汇集后去水冷却塔形成封闭循环。

优点：这种中部回水流程有利于防止空气冷却塔上段的填料及布水管喷淋孔结垢、对延长冷水机组使用寿命，降低空气冷却塔下段的喷淋强度负荷也有一定的好处。

缺点：设置中部回水装置，使空气冷却塔高度增加2m左右，还
需相应增加中心筒液体低位报警控制器以及低温冷却水系统补水阀。

2、工作原理：
空分设备的进气温度取决于季节、气候、安装地点和进入空分设备之前对空气的预冷程度。

进气温度升高使得：(1)等温节流效应下降，膨胀空气量增大，产品能耗增加；(2)主热交换器的负荷增大；(3)空气净化系统设备的工作条件恶化；(4)空气中的含水量大大增加。

所以采取降低空分设备进气温度，在技术和经济上都是合理的。

该系统由空气冷却塔、水冷却塔、水泵三部分组成。

由冷箱内的返流污氮气(或氮气)，除满足分子筛纯化再生所需要的一部分外，其余均从水冷却塔下部进入，由下向上穿过水冷却塔的塔板或填料层，与向下喷淋的水进行热质交换。

由于污氮(氮气)对应于当地温度是不饱和的，所以有一部分水蒸发形成水蒸汽进入污氮中(氮气)，水蒸发时吸收大量潜热以及水与污氮(氮气)之间的热交换，使得水得到冷却。

被冷却的水由水泵压送到空气冷却塔的顶部。

水泵所需要的压头一是用来克服空气冷却塔与水冷塔之间的压差；二是用来克服水冷却塔底部到空气冷却塔顶部所需要的位差。

在空气冷却塔中，由空压机来的压缩空气，进入空气冷却塔底部，由下向上穿过塔板和调料层。

在这些气、液接触而上，压缩空气与逆流喷淋的冷却水进行热质交换，空气温度降低，空气中的水分含量减少。

水蒸汽凝结成水后加入冷却水中。

所以在空气冷却塔中，空气从下到上，温度降低，含水量减少；从上到下，温度升高，水量增加。

而在水冷塔中，污氮(氮气)从下到上，温度升高，含水量增大；水从上到下温度降低，水量减少。

影响水冷却塔降温效果的因素有很多的。

如：喷淋水量，喷淋设备结构及填料传热传质的效率等等，但其中最关键的因素是水—气比，即喷淋水量与气体流量比值。

因为污氮(氮气)中的饱和含水量有一定的限度的。

所以在水冷却塔中水温能够降低的程度，首先取决于水—气比。

如果忽略了这个基本原理，对水冷却塔的喷淋水量不加节制，其结果是大大降低了水冷却塔的冷却效果。

水冷却塔和空气冷却塔的冷端温差与喷淋关系：
△t/s℃16
12 空气冷却塔
8
4
-4
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
W/(103m3/m3)
△t/s℃4
-4 水冷却塔
-8
-12
-16
0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5
W/(10-3m3/m3)
如图可知：在喷淋水量大于一定值时(例如0.6×10-3m3/m3)，空气冷却塔的冷端温差趋于0℃，而在水量小于0.6×10-3m3/m3时，冷端温差逐渐增大。

随着喷淋水量的减少与进空气冷却塔时压缩空气温度的升高，温差绝对值增大。

在水冷却塔中，喷淋水量小于0.6×10-3m3/m3时，冷端截面水的温度可以低于污氮(氮气)的温度，水冷却塔的冷端温差出现了负值。

在水冷却塔中，喷淋水量(作为热工质)越少，测传热温差越大，喷淋水量有可能被冷却到更低的温度。

在空气冷却塔中，喷淋水量(作为冷工作质)越多，压缩空气越有可能被冷却到更低的温度。

但从整套空气预冷系统来说，应该看它的综合效果，就是对于出空气冷却塔的压缩空气有一个可能的最低值，此时应有一个喷淋水量的最佳值与其对应。

在阻力一定的情况下，水冷却塔的运行压力决定于当地大气压。

大气压越低，污氮(氮气)饱和含水量越大，而水冷却塔单位制冷量越大。

含水量g/kg
50 污氮压力饱和含水量
40
20
大气压力/kpa
70 80 90 100
W(103m3/m3)
制冷量
kw/100m3
340
320 水冷却塔单位制冷量与大气压力300
280
260 大气压力/kpa
85 88 91 94 97 100
3、冷却塔
空气冷却塔和水冷塔的结构都是采用气体与水直接接触，并使之受到冷却、净化。

