【摘要】对无氢制氩工艺中粗氩塔Ⅰ和粗氩塔Ⅱ的回流比进行了分析,提出有氢制氩设备的粗氩拼入无氢制氩设备中粗氩塔Ⅱ的理论依据,设想一种不带液氩循环泵的无投制氩工艺流程及设备。 关键词:有氢制氩,无氢制氩,回流比,工艺改造,新流程
无氢制氩工艺粗氩塔回流比的探讨
-----有氢制氢工艺改造的可行性分析
严寿鹏
(杭州德灵低温设备成套工程有限公司,杭州得胜路80号310004)
摘要:对无氢制氩工艺中粗氩塔Ⅰ和粗氩塔Ⅱ的回流比进行了分析,提出有氢制氩设备的粗氩拼入无氢制氩设备中粗氩塔Ⅱ的理论依据,设想一种不带液氩循环泵的无投制氩工艺流程及设备。
关键词:有氢制氩,无氢制氩,回流比,工艺改造,新流程
1 粗氩塔的回流比
粗氩塔可看成是分离氩一氧二元物的精馏设备,其中低沸点组分氮可以计算在氩气中。
粗氩塔的回流比是粗氩塔上部的回流液量LdAr与逸出的粗氩量 之比(见图1)。粗氩塔的最小回流比计算公式:
=
式中:---粗氩中的含氩量,%;
---氩馏分中的含氩量,%;
---与氩馏分成相平衡的氩回流液中的氩含量,%。
10000m3/h空分设备的无氢制氩设备中,粗氩塔I氩馏分中氩含量9.13%,氩回流液中的氩含量6.6%,粗氩中的氩含量98.5%,因此粗氩塔I的回流比计算值约为35。
粗氩量与回流液量之和便是氩馏分量。氩馏分量与粗氩量之比通常称为粗氩塔的倍率。粗氩塔的倍率也接近于35。也就是说,当氩馏分中的氩含量为9%左右时,欲获得1m3/h含量为98%的粗氩,必须提供36m3/h的氩馏分量。
由于粗氩塔内氩组分中变化很大,氧-氩二元物系分离所需要的回流比也很大,说明粗氩塔氩的提取率是很低的,一般只有28~35%。粗氩塔的回流比或倍率的大小要取决于氩馏分中的含氩量和粗氩中的含氩量,但与塔的精馏效果也有关。如筛板粗氩塔的倍率约33-36倍,而规整填料氩塔的倍率仅需28~32倍。
无氢制氩设备中的粗氩塔II,实际上仅是一个脱氧塔,由于氩-氧的挥发度接近于1,因此它们分离所需要的理论塔板数较多,含氩量从98.5%降底到(1~2)×10-6约需理论塔板120块左右。但是塔内的氩组分变化甚微,一般从98.5%Ar变化到99.4%Ar。因此粗氩塔II实际上所需要的回流比很小,接近于1,它与精氩塔所需要的回流比非常接近。
(图1)
2 有氢制氩工艺的技术改造
众所周知,有氢制氩工艺存在较大的致命缺点。
(1)工艺流程复计,它需要由低温精馏系统、氩纯化系统和水电解氢系统组成,设备繁多。
(2)能耗高。有氢制氩设备的能耗机组有:氩压缩机、氩干燥和水电解氢设备,无氢制氩设备的能耗机组仅有液氩循环泵,两者能耗所产生的费用无法相比。
(3)氢气生产既不安全又增加费用。粗氩量100m3/h,其中含氧量2.0%,过量氢控制在2%时,要加入的氢气量约为7.5m3/h。每年需要的氢气量约为64800m3,如果采用钢瓶氢则生产费用就更加可观。
(4)氩纯化设备和水电解氢设备还需要设置操作工人,也增加了一定的生产成本。
为此,对同时拥有有氢制氩设备和无氢制氩设备的使用单位,均提出一个非常现实的问题,就是有无可能将有氢制氩设备所产生的粗氩,送入无氢制氩设备中,从而可增加了无氢制氩设备的液氩产量,同时又革除掉有氢制氩设备中的氩纯化系统、供氢系统和精氩塔系统。企业不但产生很高的经济效益,同时又消除了安全生产的隐患。
