氩产量不达标的原因分析及调整方法

1、技术论谈篇氩产量不达标的原因分析及调整方法田现德沈荣(莱钢集团天元气体有限公司,山东省莱芜市钢城区棋山大街271126摘要:针对杭氧21000m3,h空分设备,投产以来氩产量偏低这一事实,利用实际运行工况与设计工况的对比,分 析指出了造成氩产量偏低的主要原因,并找出调整解决的方法,取得了较好的效果。关键词:氩气原因分析调整方法1问题的提出莱芜天元气体有限公司拥有四套杭氧产的KDON一21000/22000型空分装置(7、8、9、 10,采用目前先进的全低压分子筛常温吸附、增压透平膨胀机、规整填料上塔以及全精馏制 氩、部分产品氩内压缩的流程。其主要产品的设计产量见下表1。表1空分装置设计产量产品

2、 产量(设计工况 产量(期待工况 纯度 出冷箱压力 氧气 21000m3/h 22550m3/h 99.6%020.014M昀G 液氧 碰胁m3/h 230m3/h 99.7%02O.16MnLG 氮气 2妣3/h 2203(hna/h lOppm(h 0.008MPalG 液氮 300m3/h O 10pgn020.35MP丑lG 液氩 550m3/h 6(0I一,h 2弭如3ppmN2O.25MPalG 氩气 2cOrn3/h 200mj/h 2ppm023ppmN22.5MPaG这四台制氧机分别投入运行以后,在加工空气量最大,且工况稳定时氩的最大产量为 600m3/h,此时氩的提取率不足

3、60%。而在一般情况下,产量仅为500。600m3/h,距氩提取率 75%的设计指标有很大差距,影响了公司的经济效益。2对运行工况的分析(1制氩系统流程简介从上塔的中下部抽出约24670m3/h,含氩710%,含氮量小于O.06%的氩馏份,经粗氩塔初 步精馏制得含氧小于2ppm的工艺氩,再进入精氩塔中,精馏除去其中的氮组份,使含氮量小于 3ppm,得到产品液氩。大部分液氩进入贮槽贮存外,小部分经中压液氩泵加压2.5MPa,在换热 器中汽化回收冷量后送入用户管网。流程简图如图1所示。(2以9制氧机的运行工况与设计工况进行对比分析:为方便比较,使用稳定运行状态下,加工空气量、氧、氮产品产量均为(或

4、接近设计值时的 实际运行参数,见表2所列。81中国.x-,_lk气体x-._Ik协会第十九次会员代表大会暨二00九年年会图1空分流程简图表2空分装置实际运行参数捧菔氩馏分 液氩产品 氧产品 氮气流量 浓度%Ar 流量 纯度m 流量 纯度%02流量 纯度ppmO 设计工况力姗 71l 75022100099.622O lO 运行工况 256805.07.0539l32143099.8523560215注:表中的流量单位为矗,h,液体的流量为折合气体的流量。由表中的参数对比可知,实际运行工况中的氩馏份浓度远低于设计值,氧产品纯度则高于设计值,正是氩馏份浓度过低制约了氩产量的提高。(3氩馏份浓度与氩

5、产量关系的分析如图2示,设氩馏份的流量为V,氩馏分中氩含量YA;塔底回流液流量为L,氩含量XA;产品液氩流量为D,氩含量XD。则很明显有以下两个物料平衡方程式:V=D+L (1VYA=DXD+LX(2设:氩含量为Y的氩馏份气体在穿过第一块理论塔板后浓度变为Y1,由于在粗氩塔内,氩相对于氧来说是易挥发组份,很明显Y1Y。根据理论塔板的概念,离开某块理论塔板的汽液相之间应该成相平衡,故氩含量为Y1的氧、氩混合气 82 图2粗氩塔示意图器技术论谈篇体,应当与粗氩塔底的回流液体(氩含量为x之间成相平衡。如果粗氩塔底氩对氧的相对挥 发度为如,则根据相对挥发度的定义,有:巧=惫.(31一X由(3可得:Vl

