氩系统的优化操作及挖潜改进

空分提氩系统的优化操作与挖潜改进
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氩在空气中的体积含量为0．932％，为五种稀有气体之一。除了用于焊接外，氩还广泛用于炼钢业、灯泡业、电子工业等。由于氩市场需求很大，而且利润高，故各气体生产单位对空分提氩系统的优化操作及提氩空分装置的挖潜改进都相当重视。本文以提高氩经济效益为目标，根据作者在气体生产厂的工作经验，对此问题作定性分析和探讨。
* x& U3 J+ n4 Z& z5 y3 V1 空分提氩系统工作原理
利用低温精馏从空气中提取氩产品的工艺流程 可分为两种类型，分别是传统 制氩和全精馏制氩。这两种制氩方式的原理基本相 同，都是在粗氩塔中完成氧一氩分离，精氩塔中完 成氩一氮分离。所不同的是在传统制氩工艺流程中，粗氩塔只能实现氧的百分量分离(2％)，还需 加氢除氧才能进一步降低氧含量；而在全精馏制氩 工艺流程中，由于采用了规整填料，在粗氩塔中就 能实现氧的×10-6(ppm)级分离，可使氧含量降至(1~2)×10-6。
无论传统制氩还是全精馏制氩，塔中精馏工况的建立都是相同的。粗氩塔的原料气来自上塔的氩馏分，粗氩塔的回流液返回上塔，来自下塔的液空为粗氩冷凝器提供冷源，液空蒸汽及回流液空返回上塔。由于氩的蒸汽压力曲线介于氧、氮之间，故它在精馏塔中的工作特性也介于氧、氮之间。进入空分下塔的所有氩随液空和污液氮流出，其中大部分随液空流出。在空分上塔中，进入的氩在上部塔板冷凝，在下部塔板蒸发，故在上塔中部形成氩富集区。从底部开始浓度增加，达到最大值后再下降。粗氩塔的进料就来自于上塔氩富集区。由于上塔氩馏分抽口位置已定，故上塔精馏工况的改变将造成氩富集区的移动，导致氩馏分组分的变化。氩富集区上移，氧含量过高，氩提取率受影响；氩富集区下移，氮含量过高，将影响粗氩冷凝器的换热工况，严重时将出现“氮塞”、粗氩塔精馏工况破坏的现象。由此可见粗氩塔与主塔精馏工况息息相关，相互制约(由于精氩塔与其他塔系的耦合性不强，且操作较简单，故本文对此部分不作作探讨)。
. e- F# c2 }9 e+ x/ }* B粗氩冷凝器是粗氩塔的关键设备，冷凝器中液空与上升粗氩间的传热工况直接影响到塔是阻力及浓度分布，对氩产品的产量、纯度、氩提取率产生很大影响。粗氩塔冷凝器换热工况的影响因素，主要有冷凝器蒸发侧压力、液空组分含量和冷凝器液空液位高度。在液空组分一定的前提下，随着蒸发侧压力的降低，蒸发温度将降低，换热温着随之增大，不过蒸发侧压力并不能随意而定，还要受到粗氩冷凝器液空蒸汽返回上塔处的压力制约。若蒸发压力保持一定，随着液空氧含量的增多，蒸发温度提高，冷凝器换热温差相应减小。冷凝器中液空液位高度对浴式换热器换热工况的影响为：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。随着液空液位的增高，液空的循环倍率增加，粗氩冷凝器热负荷随之提高。但过高的液位，反而会因蒸发侧底部液空蒸发温度升高，使冷凝器的平均换热温差减小，造成冷凝器负荷下降，不利于粗氩塔中氩一氧分离。
2 空 分提氩系统的优化操作
# z  u$ z+ L3 t5 U( H+ e; v2. 1 隐态运行
空分主塔的稳定是氩塔工况正常的前提条件，与此同时粗氩塔精馏工况的好坏也将影响到主塔的稳定。在对氩系统进行调节时(本文主要指粗氩的调节) 必须同时调节空分主塔和粗氩塔，才能获得尽可能 高的氩提取率。
- }% w% P$ k5 l5 m$ t由 于大部分的氩损失在排放的污氮气中，故首先要使随污氮气排走的氩尽可能降至最小。即在减少装置的跑冷损失、复热不足损失的前提下，尽可能减少 去上塔的膨胀空气量，调节污液氮去上塔的回流量 ，使污氮气中的氧浓度降至最小。在做此调节中， 必须保持上塔主冷蒸发侧的氧浓度不变。因为氧浓度增加将导致氩馏分中氧浓度增加，影响氩提取率 ；氧浓度减少将导致氩馏分中氮含量增高，使粗氩 塔顶部氮含量增大，冷凝器换热工况变差，回流液 减少，精馏工况变差。
此 外，可通过下述方式对粗氩冷凝器换热工况进行调节，建立粗氩塔最佳精馏工况：
; N. ]: {& Y+ Z; x) [1 b* ](1 )通过适当降低液空纯度、合理选择粗氩冷凝器液空恒流量，以调节冷凝器蒸发侧液空氧含量来增大 传热温差；
# m; ^9 g$ y0 s(2 )合理选择液空液位；
  [% U) \4 V  m. D! |" z( L$ N9 |(3 )合理设定回上塔的液空蒸汽流量及粗氩抽取量, 以确定粗氩塔中适宜的回流比。
