粗氩塔氩固化的原因、危害及解决办法

李杰春

粗氩塔氩固化的原因、危害及解决办法

孙恩威 鞍山钢铁集团氧气厂，辽宁省鞍山市，114021

【摘要】文章详细介绍了鞍钢2#35000m3／h空分设备所配粗氩塔的工作原理，分析了主空压机跳闸后粗氩塔上部冷凝蒸发器氩被固化冻结的原因、危害；在理论分析的基础上，提出了提高上部冷凝蒸发器液空压力 (建议压力为80~90kPa)来解决氩固化的方法；最后讨论了正常生产情况下粗氩塔出现固化现象的可能。图l。
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关键词：粗氩塔 氩固化 冷凝蒸发器 原因 危害 处理
    2#35000m3／h空分设备是鞍钢氧气厂1991年引进美国APCI公司的产品，为分子筛增压膨胀流程，环流筛板塔，并带生产1050m3／h氩提取设备。1992年9月投产，运行基本稳定。
    1999年11月27日11：40左右，因电网故障引起35000m3／h空分设备主空压机跳闸，13：20重新启动空分设备后，主塔和粗氩塔工作不正常，到19：00主塔氧气纯度只有78％，液氧纯度只有94％，氩馏分量只有4400m3／h(正常时约40000m3／h)，纯氮纯度只有99％左右。正常跳闸后，再启动只需2-3小时氧气纯度就可达99．5％左右，只要1~2小时氮纯度就可达到设计值，16小时左右粗氩纯度就可正常(含氩96％~97％、含氧2％~3％)，粗氩塔就可正常投入并生产出合格的精氩。然而，这次跳闸后直到11月28日7：30，主塔才调节正常，氧纯度99．5％，氮纯度99％以上，恢复正常送氧送氮，到21：00左右才恢复精氩的正常生产。
    这次启动，氧气比以前晚送了约17小时；氮气纯度直到11月28日9：00才达到合格，比正常时晚送了约18小时；氩气晚送了至少16小时。这样，使贮存的液氧、液氮、液氩几乎用光。
    这次故障损失巨大，光电费就多花10多万元。如果再不恢复正常，液氧、液氮、液氩将全部用光，损失将更大。
1 粗氩塔工作原理
    35000m3／h空分设备的空分塔，原设计粗氩塔与主塔为一个整体，粗氩塔正常工作后，主塔才能正常工作；反之，主塔氧气纯度不合格又影响粗氩塔不能生产出合格的粗氩。而有些对氩提取率要求不高的后配氩塔的空分塔就不存在这样的问题，粗氩塔投不投产对主塔影响不大，主塔照样生产。
    而美国APCI公司生产的2#35000m3／h空分设备就不行，主要原因在于设计的氩提取率很高，已接近上限值。如此大的工况差异，必须从物料平衡和冷量平衡统筹考虑来决定上塔的结构设计。粗氩塔流程见图1。

