氩系统优化调整120208

氩系统优化调整氩气属于稀有气体，在空气中的含量为0.932%。

由于氩气具有密度大、导热低和化学惰性的特点，在钢铁、半导体、照明、焊接保护等领域得到广泛应用，氩气的最大用户是钢铁工业。

氩气产品的市场价值高，提取难度大，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，根据笔者在气体生产厂多年的工作经验，结合我公司现有的设备，和大家一起分析和探讨。

一、空分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—氩分离，精氩塔中完成氩—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，约含氧2%，还需加氢除氧才能进一步降低氧含量，使含氧量达到PPm级；而在全精馏制氩工艺流程中，由于采用了规整填料塔，分馏塔的精馏效率显著提高，在粗氩塔中就能实现氧的10-6（PPm）级分离，可使工艺氩中的氧含量降达到（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，液空蒸汽及回流夜空返回上塔。

由于氩的蒸发压力曲线介于氧、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，进入的氩在塔的上部冷凝，在下部蒸发，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，氩馏分抽口在氧气抽口以上的填料层的上方，一般为含氩7~10%，含氮量小于0.06%（600PPm）。

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。

氧含量增加，氩富集区上移，氩提取率受影响，反之氩富集区下移，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”，粗氩塔精馏工况遭到破坏的现象、由此可见粗氩塔与主塔精馏工况息息相关，相互制约。

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氩塔阻力及浓度分布，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，换热温差随之增大，不过蒸发侧压力并不能随意而定，还要收到粗氩冷凝器液空蒸汽返回上塔处的压力制约（我们一期的15000机组粗氩冷凝器液空蒸汽回上塔有阀门控制，而二期则没有）。

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，早点横冷凝器负荷下降，不利于粗氩塔中氩-氧分离。

二、氩的提取量（率）计算理论计算和经验告诉我们，在粗氩塔底部氩对氧的挥发度约为1.5，但在多数情况下略小于1.5，氩提取量≤（1－1/挥发度）×氩循环量×氩馏分浓度三、影响氩产量的主要因素从以上公式可以看出氩对氧的挥发度、氩馏分含量、氩馏分中的氩含量是否影响氩提取率的主要因素。

1、氩对氧的挥发度，一般只有降低压力来提高，实际操作中，因为各种阻力的客观存在，几乎不可能提高氩对氧的挥发度。

2、增大氩馏分循环量可以提高氩产量。

但氩馏分气量受氩塔阻力和精馏效率的影响，过大气量会导致氩塔效率降低，严重时可引起液泛。

另一方面以上塔抽出的氩馏分气量越多，则上塔氩馏分抽出口以上段的上升气量就越少，此段回流比增加使得氩馏分中氮含量增加，严重时将引起粗氩塔发生“氮塞”。

3、氩馏分浓度的提高可以提高氩气产量。

在进分馏塔的空气量一定时，适当增加氧气产量，降低氧气纯度，上塔提馏段的富氩区下移，氩馏分的含氩量会增加，氧产量（含液氧）和氩循环量之和过大，则沸点较低的氮组分容易进入氩馏分中，影响粗氩塔和精氩塔的工况。

四、氩产量与冷量的关系空分工况的稳定要求物料和冷量要同时达到平衡。

膨胀机的产冷量（膨胀空气量）一定时，整体的液体产量（不包括中压液氩泵内压缩部分，以为内压缩的氩气是通过板式换热器复热过的，基本不存在冷量的损失）是去除跑冷损失以后的富裕冷量的体现。

因此液氩的产量与膨胀机产冷量、跑冷损失、液氧、液氮的产量相关。

（1）氩系统投入时，时物料和冷量向氩系统投入时的过程，此时随着冷量向氩系统的转移，上塔的冷量常常会不足，有时氧取出量比空气中带入的氧气量还要大，甚至将液氧中的氧取出，体现主冷液位的下降。

随着氩系统负荷的建立，氩循环量的不断增加，阻力不断增加，冷量逐渐达到新的平衡，此时冷量又重新在上塔富裕，也是体现在液氮的取出和主冷液氧液位的增加上。

工艺氩达标后，随着液氩产量的增加，上塔冷量逐渐减少。

（2）环境对冷量有一定的影响，空分装置的冷损失主要是复热不足冷损和冷箱的冷损，复热不足冷损（热端温度）一般较稳定；冷箱冷损随环境的温度变化而变化，季节性变化和昼夜温差冷损的不同也应考虑。

