空分设备制氩系统优化操作的理论依据和经验

摘要:分析空分设备制氩系统优化操作的理论依据，介绍制氩过程遇到的问题处理方法

关键词:大型空分设备;稀有气体;粗氩塔;优化操作

大型空分设备的制氩系统有两种流程:加氢制氩和全精馏制氩。由于全精馏制氩具有流程简单、操作方便、安全、稳定、氩提取率高等优点，是空分设备用户{sx}的制氩流程。全精馏制氩就是在粗氩塔中进行氧一氩分离，直接得到氧含量小于lx10^-6的粗氩，在精氩中再进行氩一氮分离，得到纯度为99.999%的精氩产品。由于氧、氩常压下沸点仅差3K，如果用筛板精馏来实现氧一氩分离，约需150一180块理论塔板。规整填料每当量理论塔板压降是每理论筛板的1/8左右，这样在粗氩塔允许的压降范围内就可以设置相当于170块理论

塔板的规整填料实现氧-氩全精馏分离。为降低粗氩塔的高度，往往设置二级粗氩塔，粗氩塔出口氩中氧含量为2% - 3%，粗氩塔出口氩中氧含量小于1x10^-6，可直接进人精氩塔进行精馏。

1、 氩馏分的提取

    粗氩塔的原料—氩馏分来自于主塔，冷源液空也来自于主塔，且在粗氩塔冷凝器中蒸发返回主塔，所以，粗氩的制取既要关注主塔工况的变化又要兼顾粗氩塔的工况变化，二者互相影响，密切相关。

    氩在上塔有两个富集区，液空进料口上下各一个。氩在上塔的分布是随氧、氮产品的纯度变化而变化。氧产量减少，提馏段的上升蒸汽相对增多回流比减小，液相中的氮、氩组分充分蒸发上去氧纯度提高，富氩区上移，即精馏段富氩区含氩量增高，而提馏段富氩区含氩量下降。氩馏分抽口在提馏段，氩馏分中的氩含量减少，氧含量增加，氮含量减少。如果氮产量减少，主塔内上升气相对回流液来说减少，回流比增大，气相中的氧、氩组分被充分冷凝到液体中，沿塔板下流，氮纯度提高精馏段富氩区含氩量下降，提馏段富氩区的含氩量增高。氩馏分中氩含量增加，氮含量增加，氧含量减少。

    平时，空分设备操作时要根据主塔中氩富集区的分布情况及其受氧、氮产品变化的影响原理，来调节氩馏分中氩、氧、氮的含量，使氩馏分的各组分满足粗氩塔正常运行的要求。氩馏分中氩的含量要求在8%一10%，氧含量90%一91%,氮含量小于0.1%。如氩馏分中氮含量太高，一则会使粗氩纯度降低，因为氮在粗氩塔中不冷凝，而是随粗氩进人精馏塔;再者会造成粗氩冷凝器的温差减小，由于氮组分聚集在粗氩冷凝器中不液化，时间久了，形成氮塞，使粗氩冷凝器停止工作、粗氩塔工况恶化，若处理不及时还会影响到主塔工况。

    氩馏分从主塔抽取后进入粗氩塔进行氧一氩分离，氩馏分从底部进人，顶部得到含氩约99.6%的粗氩。由于氧一氩分离较困难，约有2/3的氩被洗涤下来，同时氩馏分从底部进入，底部液体中含氩很高，它又回到主塔参加精馏。因此，氩馏分中氩只有一部分作为粗氩被提取，所需氩馏分量约为粗氩量的35-40倍。

2、粗氮冷凝器热负荷的合理调整

    粗氩冷凝器是粗氩塔的关键设备，它的热负荷的大小直接影响氩蒸气液化量的多少，所以直接决定回流比的大小，也就决定着粗氩产量和纯度。粗氩冷凝器换热工况的影响因素主要有三个。

    (1)蒸发侧的压力:蒸发侧压力高，液空蒸发温度就高，换热温差减小，氩蒸气液化量减少，回流比减小，粗氩冷凝器热负荷减小;反之，蒸发侧压力低，液空蒸发温度就低，液空和氩蒸气的换热温差扩大，氩蒸气的液化量增多，回流比增大，热负荷加大。

    (2)液空组分的含量:液空含氧量升高，由于氧的沸点比较高，蒸发温度就升高，粗氩冷凝器换热温差减小，氩蒸气液化量减少，回流比减小，热负荷减小。

    (3)液空液位高度:液空液位高度的存在可使蒸发侧底部产生一定压力，能克服液空在翅片通道中的流动阻力。液空液位增高，液空循环倍率增加，粗氩冷凝器热负荷随之提高。但液位过高，由于底部压力的增加，蒸发温度也升高，粗氩冷凝器的平均换热温差减小，使粗氩冷凝器的热负荷下降。所以粗氩冷凝器的液空液位要适宜。

