浅谈空分设备制氩系统操作的理论依据

摘要: 结合自身工作经验分析空分设备制氩系统操作的理论依据, 根据理论提出制氩过程相对优化的操作方法。

关键词:空分设备；稀有气体；粗氩塔；氮塞

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, 是空分设备用户首选的制氩流程。全精馏制氩就是在粗氩塔中进行氧-氩分离, 直接得到氧含量小于1x10-6的粗氩, 在精氩塔中再进行氩-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-氩分离,约需150～180 块理论塔板。规整填料每当量理论塔板的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Ⅰ塔出口氩中氧含量为2 %～3 % , 粗氩Ⅱ塔出口氩中氧含量小于1x10-6 , 可直接进入精氩塔进行精馏。

一、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

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浅谈空分设备制氩系统操作的理论依据 维美化工有限责任公司 王玺 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。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 %～10 % , 氧含量90 %～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, 而是随粗氩进入精氩塔; 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-氩分离, 氩馏分从底部进入, 顶部得到含氩约98 %～99 %的粗氩。由于氧-氩分离较困难，大部分氩被洗涤下来, 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。

二、粗氩冷凝器的热负荷

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、液空氧组分的含量：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。

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浅谈空分设备制氩系统操作的理论依据 维美化工有限责任公司 王玺 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。

三、制氩系统的操作

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最佳值。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 %～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, 进入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，就会使液氮节流降压后温度过低，氩还可能冻结成固

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浅谈空分设备制氩系统操作的理论依据 维美化工有限责任公司 王玺 体而堵塞冷凝器管。在操作中, 要控制好压力和阀门开度。

以上是本人结合操作经验对空分设备制氩系统原理及操作的一些浅见，仅供参考，欢迎批评指正。

维美化工有限责任公司二零零八年四月

王玺

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