在空分设备上应用的结构形式有喷头喷淋、穿流塔板、溢流塔板、填料4种。

3.1、喷淋冷却塔
喷淋冷却塔上、下段均用喷头，根据不同水量选择不同的尺寸喷头，喷射角及喷射方向要以冷却塔的直径为依据，直径小时要选择小的喷射角。

3.2、穿流冷却塔
穿流冷却塔是板式冷却塔中结构最简单简易的一种，气液两相同时逆流通过筛孔。

3.3、溢流冷却塔
溢流冷却塔带有降液管式板塔。

气体穿过筛板塔及板上液层上
升，液体通过降液管下流。

3.4、填料冷却塔
填料冷却塔是当前流行的一种新型结构冷却塔。

一般在空气冷却塔的上部装以塑料饱尔环填料。

下部因空压机出口温度高，采用不锈钢填料或不锈钢填料与增强聚丙烯填料分层装填，填料采用自由堆放方式。

在进行传热传质时，液体自下而上，沿填料层膜状流动。

气体则由塔底上升，通过填料时与液膜接触，进行热质交换。

采用填料冷却塔后，压力降小(阻力约为0.1KPa/m),能耗降低，传质传热效果好，操作弹性大，与筛板塔相比，塔径可大大缩小。

同时采用了分流分配良好的进气结构，多深代喷射填料支撑，保证了有很大的流通截面积和刚社进水口设置的是分配良好的液体分布器，保证液体分布的均匀性。

另一种填料是波纹填料。

根据冷却塔的介质特性和价格因素，可采用聚丙烯材料。

该种填料属于规整填料，它将许多波纹管型薄板垂直反向叠在一起组成盘状。

波纹填料缺点：
装卸填料不如乱堆填料方便，清理比较困难。

要达到填料表面全部润滑，则对液体分布器设计要求较高。

填料空气冷却塔、水冷却塔结构。

安放填料的支撑架为波形状，一般波高和波距为300mm,按塔径不同由多块拼接，螺栓固定。

板上是冲制均匀的腰形孔。

填料上部是盖板，以防止气速过大时冲击填料，影响传质。

盖布上的布水器按水量的大小，流速确定管径，在管朝下部位有φ4~8mm的小孔，它使水均匀的分布于填料上方，在气体出口顶部装有丝网除雾器，同时还具有较大的分离空间，以避免液离水被夹带出塔。

对填料高度大的水冷却塔还应设置液体在分离器。

因为液体沿填料层下流过程中，其分布不均匀性往往有逐渐增加的趋势，从而导致传热传质效率降低。

设置液体在分布器的作用就是重新分配液体，以确保其在填料层中的均匀分布。

3.4冷水机组
在空分设备中，有些用户对氮的需求量较大，分子筛吸附器再生也需要一定量的污氮，可供水冷却塔利用的污氮量不足。

此时都需要设置冷水机组，以使空气出空气冷却塔的温度不高于20℃，保证分子筛吸附器体积不致过大和正常运行。

一般有4种冷水机组用于空分设备。

3.4.1 螺杆式冷水机组
螺杆式冷水机组是一种容积式回转压缩机，是利用一对设备于机壳内的螺旋形的阴阳转子的齿合转动，来改变齿槽的位置的容积，完成吸入、压缩和排出过程。

具有固定的容积比是螺杆式压缩机区别于活塞式压缩机的主要特征之一。

其优点是单级压比大，易换件少，检修周期长，制冷量可无极调节。

3.4.3 氨冷机组
在氨冷机组中作为制冷工质的是氨是用来吸收热量(即产生冷量)的媒介物质。

高压液氨通过节流阀降压(同时降温)进入蒸发器，在其中吸热气化随即被压缩机吸入，蒸汽经过压缩后(压力和温度均得到提高)，进入冷凝器将热量传给环境介质(水或空气)而液化，液化了的制冷工作又从节流阀进入蒸发器，在其中制取冷量，并回复到起始状态，完成一个循环。

这种循环的蒸发和冷凝过程是在等温情况下进行的，不可逆行小，它是利用液体的蒸发过程来制冷，故单位制冷量大；同时在蒸发器和冷凝器中都是有集态改变的传热过程，传人系数大，因而设备不是很庞大。

这种机组在化工单位使用较广。

3.4.4 吸收式冷水机组
这是一种以消耗热能为单价而获得的降温效果的制冷循环。

其特点是所用的制冷工质有两种在相同压力下沸点不同的物质配制而成的饱和溶液。

其中一种沸点较高的位置为吸收剂，另一种沸点较低的物质作为制冷剂，作为吸收剂的物质必须具有吸收和溶解制冷剂的能力。

3.5 离心水泵
将冷却水送至塔内，由于塔内压力不一，高度不同一级存在沿程管路和阀门阻力，所以要有向流体做功以提高机械能的装置——离心水泵。

3.5.1 型号意义
KQW 80 / 160 —7.2 / 2
电机级数(2级)
电机功率(7.5KW)
叶轮名义直径(160mm)
泵进出口直径(80mm)
标准卧式单级单吸离心泵
产品名称：卧式离心泵
产品型号：KQW100/270—37/2 KQW100/220—30/2
3.5.2 泵的启动与停止
(1)启动前的准备
a.用手拨动电机叶片，叶轮无卡磨现象，转动灵活。

