外行学空分（216）一一关于提氩的几个问题（五）

Yb2021

" F$ u6 q' b- a
# t6 v, Z" o# w: \' N    粗氩冷凝塔和下塔一样，本质上是一个冷凝器的升级版，粗氩冷凝塔由增效塔（其实是一个冷凝器）通过增加塔板填料升级而来。
  u: _) L9 R+ B; N   冷凝塔是一个比精馏塔更基本的单元（一个完整的精馏塔由精馏冷凝段和蒸馏提馏段组合而形成），无论是设计还是操作难度道理上应该大大低于精馏塔，下塔的设计考虑的因素只有理论塔板数，回流液气比，氮气产品纯度，下塔的压力和进入下塔的压力空气带液量（会影响下塔上升气中的氧含量，从而影响下塔富氧液空中的氧含量）及不凝气体（氦和氖）的排放，下塔的操作其实只有以下的几个问题，一是不凝气体的排放量，二是液氮纯度的控制，三是富氧液空中的氧含量的控制。四是下塔压力的控制从操作角度而言，不凝气体的排放一般采用定量排放，只要排放量合适（略大一些也无伤大雅！）不造成不凝气体的累积就可以了！至于氮气的纯度和富氧液空中的氧含量，唯一的操作手段就是送上塔和下塔回流液氮数量的分配，送上塔液氮比例增加，则液氮纯度下降，富氧液空中的氧含量升高，反之则液氮纯度升高，富氧液空中的氧含量下降！至于下塔的压力，如果不存在不凝气体的累积，则下塔的压力完全决定于上塔氧气产品纯度，上塔压力及液氧液面静压及主冷凝器的液位情况（还有主冷凝器的换热面积和结构，但这是固定不变的）这些都是常规冷凝器操作。
   按照道理粗氩冷凝塔和下塔一样在设计和操作上不应该有任何困难，但事实上并不是如此。粗氩冷凝塔和高纯度氧氮气产品一样成为了深冷空分的两大难题！高纯氧氮气产品的难题通过多热泵精馏技术的运用可以得到解决！那么粗氩冷凝塔的设计操作的困难又是什么原因造成的呢？又应该通过什么方法来解决呢？
   前帖已经分析过了从精馏角度而言，富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔极不合理！而粗氩冷凝塔设计操作最大的困难在于氩馏分中的氮氩含量波动大（波动大在设计上必然造成工艺计算误差大无法确定，这是一体两面的问题），而这两个问题都是由于富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔引起的。其实只要稍加思考就会明白，富氧空气中的氮气含量60%，氧气含量38%-40%，氩含量只有1.8%左右，而氩馏分中的氮气含量在0.5%以下，氩含量6%-12%，两者之间仅相差一块理论塔板数即使不考虑气液乱流造成的问题，纯粹从精馏角度而言，氩馏分引出口以上仅一块理论塔板数处存在富氧空气返回上塔（上升气数量和富氧空气数量几乎是一比一）这样一个巨大的扰动因素，氩馏分中的氮氩含量又如何稳定？这个根子不解决，粗氩冷凝塔的设计和操作当然存在很大的困难。
# O. m+ \2 ]& l   粗氩冷凝塔和古典单塔制氮流程一样都是部分冷凝精馏分离工艺方案，但和古典单塔制氮流程不同的是古典单塔制氮流程的原料气是空气，空气的组成是不变的（其实因进入下塔压力空气中的带液量不同而有所变化，但变化幅度不大），而粗氩冷凝塔的原料气是氩馏分气体，其数量和组成都是变化的，这就是难点所在，粗氩冷凝塔的操作最重要的问题是如何稳定进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量和组成。
0 n% ]8 k5 C: d* M8 n9 V    我们现在知道了所谓的氮阻问题及粗氩冷凝塔操作困难问题很大的一个原因是由于粗氩冷凝塔冷凝器富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔而引起，那么在装置已经固定难以改变的情况，又该如何在操作上改进，以尽量避免出现氮阻问题呢？还是有一些办法的。
! R( C- J5 O$ W- a9 ?+ p" N' v   粗氩冷凝塔的氮阻问题是一个非稳态的过程，从正常运行到出现氮阻问题粗氩冷凝塔不可操作，需要经历一个变化过程，而且这个过程中一定存在一个正反馈的机制才会发生。只要找出这个正反馈机制，及早调整斩断这个正反馈机制，就可以大幅度减少出现氮阻问题的概率，实现粗氩冷凝塔的正常操作。如果仅仅从稳定上下塔工况出发，虽然也是非常重要，但却是不够的。因为不稳定是常态而稳定则是非常态！真正的问题在于出现不稳定变化后，粗氩冷凝塔的响应是收敛的还是发散的，是正反馈主导还是负反馈主导，这就是所谓的系统响应特性问题，而响应特性是可以干预的。
3 T- h, b. Q( `  q6 Z( N  R2 `    从现象上说，所谓的氮阻问题，其原因在氩馏分中的氮气含量升高，导致工艺氩气中的氮气含量升高，粗氩冷凝器的换热温差缩小，粗氩冷凝塔的冷凝器的热负荷冷凝量下降甚至完全不冷凝不带负荷，氩馏分无法进入粗氩冷凝塔。其实在出现氮阻问题之前，一定经历了一个非稳态的变化过程。
5 Z6 {8 e/ d$ O/ m( e: o/ r$ k   现在粗氩冷凝塔正常操作时，一且发生氩馏分引出量和富氧空气返回量的增加的趋势，势必导致氩馏分中的氮气含量进一步升高，这其实就是一个不收敛的正反馈机制了，如果任由自然发展下去则氮阻问题出现就不可避免了！阻止氮阻问题的关健就在于斩断这个正反馈机制。在操作上其实也简单，如果氩馏分有氮含量指示，当氮含量升高时，应减少加入粗氩冷凝器的富氧液空数量及工艺氩气的引出量，以保证进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量保持不变，让氩馏分中的氮含量逐步恢复正常，再根据情况逐步增加工艺氩引出量。如果氩馏分中的氮含量没有指示，那么只能通过工艺氩气中的氧含量及粗氩冷凝塔冷凝器的热负荷及冷凝量，粗氩冷凝塔压差变化判断氩馏分中的氮含量是否上升（实际上氩馏分中的氮气含量升高，最敏感的变化出现在精氩塔，因为工艺氩气中的氮含量大约是氩馏分中的氮含量的20倍，氩馏分中的氮含量小幅度变化，就会引起精氩塔工况的大变化）。
    或者更直接地说法是，所谓稳定上下塔（空分塔）操作的核心是稳定富氧液空送上塔和粗氩冷凝塔的数量分配关系，从而稳定氩馏分的组分和进入粗氩冷凝塔氩馏分的数量！其次粗氩冷凝塔操作应该以粗氩冷凝塔的压差（其实就进入粗氩冷凝塔氩馏分数量的测点参数）为核心，以工艺氩气引出量及粗氩冷凝器冷凝量为调节手段应对氩馏分中的氮含量的波动！从而斩断正反馈机制，稳定粗氩冷凝塔操作！