外行学空分（284）一一空气的氧氮氩三元物系精馏工艺方案（三）

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2 v/ i0 n: P9 a, A9 I* X  C% i   氧氮氩三元物系中氩的沸点在氧氮之间。要制取氩气产品至少需要两个精馏塔，氩产品只能在第二个精馏塔中制取，对于制取氩气产品而言，氧氮氩三元物系精馏工艺方案中的第一个精馏塔可以认为是氩组分的富集塔，目的是得到氩含量较高的氩馏分，氩馏分再在第二个精馏塔中进行精馏分离得到氩气产品，一般情况下还需要一个精馏塔对粗氩产品（又称工艺氩气）进行进一步精制得到精氩产品，这样讲虽然是三元物系和多元物系精馏的最基本内容但是很抽象。现在通过对目前实际运用的基于双塔流程的制氩工艺方案（基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案）做一下分析，再进一步叙述基于新单塔流程的制氩工艺方案（基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案）就非常容易理解了。先将基于双塔流程目前实际运用的制氩工艺方案简单叙述如下。
    标准状态干空气50000NM3两段压缩至5.6bar纯化后压力5.5bar，其中42500NM3在主换热器与返流气换热后部分带液进入下塔，下塔底部压力5.4bar，顶部压力5.3bar，塔阻力0.1bar，空气在下塔进行氮一氩氧冷凝精馏分离，在下塔顶部得到19400NM3液氮，在下塔底部得到22600NM3富氧液空（含氧38%-40%，含氩1.9%），其中液氮经与氮气，污氮气在过冷器换热过冷后送至上塔顶部作为回流液，另外从下塔顶部引出压力氮气600NM3去精氩塔底部再沸器（压力氮气冷凝一蒸发器）。富氧液空在过冷器与氮气，污氮气换热过冷后分为两个部分，其中约8000NM3-12000NM3送至上塔精馏段作为回流液，其余10000-14500NM3送至粗氩塔冷凝器作为冷源，富氧液空吸热蒸发气化使粗氩冷凝塔顶部的粗氩气冷凝回注粗氩冷凝塔，从粗氩塔顶部得到约350-420NM3粗氩气（工艺氩气，含氮约4%-10%），进入精氩塔中部进行精馏分离脱氮。粗氩塔冷凝器中蒸发气化的富氧空气在上塔富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处与膨胀制冷空气汇合后进入上塔参与精馏。粗氩冷凝塔底部（即氩馏分引出口处，上塔底部以上25-30块理论塔板数处，含氩10%，含氮0.2%-0.5%的氩馏分从此处引出进入粗氩冷凝塔）的液体返回上塔参与精馏。从空分塔底部引出液氧数量约200NM3，引出气氧9850NM3（含氩0.5%以下）在主换热器复热后作为气氧产品，气氧纯度99.5%（含氩0.5%，含氮微乎其微）。从上塔精馏段引出污氮气（含氧1.7%）约19500立方米在过冷器和主换热器复热至常温后作为纯化器再生一个及空冷塔之用。从上塔顶部引出氮气20000立方米在过冷器与主换热器复热至常温后作为产品氮气。
+ F9 s& A3 }- R5 R# a# r    精氩塔实际上是一个脱氮塔，是近似氩氮精馏塔（实际上是氮一氩氧精馏塔）。在精氩塔底部设置再沸器用来自下塔的压力氮气约600NM3在再沸器中冷凝为液氮，同时使精氩塔底部的精氩液体蒸发气化，约320-400NM3精氩气体从精氩塔底部引出复热至常温后作为精氩产品。其余精氩气体作为精氩塔提馏段回流上升气。液氮节流减压进入设置在精氩塔顶部的蒸发一冷凝器中蒸发气化为氮气，与上塔顶部引出的污氮气汇合后在主换热器回收冷量。液氮的气化吸热使精氩塔顶部的气体（氩氮混合气体）冷凝回注精氩塔作为精氩塔精馏段的回流液。未冷凝的氮氩（正常情况下，氩含量很低，主要是氮气）混合气体称为废气通过废气排放阀排入大气。
8 k' d3 X; i2 j; D" ]; O9 I   这是目前基于双塔流程的制氩工艺方案也是氧氮氩三元物系的精馏分离基本工艺方案，以上只是一般的概述，根据不同的情况及不同的考虑，还可以有一些变化。例如送上塔回流液增加污液氮或液空（内压缩工艺方案时），富氧空气返回上塔的位置，用富氧液空的显热作为精氩塔再沸器的热源，用富氧液空气化潜热作精氩塔冷凝器的冷源等等。