曾有专家指出,外界提供的粗氩进入无氢制氩设备中的粗氩塔II参与精馏,要获得足够量的无氧粗氩的工艺改造是难于实现的,如外界提供32m3/h的有氧粗氩进入粗氩塔II,只能获得1m3/h的无氧粗氩,或者在粗氩塔II底部设置再沸器,使该塔增加32倍的外界粗氩的上升气量,才能获得32m3/h左右的无氧粗氩。显然,这是一个理论误区。
外界提供的粗氩进入无氢制氩设备的粗氩塔II中参与精馏。并获得相当数量的无氧粗氩的工艺改造是可行的。主要原因是:
(1)有氢制氩设备中,粗氩塔只有一段,它将氩馏分中的氩含量9%左右提高到96~97%,氧含量从89~90%减少到1~2%。说明有氢 制氩设备粗氩塔所获得的粗氩组分,与无氢制氩设备粗氩塔I所获得的粗氩组分基本一致。
(2)无氢制氩设备中,粗氩塔I所需要的回流比为32左右,粗氩塔II所需要的回流比接近于1。但是粗氩塔I大回比所需要的回流液体量,是靠设置在粗氩塔II上部的冷凝蒸发器所产生,因此粗氩塔II实际的操作回流比也接近于32。但是,外界粗氩进入粗氩塔II参与精馏,其回流比接近于1就够了。
(3)有氢制氩设备粗氩塔所获得粗氩压力与无氢制设备粗氩塔I所产生的粗氩压力相近,但必须进行适当调整。如尽量提高有氢制氩空分设备中上塔的操作压力,降低粗氩塔的操作阻力,并允许粗氩中氧含量较高,尽量降低无氢制氩空分设备中上塔的操作压力,以保证有氢制氩设备的粗氩输送压力略高于无氢制氩设备有氧粗氩的输送压力。
实践已经证明,两种组分接近的粗氩同时进入无氢制氩设备中的粗II塔获得无氧粗氩,外界粗氩所获得的无氧粗氩的提取率可达到90%以上。
由于外界粗氩进入粗氩塔II以后,其上升气量及无氧粗氩产量均略有增加。因此,必须对无氢制氩设备中的粗氩塔凝器、粗氩液化器、精氩塔的冷凝器和蒸发器的负荷承受能力进行核算。
3 不带液氩循环泵的无氢制氩工艺流程
无氢制氩设备,欲获得氧含量≤(1~2)×10-6的粗氩,粗氩塔的理论塔数高达180块左右,规整填料层高约需45m左右。由于冷箱高度所限制的原因,粗氩塔被分成二段,粗氩塔II的回流液采用液体循环泵打入粗氩塔I,见图2。粗氩塔I的大回流比所需要的回流液是靠设置在粗氩塔II顶部的冷凝蒸发器产生的,因此粗氩塔II的回流比接近粗氩塔 I的回流比,为此粗氩塔II的塔径与粗氩塔I的塔径相同。
不带液氩循环泵的无氢制氩工艺流程如图3所示。例如有32单位的含氩9~10%的氩馏分进入粗氩塔I,被塔顶设置的液空冷凝蒸发器冷凝,冷凝后的回流液返回上塔。从塔顶即可获得1个单位的氩含量为98%左右的有氧粗氩。1个单位的有氧粗氩又进入粗氩塔II,又被塔顶上的液空冷凝蒸发器冷凝,在塔内约有0.02单位冷凝液被气化后排入大气,其它的冷凝液被粗氩II塔内的再沸器再次气化。从粗氩塔II的顶部可获得0.98单位的氧含量≤(1~2)×10-6的无氧粗氩。无氧粗氩从精氩塔中部导入,与提馏段的上升气量汇合后一起进入精馏段,大部份上升气体被液氮冷凝器所冷凝,约有0.02单位的废气被排放大气。冷凝液量通过提馏段后进入塔釜,被氮再沸器气化,从塔釜内可以获得0.96个单位的高纯液氩。
不带液氩循环泵的无氢制氩工艺流程的技术特点是:
(1)由于取消了液氩循环泵,可避免循环泵密封气泄漏对粗氩塔II无氧粗氩纯度的影响。
(2)粗氩塔II的设备塔径可大幅度缩小,与精氩塔径相同。因此规整填料的用量仅为原设备的5~10%,这样可以大幅度降低制造成本。
(3)粗氩塔II的顶部和底部需设置冷凝器和氮蒸发器,制造成本略有增加,但与规整填料用量的减少所产生的经济效益是不能相比的。