氩精馏工艺在空分系统中的探索与实践

氩精馏工艺在空分系统中的探索与实践

陈风同

（阳谷祥光铜业有限公司，山东省聊城市 252300）

摘要：

液氩产量的高低的确受多重因素的影响，有些是可以通过优化工艺参数调节找到解决方法有些则是一些外在因素影响无法消除，例如: 精馏塔的踏板损坏、分子筛磨损的杂质在精馆塔聚集，导致精馏塔塔板堵塞、损坏，精馏效果不佳，装置运行时间久，未进行大检修，大加温工作等，导致一些不凝气体停留在精馆塔内，都会对精馏效果造成影响。而本文就是通过实践、调整优化系统参数，从工艺侧想法增加产品产量，既要满足后系统大量用氮气需要，也增加恢复了副产品液产量。取得了良好的效果，具有一定的推广价值。

关键词：氩精馏深冷空分 化工工程氮塞处置

一、液氩的生产与应用

液氩是一种稀有气体，工业中大多使用的是高纯氩 (主要指标: 氧含量小于1.5ppm)，主要用于氩弧焊，市场上使用的高纯氩大多都是从空气中提取出来，在空气中占比大约0.932%。投产初期，空分液产量基本上在1450-1500Nm3/h左右。随着公司对煤化工技术的掌握深入，2018年后系统负荷也随之增加，从而空分装置向气化、合成装置的氮气用量也随之增加，以至精馏工况组分发生变化，氩系统负荷也将降低至1300Nm3/h左右，低温副产品液显为公司创造的效益也随之降低。

二、影响液氩提取率因素

对于精馏工况来说，影响产量的因素大致分为以下几种，精馏塔的温度和压力、精馏塔的进料状态，进塔空气进料量;精馏塔回流比、粗显塔冷凝器的蒸发量、精馏塔气体取出量、液体塔底取出量等。可见影响氩系统的参数较多，但是后系统负荷增加，增加外送氮气量是必须满足的条件，故只能从精馏系统内部进行想法解决，优化工况，寻找解决办法。但无论参数怎么调整，首先是要清楚精馏操作过程应遵循三个平衡，一是物料平衡:二是汽液平衡;三是热量平衡，只有达到并满足了这三个平衡，才能得到合格的产品。在这三个平衡基础上才能进一步优化工况，增加氩的提取率。

2.1 液气提取率的算法

氩提取率的简单计算公式：提取率 pAr= (产量X纯度)/ (空气量X0.932%)，通过查询原始设计资料以及将原始设计的参数带入公式,可初步得到本套空分装置设计显提取率80%左右，2018年以后而实际运行中，显的产量仅为1300-1350Nm3/h，提取率仅为67.9%，相比设计值，氩的提取率下降明显，远远低于设计值，未能实现装置精细化、精益化生产。

2.2增加液氩的提取率的方法分析

通过对精馏塔的分析和研究，以下方式可以增加产量 :

2.2.1 增加入塔空气量，增加量循环倍数空气量增加，无形中就增加了精馏塔的负荷，也就实现了液的产量增长。

2.2.2 增大粗冷凝器液气气量增加粗氩塔的冷凝器气化量可以实现增加回流液，从而使得液更多的到粗塔参与精馏可以增加一定的液产量。

2.2.3改变冷凝器液体组成从而改变液体温度，使之更“冷”根据标准气体方程式可以得知，通过改变粗显冷凝器的压力可以实现温度的变化，可以达到更冷的效果，但是同时对组分发生变化，故需要综合考虑精馏成分的变化来判断。

三、氩精馏工艺的调整及氮塞处置

3.1氩产品产量的调整

当氩系统工作平稳正常后，需调整氩产品产量使其达到设计工况。主塔的调整按第5条进行。氩馏份流量取决于V3阀的开度，工艺氩流量取决于V6、V5阀的开度。调整的原则应尽量缓慢！甚至可以每天增加仅各阀门1％的开度，使工况经历纯化系统切换、用氧变化及电网的波动。如氧纯度、氩纯度正常，工况稳定的话，可继续增加负荷。如某工况有变坏的趋势，说明工况已到极限，应加以回调。由于每次调整的幅度小且时间周期长，较易恢复至正常工况。

3.2氮塞的处理
 

当主塔工况产生波动时，例如氧产品突然增大，上塔压力突然下降等情况，会破坏上塔正常精馏工况，造成氩馏份抽口含氮量的上升（正常值含氮≤100PPm）。进入氩系统的氮气上升至氩塔冷凝器处无法得到及时排出的话，会造成冷凝蒸发器换热温差的下降。冷凝蒸发器负荷下降甚至停止工作，氩塔阻力波动下降，直至零，氩系统停止工作，这种现象叫作氮塞。

保持主塔工况稳定是避免氮塞的关键。氮塞现象是粗氩塔阻力下降、氩馏份含氩量上升（正常时6～10%，增加的部分实际是氮组分）。轻微氮塞的处理：全开V766、V760并适当减小氧产量，如果能稳住阻力不再下降，当进入氩系统的氮气排完后，全系统可以恢复正常工作。严重氮塞的处理，一旦出现粗氩阻力急剧波动，并在短时间内变成零，表明氩塔工况垮掉了，这时应全开V766、V760，全关氩泵后送出阀，全开氩泵后回流阀，全关V3，尽量使氩塔内液体留在氩塔内，以免进一步破坏氧纯度适当关小氧气产量，等主塔工况逐步恢复正常后再重新投入氩塔。