    从上塔下数第35块塔板上抽取含氩8％~10％、含氮少于0．06％(体积)、总量为粗氩产量约35~40倍的氩馏分进入粗氩塔(约38600~44500m3几)进行精馏，在塔顶获得约1100m3／h粗氩(含氩≥97％、含氧≤1．5％、含氮≤1．5％)送氩净化间进行净化处理。塔顶其它气体在粗氩冷凝器中被液化，并回流到主塔第35块塔板。
    而粗氩塔是由精馏塔和冷凝器两部分组成，冷 凝器的工作压力正常时一般控制在60kPa(表压) 左右，此时打人上部冷凝器的液空经过冷节流降压 后，液体约含氧64％、含氮36％，气相含氮67．5％， 此时温度为tl=87．93K。粗氩冷凝侧温度约为 89．93K，此时含氩约为97．5％、含氧2％、含氮 0．5％、压力约为0．11～0．1MPa(绝压)，冷凝温差约 为2℃。在这里粗氩被冷凝，液空被蒸发，约为粗 氩量45-50倍的液空经LV-57阀打人粗氩上部冷 凝器。为防止碳氢化合物积聚，约10％的液空直 接流到主塔第63块塔板上，而蒸发了的液空蒸汽 (量为44500~55000m3／h)也进入到主塔第63块塔 板上，参加精馏。
    从上面的流程我们可以看出，主塔从35块塔 板(馏分抽出口)到第63块塔板(粗氩冷凝器蒸 发的液空进入处)这28块塔板之间，在粗氩塔正 常工作时，上升蒸汽量减少了约38600~44500m3／ h。在设计主塔时考虑了此点。而第63块塔板上升 蒸汽量由于粗氩塔冷凝蒸发器蒸发的液空蒸汽进入 而增多，设计主塔时也考虑了，因此粗氩塔必须正 常工作，主塔才能正常工作；主塔氧气纯度反过来 对粗氩塔也会产生一定的影响，当氧气量取出比较 多时，氧气纯度上升就慢，粗氩塔氩纯度上升得也 就慢，因此粗氩塔与主塔要配合调节。
2 粗氩塔氩被固化冻结的原因
    主空压机跳闸停机，自然而然就使上塔压力降 到零左右(表压)，而粗氩塔上部冷凝器压力也降 为零(表压)。如果考虑粗氩冷凝器中液空含氧仍 为64％、含氮36％，此时冷凝器液空温度下降到 82．68K，而粗氩塔冷凝器氩侧液氩全部回流到塔板 上造成粗氩塔上部的氩纯度比较高，塔板的溢流斗 里也要存有大量纯度较高的液体氩。气氩纯度高于 液氩纯度，在0．1MPa(1个绝对大气压下)氩的固 化温度为84．1K(氩固化时压力对其影响较小，因 此压力对温度的影响忽略不计)。而上部冷凝器液 空温度为82．68K，比氩固化温度低1．42K，因此在 粗氩塔冷凝蒸发器氩侧，氩被固化。时间越长结得 越厚；冷凝器里液空越多，冷量越多，固化也就越 厉害。氩的固化潜热为26．5J／kg，只需很少冷量就 可使很多氩固化。因此理论上在跳闸状态下，氩在 粗氩塔冷凝蒸发器里固化结霜是完全可能的。
3 粗氩塔冷凝器氩固化的危害
    粗氩塔冷凝器氩固化后影响传热，使蒸发冷凝 不能正常运行，氩馏分量上不来。从13：20启动空 分设备到19：40，氩馏分量才达4400m3／ h。那么从 主塔第35块到第63块塔板的上升蒸汽量就要比正 常生产时多37000～40100m3／ h，第63块塔板上的 回流液空要多40000~51000m3／ h左右。冷凝器里 因氩固化造成冷凝蒸发量大大减少，使第35~63 块塔板之间的上升蒸汽量比正常时增加了37000~40lOOm3／ h，而回流液空量也比正常时多了40000～51000m3／ h，造成这段塔板液体被滞留，气体上升 困难，液体下流也困难，即这段塔板产生了液悬。 氧、氮、氩纯度上不来，正常精馏工况被彻底破坏。
    从理论上讲，跳闸后的再启动，粗氩塔上部冷 凝器压力最低为40kPa，此时对应的温度为86．5K， 也比氩的固化温度84．1K高2．4K，固化氩也应该 熔化。而氩的熔化热仅26．5J／kg，固化氩应该很快 被熔化。然而正是由于熔化潜热小，靠传热壁面的 部分固化氩开始熔化，而稍远点的固化氩仍然是固 态，形成大面积脱落现象。这种有少量液体和大量 固态氩的混合物是很粘的，大量的一起脱落下来， 堵塞了回流液氩管道，造成冷凝器里液体满灌，而 不能使冷凝蒸发器换热。而回流液氩管道堵塞又很 难处理，即不能加热又无大量热源使固化氩很快熔 化，因此恢复得比较慢。有的空分设备，粗氩纯度 恢复到正常就用了约48小时。
4 粗氩塔氩固化的处理