（3）液氧、液氮、液氩三者之间所消耗冷量的关系液氮：液氧：液氩=2：3：4，也就是生产1Nm³氩气的液体消耗的冷量可以生产2Nm³液氮，1.33Nm³液氧。

（4）各种液体产量之间的转化不仅仅是冷量的简单转移，同时也对上塔浓度梯度的分布，各段回流比产生影响。

当产冷量不变时，减少液氮取出量必须将体现在相应的液氧产量的增加（主冷液位的上升），同时污氮中的氧和氩的含量降低，同理，液氩产量的增减也将造成上塔冷量的变化。

（5）最大的氩产量的工况，一般是在液氧、液氮取出量较小时，此时膨胀空气量最小（冷量富裕最少）。

随着膨胀空气量的增加，富裕冷量增加，不利于氩气的提取，同时氧的提取率也会下降，体现在污氮含氧量的上升，同时污氮中带走的氩也相应增加，氩馏分中的氩含量提不上去，如果通过增加氧气取出量来提高氩馏分的氩含量又会导致氩馏分中的含氮量增加。

较大的也液氧、液氮的产量，都对氩气的提取率不利。

（6）进上塔膨胀空气量的影响。

进上塔的膨胀空气，又叫“拉赫曼进气”是利用上塔的精馏潜力将这部分气体分离，当达到设计值后，随着膨胀空气量的增加，将会影响上塔的精馏工况，氩的提取率也随进上塔的膨胀空气量的增加而减少。

五、空分提氩系统的优化操作1、设计参数和技术指标（1）15000Nm³/h产品产量指标：（液氧、液氮同时生产）。

氧气液氧氮气液氮液氩产量m³/h 15000 350 15000 200 540纯度≥99.6% ≥99.6% ≤5ppmO2≤5ppmO2≤2ppmO2 ≤3ppmN2出冷箱压力MPa（G）温度℃0.02/22 0.035/-179 0.008/33 0.03/-193 0.03/-184 （2）23000Nm³/h产品产量指标：（液氧、液氮同时生产）工况Ⅰ（设计考核工况）产品名称产量Nm³/h 纯度出冷箱压力/温度MPa（G）/℃备注氧气23000 99.6%O20.021/24 外压缩液氧500 99.6%O20.17/-179氮气40000（其中25000去水冷塔）≤5ppmO20.013/24液氮250 ≤5ppmO20.2/-193压力氮1000 ≤5ppmO20.45/24 氧透用中压氩气350 ≤2ppmO2≤3ppmN23.0/15 内压缩液氩500 ≤2ppmO2≤3ppmN20.16/-183工况Ⅱ（单膨胀机最大液氧工况）产品名称产量Nm³/h 纯度出冷箱压力/温度MPa（G）/℃备注氧气22500 99.6%O20.021/24 外压缩液氧950 99.6%O20.17/-179氮气40000（其中25000去水冷塔）≤5ppmO20.013/24压力氮1000 ≤5ppmO20.45/24中压氩气350 ≤2ppmO2≤3ppmN23.0/15 内压缩液氩440 ≤2ppmO2≤3ppmN20.16/-183工况Ⅲ（双膨胀机最大液氧工况）产品名称产量Nm³/h 纯度出冷箱压力/温度MPa（G）/℃备注氧气18500 99.6%O20.021/26 外压缩液氧1650 99.6%O20.17/-179氮气30000（其中25000去水冷塔）≤5ppmO20.013/26压力氮1000 ≤5ppmO20.45/26液氩720 ≤2ppmO2≤3ppmN20.16/-183工况Ⅳ（双膨胀机最大液氮工况）产品名称产量Nm³/h 纯度出冷箱压力/温度MPa（G）/℃备注氧气20100 99.6%O20.021/26 外压缩液氧200 99.6%O20.17/-179氮气30000（其中25000去水冷塔）≤5ppmO20.013/26液氮1650 ≤5ppmO20.2/-193压力氮1000 ≤5ppmO20.45/26液氩650 ≤2ppmO2≤3ppmN20.16/-183（3）注：Nm³/h为0.1013NIPa（A）、0℃下的体积流量（以下同）2、操作实践（1）日常稳定运行调整空分主塔的稳定是氩塔工况正常的前提条件，余次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。

由于大部分的氩损失在排放发的污氮气中，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大的跑冷损失、复热不足损失的前提下尽可能减少去上塔的膨胀空气量，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（氩馏分抽出口处的温度降低），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。

工况的调整：a.氩系统的调整原则：以稳为主，稳中求变，稳中提高，精调细调。

b.确定合适的膨胀空气量和进上塔的膨胀空气量，膨胀空气量的确定根据跑冷损失的和液体的产量适当调整，原则上膨胀空气量是保证液氩最大取出量和少量的压氧、液氮量的最少量。

进上塔的膨胀空气量一期控制在8000~9000m³/h，二期目前可控制在10000m³/h左右，视上塔的精馏潜力和对氩系统的影响再细调。

c.污氮气中的氧浓度的控制，实践操作中一期制氧应小于1%，二期可控制在0.5%左右。