1 　故障现象
KDN23000 型制氮设备于1997 年投产, 运行
稳定。KDN23000 型制氮设备冷箱部分的流程
2005 年5 月以后, 随着外界环境温度升高,
空气进主换热器压力P2 与氮气出主换热器压力P1
之差逐渐增大。由图1 可知, P2 与P1 之间的压差
是由空气经主换热器、液化器、精馏塔塔板的阻力
和氮气经主换热器阻力组成, 正常生产条件下P2
与P1 之间的压差基本为常数, 只随着入塔空气量
及精馏塔阻力的变化而在小范围内波动, 控制范围
为0102～0103MPa。
图1 　KDN23000 型制氮设备冷箱部分流程示意图
　　进入夏季后, 制氮设备气体进出主换热器的压
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差从0103MPa 开始逐渐增大, 当接近011MPa 时,
主换热器热端温差也开始显著增加, 由正常生产时
的2 ℃～4 ℃逐渐增大到25 ℃以上。造成氮气出装
置温度接近0 ℃, 氮气管道结霜, 装置冷损增大,
系统冷量平衡被破坏, 主冷液氧液位持续下降, 最
终制氮设备被迫停车。
对制氮进行全面加温吹除后重新开车, 各
项指标恢复正常值。但运行20 天后, 故障又重复
出现。9 月以后, 随着环境温度降低, 制氮设备进
入稳定运行状态。
2 　堵塞物和部位分析
造成气体进出主压差增大的堵塞可能
是: ①空气过主换热器; ②空气过液化器; ③空气
穿过精馏塔塔板; ④氮气过主换热器。
加温吹除后制氮设备可以恢复正常生产, 因此
可以排除是固体物质或其与油类的混合物, 可以初
步判定是水分或二氧化碳在冷箱内集聚造成堵
塞。堵塞部位可以断定是主换热器, 原因是主换热
器热端温差增大, 同时空气出主换热器冷端温度为
- 145 ℃左右, 水分和二氧化碳在出主换热器之前
早已分别凝结成冰与干冰。
3 　主换热器堵塞原因分析
311 　不合格空气窜入净化后的空气管线
为了确保安全阀生产, 车间压缩机全部联网运
行, 与KDN23000 型制氮设备入塔净化空气相连的
跨线就有3 条, 如果其中有跨线的关不严致使
不合格气体窜入净化后的空气管线, 就会造成主换
热器堵塞。在给3 条跨线加盲板的过程中, 发现其
中一条DN200mm 跨线的发生泄漏。但加盲板
后, 堵塞现象还是重新出现, 说明主换热器堵塞的
原因不是不合格空气窜入净化后的空气管线, 于是
把注意力集中在空气净化系统。
312 　空气净化不彻底
KDN23000 型制氮设备的空气净化系统由空冷
塔和分子筛纯化系统组成(如图2 所示) 。空冷塔
的作用是用11 ℃左右的冷却水直接喷淋由空压机
排出的40 ℃左右的空气, 将空气冷却到14 ℃, 冷
却后的空气经过分子筛纯化系统, 被除去其中的水
分、二氧化碳、乙炔及其他烃类杂质后进入冷箱。
图2 　空气净化系统流程示意图
　　将空分车间近几年的操作记录与制氮投产
时的操作记录进行了对比, 发现近几年夏季冷却水
温度经常保持在20 ℃～25 ℃, 而装置在运行投用
初期夏季的水温为12 ℃～14 ℃。冷却水温度上升
致使空气入塔温度升高, 最终导致分子筛吸附效果
下降。以22 ℃冷却水为例, 空气出空冷塔温度将
达到24 ℃左右, 经过分子筛吸附器吸附、放热后,
进入冷箱时空气温度为29 ℃。由于入冷箱空气温
度增高, 废气在主换热器与空气换热后, 出冷箱温
度接近25 ℃, 用25 ℃废气做再生气对加热后的分
子筛吸附器冷吹, 温度只能达到35 ℃左右。而分
子筛吸附剂在14 ℃以下对空气中的二氧化碳有很
好的吸附效果, 超过14 ℃则吸附能力开始下降,
超过40 ℃吸附能力较低。
可见, 由于夏季空冷塔冷却效果差导致分子筛
吸附器在切换时温度偏高, 分子筛对二氧化碳的吸
附能力下降。在线二氧化碳分析仪监测数据亦表
明, 切换时分子筛吸附器出口空气中二氧化碳含量
经常达到4 ×10 - 6～5 ×10 - 6 , 且维持大约40 分
钟, 而正常值应小于1 ×10 - 6 。分子筛纯化系统8
小时切换1 次, 入冷箱空气中二氧化碳含量每天有
2 小时超标, 最终导致主换热器提前堵塞, 使装置
无法正常运行。
4 　处理措施
411 　增设制冷机组
对制氮设备来说{zh0}的解决办法就是降低空气
进入分子筛吸附器温度。而目前降低空气进入分子
筛吸附器温度的{zh0}方法是在空冷塔与分子筛吸附
器之间增设制冷机组, 直接对进入分子筛吸附器的
空气进行降温。
通过技术改造, 增设制冷机组, 降低入塔空气
温度至5 ℃～8 ℃, 以降低入冷箱空气湿度, 提高
分子筛吸附能力, 并延长分子筛吸附器工作时间,
最终达到装置长周期运行的目的。
412 　弥补设计缺陷, 提高分子筛吸附能力
由图2 可以看出, 原流程中空气从空冷塔换热
后直接进入分子筛吸附器, 中间缺少气液分离器。
空冷塔的冷却水与空气直接接触换热, 如果装置生
产工况波动或空冷塔塔底进行液位的及仪
表出现故障, 就会使水进入分子筛吸附器, 对分子
筛造成冲击。
为解决此问题, 在引进制冷机组时, 将制冷机
出口普通的重垂式气液分离器改为旋风式气液分离
器。旋风式气液分离器的原理是在分离器内增设固
定叶片, 当气流经过固定叶片后发生旋转, 用离心
力将甩到容器壁上, 再经汇流装置排出。通过
对进入分子筛吸附器的空气降温及提高脱水效率,
使空气的净化效率显著提高, 同时也延长了分子筛
的使用寿命。
5 　结束语
通过对KDN23000 型制氮设备主换热器堵塞问
题的分析及处理, 不但技术瓶颈得到解决, 而且对
装置的整体操作水平得以提高, 从故障初期的判断
到采取相应措施进行处理, 在此过程中获得了丰富
的实际经验, 为以后对装置实施进一步优化操作打
下了基础。