5 D8 p. q) k/ h! e   下面就目前实际运用的基于双塔流程的制氩工艺方案（基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案）作一个简单的分析。
     一，上塔加粗氩冷凝塔实际上是由两个精馏塔组合而成，其中上塔顶部至氩馏分引出口以上是近似氧氮精馏塔一一氮一氩氧精馏塔。上塔顶部至富氧液空入口处是氮一氩氧精馏塔的精馏段，富氧液空入口处至氩馏分引出口处为氮一氩氧精馏塔的提馏段（一般情况下以膨胀制冷空气入口作为氮一氩氧精馏塔精馏段和提馏段的分界点，但由于膨胀制冷空气呈过热状态与富氧空气汇合后进入上塔参与精馏，以富氧液空入口处作为氮一氩氧精馏塔精馏段和提馏段的分界点更为合理，精馏计算也更为方便）。粗氩冷凝塔加上上塔氩馏分引出口以下至上塔底部构成另一个完整的氮氩一氧精馏塔，其中粗氩冷凝塔是氮氩一氧精馏塔的精馏段，上塔氩馏分引出口以下至上塔底部是氮氩一氧精馏塔的提馏段（对于氩馏分引出量以上的氮一氩氧精馏塔而言，其作用相当于再沸器），进入粗氩冷凝塔的氩馏分是氮氩一氧精馏塔的原料气，同时又是氮一氩氧精馏塔高沸点组分的氧氩混合气体的产出及氮一氩氧精馏塔提馏段的回流上升气。所谓的氮阻问题即由两个精馏塔的关系而产生。具体而言就是氩馏分引出量偏大，导致氩馏分中的氮气含量升高！
    二，认识到上塔加粗氩冷凝塔是由氮一氩氧精馏塔和氮氩一氧精馏塔两个精馏塔组合而成对于制氩工艺方案（氧氮氩三元物系精馏工艺方案）的原理，设计，操作都具有极为重要的意义。例如极为头疼的所谓氮阻问题，如果认识到上塔加粗氩冷凝塔是由氮一氩氧精馏塔和氮氩一氧精馏塔组合而成，氩馏分既是氮一氩氧精馏塔的高沸点组分产品及提馏段回流上升气同时又是氮氩一氧精馏塔的原料气，那么氮阻问题发生的原因和处理办法就是一目了然的！氩馏分既是氮一氩氧精馏塔的高沸点组分产品及提馏段回流上升气，又是氮氩一氧精馏塔的精馏原料气，氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量既是氮一氩氧精馏塔高沸点组分引出量又是氮氩氧精馏塔的原料气数量，如果进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量偏大，那么对氮一氩氧精馏塔而言就是高沸点组分产品引出量偏大，必然导致氮一氩氧精馏塔提馏段回流上升气数量减少，回流气液比降低，氩馏分（氮一氩氧精馏塔的高沸点组分产品及氮氩一氧精馏塔的原料气）中的氮气含量升高，从而引发粗氩冷凝塔氮阻问题（粗氩冷凝塔顶部的粗氩气含量大约是氩馏分中的氮气含量的20倍，粗氩冷凝塔顶部的粗氩气中的氮含量升高，冷凝温度下降，其冷凝温度和富氧液空蒸发气化温度之间的温差缩小，粗氩冷凝器换热温差缩小，粗氩冷凝器热负荷下降，粗氩冷凝器冷凝量降低，相应粗氩冷凝塔压力升高压差变小，氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量减少甚至完全不再进入）！进入粗氩塔的氩馏分数量则是粗氩冷凝塔的冷凝量及粗氩气引出量之和，粗氩气即工艺氩气引出量正常情况下是变化幅度很小，而粗氩冷凝器的冷凝量正常情况下则由下塔送粗氩冷凝器的富氧液空数量决定，那么氮阻问题发生原因就在于下塔富氧液空送粗氩冷凝器的数量偏大（相应送上塔精馏段作为回流液的富氧液空数量偏小），导致粗氩冷凝器冷凝量过大，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量偏大，导致氮一氩氧精馏塔提馏段回流气液比下降，氩馏分中的氮含量升高，引发氮阻问题。如果认识以上的原理，氮阻问题处理的办法就是简单而明快，调整富氧液空送上塔及粗氩冷凝器的数量比例，减少下塔富氧液空送粗氩冷凝器的数量，增加富氧液空送上塔精馏段的数量，从而减少进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量（即粗氩冷凝塔负荷），提高氮一氩氧精馏塔提馏段的回流气液比，降低氩馏分中的氮气含量，即可阻止氮阻问题的出现（实际上氮阻问题出现时，粗氩冷凝器负荷己经自动减少，如果下塔送粗氩冷凝器的富氧液空数量不变，则表现为粗氩冷凝器富氧液空侧液位上涨，氩馏分中的氮气含量自动下降，但是如果不改变富氧液空送上塔精馏段和粗氩冷凝器的数量比例，控制粗氩冷凝器负荷。即使粗氩冷凝塔恢复正常后，很快又会再一次发生氮阻现象），极端情况下，甚至花几天时间才能使提氩装置进入正常运行状态，而且在操作中还要时刻担心再次发生氦阻问题。成为空分操作的最大困难。