    氩固化后主要是堵塞液氩回流管道，使此回流 管道加热不了，而固化的氩只能靠金属铝的热传导 慢慢熔化，而氩固化时又是霜状，液氩多少有些渗 透作用，适当提高液氩温度对固化氩的熔化有利。 因为氩液化是由液空作冷源，适当提高液空温 度，整个粗氩冷凝器温度就可提高，再靠金属传 导，可逐渐熔化固化氩。另外还得让氩液化，提高 氩的液化温度靠液氩的渗透作用逐渐熔化固化氩。 这样靠金属传导与渗透的双重作用消除固化堵塞会 更快些。提高氩的液化温度用提高氩侧压力的方法 最有效，压力只要提高20kPa，液化氩的温度就可 提高约1．5K。而在液悬状态下，上塔压力高达80 多kPa(表压)，因而液化氩的温度也就增高，液 空温度提高，液氩温度就会提高。
    提高温度但又要使氩液化，那么温度控制多少 为好。上部冷凝器无温度指示，但有压力指示，我 们知道液空的温度与压力为对应关系，在粗氩冷凝 器中液空含氧为64％、含氮36％，平衡状态下气 态含氧32．5％、含氮67．5％，查表得温度与压力(绝压)关系如下：
    Pl=0．2MPa  Tl=89．91K
    P2=0．18MPa T2=88．73K
    P3=0．16MPa T3=87．93K
    P4=0．14MPa T4=86．5K
    P5=0．1lMPa T5=82．68K
    而压力0．1lMPa(表压)下，氩含量为95．6％ 时，氩液化温度为87．885K；氩含量为97．5％时， 氩液化温度为87．8875K。可看出氩纯度对液化温 度影响较小，而纯度仍97．5％时，氩压力0．12MPa (表压)下氩液化温度为88．79K，可看出压力对氩 液化温度影响较大。氩固化温度84．1K，压力对氩 固化影响较小。
    粗氩固化造成上塔液悬，上塔压力会很高，可 达80kPa(表压)左右，氩液化温度也会提高很多。 从上面分析可以看出，粗氩塔上部冷凝器压力 控制在80kPa(表压)左右为好，氩照样可液化， 并且液化后液氩温度也较高，液空温度比40kPa (表压)对应的88．73K提高了约3．2K，如果将液 空压力提高到100kPa(表压)，液空对应温度为 89．91K，一般设计考虑液化温度为88．6K，造成氩 不能液化，那么氩渗透的熔化作用就不存在了，反 而延长了恢复正常的时间。
    因此建议粗氩塔出现固化现象后，上部冷凝器 液空压力控制在80~90kPa(表压)，一般30~ 60 分钟就可恢复正常。随着固化氩的熔化，冷凝蒸发 量逐渐增大，冷凝蒸发器压力也逐渐增高，因此要 随时调整FV-55阀门的开度，以控制冷凝器压力在 80kPa(表压)左右。随着氩馏分量的逐步增加， 粗氩塔工作也逐步恢复到正常，此时冷凝器压力也 要逐步恢复到正常的60kPa(表压)左右，并控制 在此压力下工作。
    在粗氩塔出现氩固化时，上塔发生液悬，上塔 压力增高时可能出现污氮口带液现象，液空会发生 过冷，节流降压后也可能出现温度过低而使氩固 化。这种情况一般是在跳闸停车后，氩已经发生固 化，再开车时容易出现。此时粗氩冷凝器里液空温 度过低，氩继续有被凝固的可能，这样就延长了工 况恢复的时间。
5 正常生产中粗氩塔出现氩固化的可能性
    在正常空分生产中一般不会出现氩固化现象。2#35000m3／h空分设备正常生产时，过冷器里过冷 的液空最低温度也只能在93K，因液空过冷段在氮 的出口，冷量已经被液氮吸收一部分。然而液空中 的氮含量对温度影响比较大，液空中含氮量较大 时，液空节流降压到40kPa(表压)，也有可能造成粗氩塔上部冷凝器液空温度降到84K以下，使之氩固化。如果下塔到上塔的液氮阀开得过小，液空中的氮含量过多，粗氩冷凝器压力又控制太低，低于40kPa（表压）时，也可能出现冷凝器氩固化 的现象。但2#35000m3／h空分设备液空含氧不分 析，当阀门自动调节失灵，液空含氮增高，而粗氩 冷凝器压力较低时，也可能会出现氩固化的现象。 这台设备在正常生产中还没有出现过氩固化的故 障，而本厂10000m3／h的空分设备在正常生产中就 发生过粗氩塔氩固化的故障。
    以上看法是笔者多年工作经验的总结及《深冷 手册》上的数据计算的结论与推理，供同行及有关 人员参考。

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感谢分享 {:soso_e179:}

变天了

不错，学习了。

nickcage

版主就是版主，提供的东东果然不错，分享了！感谢

1005824263

处理多的还是精氩塔，粗氩塔氩固化倒是没处理过，谢谢分享。

xxs41326181

好资料啊，在其他地方看一样的东西还要收钱。

zhlx1125_-1125

多谢指教。。。。。。。。赞一个。。。。。。。。

霸王枪

好东西 学习学习

xhd2161347

谢谢分享谢谢分享谢谢分享

微笑在我心

谢谢分享，学习了。