6、XA 5i可翻(4由于YAYAl,则将Y替换式(4右边分式中的Y1后,右边分式应当减小(分子减小而分 母增大,则分式必定减小或不变。这样就得到以下不等式:Y专V。Y(5因氩产品纯度xD一1,结合式(1、(2和(5就很容易解出氩产量D与相对挥发度、氩馏 分气体流量V及氩馏分浓度Y。三者之间存在下列关系:Xi可老可瓦(6在粗氩塔底氩对氧的相对挥发度约为1.5(在大多数情况下实际上略小于1.5,现就以ao =1.5代人式(6,即可得到:D1一÷VYA(7式(7表明,通常情况下,氩产量不可能超过氩馏份中氩总量的三分之一。(4影响氩产量的几个主要因素:由式(6可以看出,即使不考虑氩塔本身的因素

7、,氩产量D受到粗氩塔底部的氩对氧的相对 挥发度QAO、氩馏份流量V、氩馏份中的氩含量Y这三个因素的制约。现对这三个影响因素分 别加以讨论。增大氩对氧的相对挥发度ao可以提高氩的提取率,但一般情况下只有通过降低操作压力 才能增大相对挥发度。而实际上,因各种阻力的存在,操作压力几乎是无法改变的。也就是说 实际操作中,几乎不可能通过增大氩对氧的相对挥发度来提高氩的产量。增大氩馏份v也可以提高氩的产量,但氩馏份气量受到氩塔流通能力的限制,过大的气量 将导致氩塔的性能降低,严重时可引起液泛。另一方面,从上塔抽出的氩馏分气量越多,则上塔 氩馏份抽口以上段的上升气量就越少,这样可能使得氩馏分中的氮含量增高,

8、从而使得氮气进 入粗氩塔内。众所周知,氮的沸点比氩更低,进入粗氩塔内的氮气,不能与氧一样通过精馏的方 法除去,严重时可使粗氩冷凝器不能正常工作,发生”氮塞”。在实际操作中我们还是充分利用 氩塔和上塔的设计余量,适当增大了氩馏份流量,由表2可知:其流量较设计值增大了约 1000m3/h。而在实际的稳定运行工况中,氩馏份的氩含量最大时只有7.0%,仅为设计值的60%左右。很明显,这是导致氩产量偏低的原因之一。也可以通过将具体的数据代入不等式进行计 算来说明。如果相对挥发度为1.5,氩馏分气量V为25680m3/h,氩馏分浓度Y为o.07(表2,代人 不等式(6,则有:D5(1一去×256

9、80×o.07=599.2m3/h83中国工业气体工业协会第十九次会员代表大会暨二00九年年会而实际运行中,氩的最大产量为600d/h,与理论上所可能达到的最大产量(最小回流、氩塔 在不考虑塔板阻力的情况下需要无穷多块理论塔板已基本相符。这说明在氩馏份中氩含量少 时,氩馏份气体与粗氩塔底回流至上塔的液体之间已经接近于达到相平衡状态。如果将氩馏份浓度提高至8.5%,氩馏份流量保持在较设计状态下略大的26000m3/h,则液 氩产量在不考虑氩塔因素的情况下理论上所可能达到的最大值为:D眦=1一击×26000×0.085736.66m3/h由于氩塔的理论塔板数实际上是有

10、限的,且在粗氩塔底部,氩对氧的相对挥发度实际上略 小于1.5,因此在氩馏份流量260000/h、氩馏份浓度8.5%的情况下,液氩产品产量通常是不可 能达到736.66m3/h的。也就是说,必须将氩馏份中的氩含量提高至8.5%以上,氩馏份流量增 大至27000ms/h以上,并保持稳定运行状态才有可能达到设计产能。3上塔工况的调整由以上分析可知,只有提高氩馏份中的氩含量,才可能增加氩的产量,而氩馏份气体来自于 空分设备的上塔,故必须首先对上塔工况加以调整。在进入空分的加工空气量一定时,增大从上塔取出的氧气量,适当降低氧产品的纯度,则上 塔提馏段的富氩区下移,氩馏份中的氩含量会增加,而污氮气中的氧、

