浅谈如何优化操作方式提高氩气产量

浅谈如何优化操作方式提高氩气产量

内容摘要：在我厂现有的KDONAr—3350/3350/40型空分装置的流程及操作规程的基础上，分析了影响氩气生产的各种因素，阐述了如何通过优化操作方式，提高氩气产量，达到增产创收的目的。

一、概述

我厂于1993年投产一套四川空分设备厂生产的KDONAr—3350/3350/40型切换式换热器空分装置，至今运行正常。该装置氩气的生产采取的是传统的加氢除氧的制氩工艺流程：第一步从主塔中抽取含氩8%—10%的氩馏份，在粗氩塔中精馏得到纯度≥96%Ar的粗氩；第二步将粗氩引入氩净化装置，加压后在除氧炉中加氢除去粗氩中的氧，获得含O₂＜3ppm的工艺氩；第三步是工艺氩在精氩塔中进行精馏，除去工艺氩中的氮和氧，获得含O₂+N₂≤10ppm的精氩，其原设计产量为粗氩60Nm²/h，精氩40Nm²/h。

我们在长期的操作中发现该空分设备的制氩系统有一定潜力可以利用，并且随着国民经济的发展，市场对氩气的需求剧增。因此，我们决定适应市场需求，对这套设备进行潜力挖掘，提高装置的氩气产量，增加对外气体销售收入，

二、主塔和粗氩塔的工艺调整

空分主塔和粗氩塔通过氩馏分抽口、液空进料口和液空进料方式有机地联系在一起。氩馏份是制取粗氩的原料气，来自于主塔,经过分离后再返回主塔。同时还要从主塔中抽取液空、液氮和中压氮气作为粗氩塔和精氩塔的冷源和热源，这样一来必然会使主塔内的回流比发生变化，而且还会影响氩气在主塔内的分布以及氩塔的工况。所以主塔的稳定是制取氩气的前提，操作中既要关注主塔工况的变化又要兼顾氩塔的工况变化,二者互相影响, 密切相关。

1、主塔精馏工况的调整

根据物料平衡可知，在进塔空气量一定的情况下，要想提高氩气的产量，就必须减少随污N₂、氧气、氮气带出塔的氩组份，而氩气最主要的损失是被出塔污氮带走，因此必须提高污N₂出塔纯度，即提高平均氮纯度。

①、减少装置冷量损失：在兼顾切换式换热器冷端温差的同时，严格控制热端温差，尽量降低加工空气进装置的温度，增加气体的节流效应制冷量，同时减少返流气体的复热不足损失，以降低膨胀空气量，减小膨胀空气量对上塔精馏工况的影响。

②、提高出塔污氮纯度：在保证下塔液氮纯度为3—5ppm的前提下，尽量开大液氮入上塔调节阀调-3，以增大精馏段回流比，改善上塔精馏工况，将更多的氩组份洗涤下来，减少随污氮气带出装置的氧、氩组分，使出塔污氮纯度由97%提高到98%N₂。

③、适当降低下塔液空纯度：关小污液氮调节阀调-2，控制下塔液空纯度在35%~37%O₂之间，以降低液空在粗氩冷凝器中的蒸发温度。

、保持主塔工况的稳定：经验证明，氧气纯度变化0.1%，氩馏分中的含氧量就要变化0.8%~1%。因此在操作中我们尽量减小氧气纯度和主冷液面的波动，保持主塔工况的稳定，从而使主塔的氩富集区趋于稳定，获得含氩量较高且组成稳定的氩馏分。

2、粗氩塔的调整

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粗氩蒸气液化量的多少,液化量大，进入粗氩塔中的氩馏分的量就大，粗氩塔的回流比就大, 也就决定着粗氩产量和纯度，所以粗氩塔的调整着重于粗氩冷凝器换热工况的调整。

粗氩冷凝器蒸发侧的液空是以一定的循环倍率在其通道中流动的，它受到冷凝侧粗氩气的加热而部分汽化，使其比重变小，这样，液空通道内的压力小于通道进口处的压力，形成压差，从而使液空在通道内得以流动，形成循环。因此粗氩冷凝器的传热温差是产生循环倍率的前提，温差越大，循环倍率越大，液空的流动越快，粗氩冷凝器的传热效果越好、传热负荷越大，越有得利于粗氩塔的工况。

传热温差主要与参与传热的两种工质的温度有关，而根据溶液热力学原理，工质的冷凝与蒸发温度取决于它的组分浓度和压力。因此，影响粗氩冷凝器传热温差的因素有：

①、蒸发侧液空的纯度在一定压力下，液空的沸点取决于液空中O₂（N₂）组份的浓度，不同的O₂（N₂）组份浓度就有不同的蒸发温度，O₂（N₂）浓度越低，液空的蒸发温度就越低（高）。

粗氩冷凝器内液空的O₂浓度受两个方面的影响：一是下塔液空纯度，这主要取决于下塔的精馏工况；二是从粗氩冷凝器返回上塔的液空的数量。增加粗氩冷凝器中返回上塔液空的数量将会降低液空中的氧浓度，从而降低它的蒸发温度，在产品设计时一般已考虑了取液空的总量的2～10%作为回流液空量。一般情况下，这个百分比每增加一个百分点，会使液空中的含氧量减小0.3～0.4%个百分点。