    粗氩冷凝器热负荷的大小取决于蒸发侧压力、液空组分以及液空液位的高度;而粗氩冷凝器的热负荷大小又决定着氩馏分的取出量，热负荷大，液化量增加，粗氩塔内气体量减少，压力降低，随之抽取过来的氩馏分量就增加;反之则小。因此，调整一个合适的粗氩冷凝器热负荷，关系到粗氩的产量和纯度。

3、制氩系统的优化操作

    粗氩塔的投运会增加空分设备的冷损。粗氩塔的投运一般应具备以下四个前提条件:①主塔工况稳定;②氧、氮产品的产量及纯度高，氧纯度至少要达到99%;③冷量要充足，也就是主冷液氧液位在上限且稳定;④加大膨胀机制冷量。以上四个条件具备后，逐渐增大液空的取出量，即增大粗氩冷凝器热负荷到{zj0}值。随着粗氩冷凝器热负荷的增加，氩馏分的取出量增大，直到常规流量。检查氩馏分的氩含量是否在8%一10%之间。如不在其范围内，调整氧、氮产品和液氮调节阀，使之达到规定值。保证粗氩塔工况的正常，最重要的是要保证氩馏分的抽取量和馏分组成的稳定，抽取量决定于粗氩冷凝器的热负荷和粗氩塔压力，馏分的组成受主塔工况的制约。

    合格的粗氩从粗氩塔中被抽出，进人精氩塔参加精氩塔精馏。精馏所需的上升气一部分来自于精氩塔底蒸发器蒸发的氩气，液氩的蒸发用来自下塔的气氮做热源;精馏所需的回流液是上升气在冷凝器中被冷凝的液体，冷源采用节流后的液氮。精氩塔的操作工况主要取决于冷凝器与蒸发器工作能否很好配合，使回流液量和上升蒸气量有一个适宜的回流比，以生产出纯度较高的粗氩。如冷凝器冷量过多，液化量增加，回流液就增加，回流比增大，回流液中的氮组分就不能被充分蒸发出来，导致流到塔底的纯氩中氮含量过高，液氩纯度降低。如蒸发器中的气氮量过少，上升气量不足，回流比增大，也会造成上述现象。由于氮和氩的液化温度相差较大 (10K)，冷凝器压力过低，就会使液氮温度过低，氩还可能冻结成固体而堵塞冷凝器管。在操作中，要控制好压力和阀门开度。

4、制氩系统常见故障的处理及预防

制氩系统常见的故障是粗氩冷凝器氮塞和精氩冷凝器氩冻结。

4.1、 粗氩冷凝器氮塞

氩馏分氮含量高，就会使氮聚集在粗氩冷凝器不能液化而形成氮塞。这种情况出现时，粗氩冷凝器的换热温差缩小，氩蒸气液化量明显减少，粗氩塔阻力降低，粗氩冷凝器液空不能蒸发而导致液位上涨。

发生氮塞时应采取以下措施:①关小粗氩塔液空注入阀，以降低粗氩塔液空液位;②减少产品氧取出量，提高氩馏分氧含量，有利于粗氩冷凝器排氮和提高氩蒸气温度，加快液空蒸发，使液空液位尽快恢复正常;③打开粗氩塔放空阀排氮，一方面可防止氮的集聚，另一方面可加强粗氩冷凝器换热，使液空液位降到正常水平。若以上方法无效，只能临时停止粗氩塔运行，待主塔工况稳定后，重新投运粗氩塔。

预防措施:为避免粗氩冷凝器发生氮塞，在操作中要做好以下三点:①保证氩馏分的氩含量为8%一10%.氧含量 90% 一91%，氮含量小于0.1%;②避免主冷液位大幅波动;③上塔压力不能提高过快。总之，主塔的运行工况要稳定，不能进行大幅度调整，以确保氩馏分各组分含量在正常范围内。

4.2、 精氩冷凝器氩冻结

精氩冷凝器压力过低时，液氮温度低，就会使氩冻结成固体而堵塞在冷凝器管中。这种故障若不严重，就需尽量提高冷凝器氮侧压力，以提高氮温度将氩溶化。若此方法不能解决问题，就只能停运精氩塔，进行局部加温，以排除故障。

预防措施是:精氩冷凝器氮侧压力不能太低，若有降低应及时提高。