3.3氩系统工况的精细控制
 

由于氧－氩的沸点较为接近，氧－氮的沸点差值相对较大。从分馏的难易程度上来说，调氩的困难程度远大于调氧。上下塔阻力建立后1～2个小时氧纯度可以达标，而氩塔阻力建立后正常操作约需24～36小时氩中氧纯度才能达标。氩系统工况难建易垮，系统复杂，调试周期长，稍有不慎工况就可能在短时间出现氮塞而垮掉。如能按13条正确操作，保证氩塔中积存的氩组分的总量，再次建立粗氩塔阻力至氩中氧纯度正常约需要10～15小时。

操作者应对流程熟悉，并在调试过程中具有一定的前瞻性。氩系统的每次细微调整均需要较长时间才能在工况上反映出来，忌讳经常、大幅度调整工况，因此保持清晰的思路，平和的心态非常重要。氩提取率的高低受多种因素的影响。因氩系统的操作弹性小，实际操作中不可能将操作弹性绷的过紧，工况的波动对提取率非常不利。化工、有色冶炼等用氧平稳的装置提取率比断续用氧的炼钢等要高；炼钢行业多台空分联网要比单台空分供氧的氩提取率高；大空分要比小空分的氩提取率高；高水平的精心操作比低水平的操作提取率要高；装置配套水平高的氩提取率高（如膨胀机的效率；自动阀门、分析仪表的精度等）。

四、氩精馏工艺的调控与优化

双塔流程的提氩采用粗氩冷凝塔流程，空分塔提馏段按照氮氩一氧进行精馏组织，提馏段的最小气液比为0.6，实际气液比大约为0.66左右，这样情况下，在上塔底部才能得到纯度为99.5%的氧气(含氩0.5%以下)，同时以富氧液空作为粗氩冷凝器的冷源在粗氩冷凝塔顶部得到粗氩！无论是新单塔流程还是古典单塔制氧流程，只要空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，也就同样可以采用粗氩冷凝塔流程实现提氩，只还过新单塔流程单热泵工艺方案时，粗氩冷凝器用液氮作为粗氩冷凝器的冷源，而古典单塔制氧流程和新单塔流程的双热泵工艺方案均采用液空作为粗氩冷凝器的冷源。+ N! d6 B$ \H2 P& w
空气是氧氮氩三元物系，其中氩的沸点与氩接近含量很少，按照一般精馏组织原则，空分塔应该按照氮一氩氧进行精馏组织，这样在空分塔底部上的只能得到纯度为95%的氧气(含氩4.5%含氮0.5%)，而要得到纯度为99.5%的氧气及粗氩需要对纯度95%的氧气进一步进行氧氩精馏分离。&t9 x) M; ^7 N
如果空分塔按照氮一氩氧进行精馏组织，无论是双塔流程还是新单塔流程的双热泵工艺方案古典单塔制氧流程，空分塔提馏段的最小气液比为0.5实际气液比取0.55左右，具体来说进入下塔或者空分冷凝器的空气数量可以减少，其数量占空气总量的25%！这部分空气的压缩功，就是采用粗氩冷凝塔提氩流程时的提氩能耗(1,05立方米95%纯度的氧气和1立方米纯度99,5%的氧气有效能数值几乎相等)，如果加上粗氩冷凝塔的散冷损失，每立方米氩气的单耗在2kwh以上。如果说双塔流程的精馏效率只有20%，而制氩的精馏效率则10%都达不到！
提氩是否一定要求空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织同时采用粗氩冷凝塔提氩？当然不是！完全可以空分塔按照氮一氩氧进行精馏组织，而将纯度为95%的氧气进行氧氢精馏分离从而得到纯度为99.5%的氧气和氩气！经过比较如果直接以纯度为95%的氧气进行精馏分离，需要采用双热泵工艺方案，但受到冷凝器换热温差的限制及氩气中氧含量指标的要求，直接以纯度为95%的氧气进行氧氩精馏分离并不合适，相关内容可以参阅前面提氩的相关帖子。以空分塔按照氮一氩氧进行精馏组织，从空分塔提馏段引出含氩10%的富氩馏分采用以粗氩为循环工质的开式热泵精馏流程实现氧氩精馏分离的工艺方案为有利！另外粗氩精馏塔的提馏段和空分塔氩馏分引出口以下的提馏段完全可以合并，相应粗氩冷凝器也并入空分塔的主冷凝器。这样形式上讲和目前双塔流程的粗氩冷凝塔提氩流程一致，但本质上是完全不一样的！
这样改进适用于所有的空分流程，其好处是可以大幅度降低氩气单耗，提高氩提取率，有利于提高氮气纯度，同时也可以以较低的能耗提高氧气的纯度。

参考文献：

[1]孙全海.氩组分对空分精馏过程的影响[J].深冷技术, 2020, 000(007):P.20-23.

[2]祁广旭,师晓霞.空分设备氩精馏系统的调节[J].低温与特气, 2017, 35(4):3.DOI:10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.007.

第一作者信息：

陈风同，男，1990年5月生，本科学历，毕业于山东大学，2018年12月至今，在阳谷祥光铜业有限公司从事制氧工艺管理工作。