②、粗氩中的氮含量从主塔中抽取的氩馏分含有一定浓度的氮，馏分中的含氮量直接决定了粗氩中的含氮量，因为氮组分在粗氩塔中是不能被冷凝的，沿粗氩塔的高度气相中的氮浓度逐渐升高，粗氩中含氮量增加将使粗氩的冷凝温度降低，从而缩小了粗氩冷凝器的传热温差，占据传热面积，使传热工况恶化，严重时会形成氮塞, 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。理论上粗氩中每增加1%的氮，粗氩的冷凝温度将下降0.07℃。

③、粗氩冷凝器夜空侧的压力降低蒸发侧的压力，液空的蒸发温度会降低，有利于扩大冷凝器的传热温差，但蒸发侧的压力受到上塔压力约束，并不是可以随意降低的。但是通过在液空蒸汽返回上塔的管线上加控制阀，可以在有限范围内适当调高蒸发侧压力，以减小冷凝器的温差，达到减负荷的目的。

④、粗氩冷凝器冷侧粗氩的压力虽然提高粗氩的压力，有利于增大传热温差，但同蒸发侧液空的压力一样，在上塔压力，粗氩塔阻力，粗氩废气阀开度相对稳定的条件下，几乎没有调节的余地。

影响液空循环倍率的因素除温差外，还有就是液空侧的液位，提高液空侧的液位，可以增大液空通道进口处的压力，该压力除用于克服液空在翅片通道内的流动阻力外，还能使液空通道进出口的压差增大，使液空的流动加快，不断冲刷传热壁面的气泡，破坏流体的层流边界层，从而提高了蒸发侧的传热系数。但当液位提高到一定高度后，由于液空底部的压力提高，底部的饱和温度也提高，使蒸发侧液空的平均温度升高，也就缩小了传热温差。因此对于结构一定的粗氩冷凝器来说，有一个最佳的液空液位，这可以在设计数据的基础上，在实际操作中加以摸索和掌握。

基于以上分析，我们对粗氩塔作了如下调整：

①、在保持主塔工况稳定的前提下，通过控制氧气纯度，使氩馏份稳定在10.5%Ar左右，以便降低粗氩中的含氮量，增大粗氩冷凝器的传热温差。

②微开甚至全关液空入上塔调节调-1，用调-01控制下塔液空液位，让绝大部份液空通过粗氩冷凝器，确保粗氩塔的冷量需求。

③、全开液空恒流阀通-01，增加回流入上塔的液空量，进一步降低液空中的含氧量，降低液空的蒸发温度，扩大传热温差，同时又避免了因液空大量蒸发而使乙炔在蒸发侧积聚的可能。

④、通过对粗氩冷凝器最佳液空液位的不断摸索，我们发现，只要液空液位稳定在7.2KP左右，粗氩塔的工况很稳定，当液位超过9KP时，工况开始波动，阻力下降，粗氩含氧量上升。

⑤、与净化系统配套的粗氩压缩机排气量为90Nm²/h，按设计，粗氩回流阀有一定开度。通过优化操作方式，粗氩产量提高后，我们便全关回流阀，全开工艺氩入精氩塔调节阀调-07，这样抽取的粗氩产量最高可达110Nm³/h，工艺氩可达105Nm³/h，即使是在夏天，因环境温度升高，使进塔空气量下降、冷损增加的情况下，粗氩产量也可达85Nm³/h，工艺氩达80Nm³/h。

三、操作中应注意的问题

1、因为将大部分的液空都送到粗氩塔冷凝器，粗氩塔的冷量较为充足，在操作中要注意防止液空温度过低而使氩在冷凝器中固化。

2、因进入精氩塔的工艺氩量增加，操作中应适当提高精氩塔冷凝器的液面，并增大尾气排放量，以确保精氩的纯度。

3、由于全关了粗氩压缩机的回流阀，应检查并保证粗氩出塔至粗氩压缩机进口管道之间的气密性，不使空气抽入粗氩压缩机；

4、改进后因粗氩流量增加，粗氩中总含氧量略有增加，应注意除氧炉和干燥器的运行状况。

四、改进前后的参数汇总表

	粗氩塔阻力	粗氩产量	粗氩含氧量	精氩产量	粗氩纯度
设计值	21 KP	60 Nm³/h	≤2.5 %	40 Nm³/h	96Ar %
改进后	24 KP	110 Nm³/h	≤0.4 %	100 Nm³/h	97Ar %

五、总结

改进操作后，精氩产量在扣除各种损失及测量误差后，液氩槽的液体增量每天在1m³以上，按每立方液氩市价2500元，精氩塔年运行时间300天计算，每年可多创效益1×2500×300 = 75万元，实现了较好的经济效益。

我们为了提高氩气产量而进行操作方式的改进，经过一年多的稳定运行，实践证明是可行的，也是成功的。

参考文献

[1] 石秉三. 制冷及低温技术机械工业出版社. 1981年

[2] 周智勇. 粗氩冷凝器工作原理分析和操作方法. 深冷技术1997年第6期

[3] 汤学忠, 顾福民. 新编制氧工问答 .冶金工业出版社, 2001年.