      三，目前基于双塔流程的提氩工艺方案（氧氮氩三元物系精馏工艺方案），由于精氩塔采用压力氮气作为精氩塔再沸器的热源，其数量为600NM3压力氮气左右，导致送上塔的液氮数量减少600NM3，在大多数情况下，为了保证氧提取率就需要增加进入下塔的空气数量（进入下塔的空气数量增加至空气总量的89%即44500立方米，相应减少膨胀制冷空气数量膨胀制冷量减少，这就导致空分装置冷量无法平衡（实质上是液体平衡），需要相应提高空压机的出口压力（大约在6.6bar以上），以提高膨胀制冷量，实现冷量平衡！也有空气全部进入下塔的情况，如果空气全部进入下塔，当然也就没有所谓的低温膨胀机了，需要空气增压机及所谓高温膨胀机，当然空压机出口压力也就不需要提高至5.6bar以上了。
   四，上塔理论塔板数80-85块，其中氩馏分引出口以下至上塔底部氮氩一氧精馏塔提馏段25块左右，氩馏分引出口至上塔富氧液空入口处20块左右，富氧液空入口处至污氮气引出口20块左右，污氮气引出口至上塔顶部15块左右。具体各段理论塔板数的安排需要根据氮气产品纯度，氮气产品数量，下塔送上塔顶部液氮数量，氧气产品纯度，氧提取率，氩馏分中的氮气含量及氩含量指标进行合理分配。粗氩冷凝塔的理论塔板数在200块左右，从而保证工艺氩气中的氧含量在0.-0.9PPM，精氩产品的氧含量在1PPM以下！
& ^! a( [- ?  J   五，操作的几个问题，关于氮阻问题前面已经做了说明，不再重复，有兴趣可以参阅前面的相关帖子。氮气产品纯度关健在于下塔送上塔的液氮纯度。工艺氩气中的氧含量指标为1PPM，在工艺氩气引出量不变的情况下，增加送粗氩冷凝器的富氧液空数量，加大粗氩冷凝器的冷凝量，从而提高粗氩冷凝塔回流液气比，可以降低工艺氩气中的氧含量，但受到氮阻问题的限制，如果送粗氩冷凝器的富氧液空数量已经无法增加，工艺氩气中氧含量还是无法达到指标，唯一的办法就是减少工艺氩气的引出量。氩馏分中的氩含量由氩馏分引出口以下至上塔底部的理论塔板数，氧气产品纯度，回流气液比决定，一般在6%-12%之间。提高氩馏分引出口以下至上塔底部的回流气液比（例如增加进入下塔空气数量比例，减少氧气产量。），降低氧气产品纯度（提高氧气中的氩含量）都可以提高氩馏分中的氩含量！氩馏分中的氮气（一般控制在0.2%）含量由富氧液空入口处以下至氩馏分引出口之间的理论塔板数，回流气液比，富氧液空的纯度决定。提高富氧液空纯度和控制进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量都可以降低氩馏分中的氮气含量，其中控制氩馏分进入粗氩冷凝塔数量（粗氩冷凝塔负荷）是关健因素。而富氧液空纯度则是次要因素。工艺氩气中氮含量约为氩馏分中的氮气含量的20倍，其含量完全由氩馏分中的氮气含量决定。至于精氩产品纯度（含氮量）在工艺氩气中的氮含量不变的情况下，则完全由进入精氩塔再沸器的压力氮气数量，增加进入精氩塔再沸器压力氮气数量，增加再沸器热负荷，便精氩气化数量增加，从而提高精氩塔提馏段回流气液比就可以降低精氩塔底部精氩产品的的氮含量，提高精氩产品纯度。总而言之，除了氮阻问题外，都是精馏的常规操作，而所谓氮阻问题则由于氮一氩氧精馏塔和氮氩一氧精馏塔之间的相互关系问题。
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如果没有认识到上塔加粗氩冷凝器实际回流是两个精馏塔组合而成，那么关于提氩的工艺方案及氮阻问题发生了原因，基本上就是瞎子摸鱼！