b.打开进口阀门，打开排气阀使液体充满整个泵腔，然后关闭排气
阀。

c.用手盘动泵以使润滑液进入机械密封端面。

d.对电机进行点试，确定转动方向是否正确。

(2)启动与运行
a.全开进口阀门，关闭吐出管路阀门。

b.接通电源，当泵达到正常转速后，再逐渐开吐出管路上的阀门，
并调节到所需工况。

c.注意观察仪表的读数，检查轴封泄露情况，正常时机械密封泄漏
量<3滴/分，检查电机、轴承处温升≤75℃，如果发现异常及时处理。

(3)停车
a.逐渐关闭吐出管路阀门，切断电源。

b.关闭进口阀门。

c.如环境温度低于0℃，应使泵内液体排尽，以免冻裂。

d.如长期停用，应将泵拆卸清洗，包装保管。

3.5.3 泵的维护
(1)运行中的维护
a.进口管道必须充满液体，禁止泵在气蚀状态下运行。

b.定期检查电机电流值，不得超过额定电流。

c.泵进行长期运行后，由于磨损，可能时机组的噪音及振动增大，
出现泄漏、性能下降，这事应停车检查。

必要时可更换易损件(如轴承、机械密封、叶轮等)机组大修期一般为一年。

(2)机械密封维护
a.机械密封润滑应清洁无固定颗粒。

b.严禁密封在干磨情况下工作。

c.启动前应先盘动泵(电机)几圈，以免突然启动，以免突然启动造
成石墨环断裂损坏。

d.密封泄漏允差3滴/分，否则应检修。

e.在检修装配机械密封时，应避免接触油类物质，可采用肥皂水，
洗涤剂之类来润滑减阻。

特别注意：
①不可将管路重量加在泵上，以免造成泵体变形损坏。

②泵运行前必须将泵灌满液体，同时用手盘动泵使液体进入机械密封端面，防止机械密封面烧损。

③必须控制出口阀门，避免泵在超大流量下进行，损坏电机或造成汽蚀。

3.5.4 泵的故障原因及排除方法
故障现象可能产生的原因故障解除方法
1水泵不出水
a.进出口阀门未打开，进口管路阻
塞，叶轮流到阻塞。

b.电机运转方向不对，电机缺机动
作，转速很慢。

c.吸入管漏气
d.泵内未灌满液体，泵腔内有空气
e.进口供水不足，吸程过高，底阀漏
水
f.管路阻力过大，泵型不当。

a.打开阀门，去除阻塞物。

b.调整电机转向，紧固电机接
线
c.拧紧密封面螺母，排除空气
d.打开排气阀，排尽空气
e.停车检查，调整(并网自来
水管和带吸程使用易出现
此现象)
f.减少管弯头，重新选泵
2水泵流量不
足a.先按1原因检查
b.管道、泵叶轮流道部分阻塞，水垢沉
积，阀门开度不足
c.电压偏低
d.叶轮磨损
a.先按1排除
b.去除阻塞物，重新调整阀门
开度
c.稳压
d.更换叶轮
3杂音振动a.管路支撑不稳
b.液体中混有气体
c.产生汽蚀
d.轴承损坏
e.电机超载发热运行
a.稳固管路
b.排气
c.增加进口压力
d.更换轴承
e.调整按4
4电机发热a.流量过大，超载运行
b.碰擦
c.电压不足
a.关闭出口阀
b.检查排除
c.稳压
5水泵漏水a.机械密封磨损
b.密封面不平整
a.更换
b.休整
4预冷系统启动前的准备工作
①检查各管道及离心水泵，检查各仪表、仪控是否正常，通知送电，做好各水泵、冷冻机组启动准备。

②冲刷空冷塔。

全开V021151，全开水泵WP1(或WP2)的进口阀门，并排气暂时解除PIAS-021108及LICAS-021138的连锁。

启动离心水泵WP1(WP2)、观察v021151排水情况，待无杂质洁净时，停止排水，将空冷塔液位维持在800mm。

停止离心水泵。

③冲刷水冷塔，全开脱盐水手动补水阀v021170冲刷水冷塔。

逐渐打开v021152接通地沟排污，观察放水达到洁净后，开始缓慢关阀v021152.当液位计显示CLICA-021111显示液位高1100mm时关脱盐水手动补水阀v021170.
5、预冷系统的启用
①将气导入纯化系统并输水导淋
②排气（开泵后出口排气阀、排完后关闭）
③启动常温水泵WP1或WP2
④缓慢开启出口手动阀v021130或v021131
⑤开进空冷塔中部喷淋调节阀v021134并随时手动调整v021156进行空冷塔下部液位调整。

⑥根据气量大小调整v021134和v021156开度，待空气稳定后启动冷冻水泵WP3或WP4.
⑦根据水冷塔液位高低调整v021111的开度
⑧待气量稳定后预冷系统投入连锁。