( N* Y+ \+ J: N  m  ]% \2. 2 缩短空分氩系统冷开车时间
" c) N8 }1 ?8 n, r/ K& e当 空分停车时，集聚到粗氩塔釜中液体的氩浓度介于运行时塔顶与塔底氩浓度之间，在冷开车恢复氩塔精馏工况时，若将此部分液体排放掉，将造 成氩的损失，若过早将其送往空分上塔，则将影响 主塔氧浓度的分布，反而会延长氩正常精馏工况的建立时间。应利用粗氩塔粗氩泵将塔釜液体回流至 粗氩塔，同时根据塔中换热工况、精馏工况的变化 逐步增加送往上塔的液体回流量，避免空分主冷氧 产品浓度被破坏。
$ d, j9 I$ Y# |9 U! p5 W  u在空分装置冷开车初期，主塔正常氧浓度梯度尚未建立时，不宜过早投入粗氩塔。因此时氩馏分 氮含量高，粗氩塔冷凝器换热工况无法建立，且过 多的氮进入粗氩塔，将会影响粗氩塔的氩浓度分 布，延长粗氩塔中正常氩浓度梯度建立时间。故一般在上塔主冷侧氧浓度趋于正常时开始投入粗氩 塔。开始时开大粗氩塔粗氩排气阀进行排氮，开启 冷凝器液空蒸汽去上塔的回流阀，等粗氩塔内氮含 量趋于正常，粗氩冷凝器建立正常温差，再逐渐开大液空蒸汽回流阀，使氩馏分流量增至正常值。在 此期间，粗氩排气阀的开度应根据氩馏分及一级粗 氩塔顶或粗氩塔(只有一个塔)中部的氧含量做相 应调整，在不出现“氮塞”情况影响冷凝器正常工 作的前提下应尽量关小，以加速粗氩塔中氩浓度的分布过程。
- {' o8 {/ R5 S2 r! F" ?当粗氩塔氧一氩分离快接近正常时，再次开大排放阀，并使粗氩排放量增至正常值。粗氩塔启动 过程中可将氩馏分氧含量调至高于正常工况下氩馏 分的氧含量，以尽快建立冷凝器换热工况。在粗氩 塔投入过程中需要监控冷凝器及粗氩塔液位的平稳变化、粗氩塔中阻力变化，并要确保主塔各塔段回 流比不发生较大的波动，确保氩塔投放过程中主塔 工况的稳定。当粗氩塔建立正常精馏工况后，将氩 馏分组分含量调整至正常值。
% Q' }5 e/ ^  r7 o. h( D8 |. I2．3 减少变负荷对氩生产的影响
为保证氩系统稳定生产，主塔的变工况调整将受到制约。因为一旦主塔工况波动较大，氩馏分组 分含量将随之改变，粗氩塔中精馏工况将受影响。 故在变负荷中，应适当提高氩馏分氧含量，并合理 设置负荷变化梯度，待变负荷结束后，再将氩馏分含量恢复为正常值。
3 挖潜改进，提高氩产量
" }+ f+ n" h+ q3 y( L& c* ]  u3．1 粗氩产量的提高
* U: r5 ~! \- Z8 ~0 j  L. P# V适当提高粗氩塔冷凝器热负荷，以增加氩馏分量，同时提高粗氩产量。在做此调整时需同时对空 分主塔进行适当调整：在保证氧、氮产品要求的前提下，保持氩馏分的稳定，同时尽可能提高污氮纯 度，减少氩损失，提高氩提取率。
3．2 回收放空氩气，减少氩损失
$ v4 i  {1 S' h( ~7 T5 ]5 g3．2．1 回收槽车充装中氩的排放气
  O5 ~( E" z6 g% ^& E, X* b5 v1 B6 l% V由于吸收环境、充装软管、槽车内的热量导致部分液氩汽化，槽车在充装中要放空卸压。为减少 氩充装放空损失，可适当提高充装压力，以提高输 送液氩的过冷度，同时回收放空的氩气。由于槽车 充装的不连续性，为避免对氩生产产生波动影响，此部分的放空气不送回氩精馏系统，可通过增建氩 气充瓶设备，进行瓶氩的充装。
3．2．2 收低压液氩贮槽的放空损失
( _/ r4 U5 x1 U9 z- e8 J) ?由于液氩贮槽的日蒸发率相对稳定，可将此部分放空氩气返回到氩精馏系统(可返回到精氩塔 中)参与精馏。或设置氩换热器，利用压力液氮将 氩液化回收，用此法回收氩时要控制好液氮的压 力，避免氩不能液化或固化现象的发生。
3．2．3 收液氩汽化冷量(供管网用氩)(需考虑 管网用氩量)
: [. R/ l& s* x- J/ G9 [1 s若输送管网压力下氩的沸点低于压力气氧在其管网压力下的液化温度，便可利用液氩泵后液氩冷 量将压力气氧液化，可作为在气氧用量减少时减少 氧气放散率的调控手段之一。若已有气氧液化装 置，也可利用此部分冷量来减少气氧液化装置的制冷量，降低气氧液化装置的制冷能耗，同时也可减 少液氩汽化至常温的蒸汽消耗。
3．2．4 其他：确保真空度与绝热层厚度
, d! q1 c/ f( O9 E为减少槽车、液氩贮槽的汽化损失，应确保槽车、液氩贮槽的真空度。此外液氩的输送管道绝热 层的包裹厚度也应按照最佳厚度实施等。

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