11、氩含量则减少。但氧产品 的取出量过大,氧纯度会不合格;而对于氩馏份来说,如果氧产量和氩产量之和过大,则氮组分 就容易进入氩馏份中,这将使氩馏份中的氮含量超标,严重时引起粗氩冷凝器氮塞,使氩塔和主 塔的工况被破坏。因此在实际操作时,应缓慢地进行小幅调整,同时注意把握各相关参数的变 化趋势,并且要留有一定的余地,以防止由于分子筛吸附器切换等原因引起工况波动时,造成氧 纯度降低,甚至是制氩系统工况的紊乱。4氩塔工况的调整由于氩馏份气体来自于上塔,而粗氩塔底的回流液体又返回上塔,故氩塔工况的调整,一定 会影响到上塔。增大氩馏份流量时,上塔氩馏份抽口以上部分的上升气量减少,低沸点的氮组 分就会下移,其结

12、果是氩馏份中的氮含量将会升高;当增大液氩产品的取出量时,由物料平衡很 容易知道粗氩塔底返回至上塔的回流液体中的氩含量会降低,这样氩馏份中的氩含量也会相应 降低。对氩塔工况的调整,主要是调整氩馏份流量和液氩产品的取出量。一般来说,在氩馏份浓 度和液氩产品的取出量一定时,氩馏份流量在一定范围内增大时,则氩塔内的回流比增大,液氩 产品中的氧含量降低;在氩馏份流量及氩馏份中的氩含量一定时,当增大液氩产品的取出量时, 则氩塔回流比减小,液氩产品中的氧含量会有所升高。因此,在保证进人氩馏份中的氮组分不超标的前提下,应尽可能增大氩馏份的流量;在产品 液氩含氧不超标的情况下,尽量增大液氩产品的取出量,这样不仅

13、液氩产量增加,同时对保证氧 产品的纯度也是十分有利的。5工况调整以后的结果及存在的问题根据前面分析的结果,对9制氧机的系统工况进行了相应的调整操作,经过在冬季近一个 月时间的稳定运行检验,取得了令人较为满意的效果。其运行参数见表3。技术论谈篇表3调整后空分运行参数氩馏分 液氩产品 氧产品 氮气流量 浓度(O/oAr 流量 纯度(觥 流量 纯度(%02 流量 纯度(ppm02 设计工况 2467071l 75022100099.62200010原最佳运行工况 256805.O7.O 539132143099.8523560215现运行工况 259156.58.O 608132139099.822

14、3483215由上表可以看出,在氧、氮产品的产量、质量,以及液氩产品的质量基本保持不变的情况下, 液氩产品的产量有了较大幅度的提高,取得了可观的经济效益。但是由上表还可以看出,液氩产品的产量距离设计值,还存在着较大的差距。在系统工况 的调整过程中,我们试图将氩馏份中的氩含量,保持在一个较高的数值(8.010.0%舡上时, 系统工况很难稳定,极易出现波动,甚至会殃及氧、氮产品的产量和质量,影响到氧气、氮气的外 供。针对上述问题,我们将对整个制氧机系统的运行情况做进一步的分析研究,而后再做相应 的试验调整,力求达到或接近液氩产量的设计指标。参考文献:1徐文灏,王宝洲.低温全精馏制氩工艺计算演绎之一

15、:夹议夹叙氩精馏(上.深冷技 术,1999(12KDON一21000/22000型空分装置技术参数表(内部资料3李化治编著.制氧技术<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<(<(<<<<<(<<<<<<<(<(<<<(<(<<<<<<<<制氧事故汇编庄胜强教授级高工根据自己从事制氧安全方面的经验,搜集了143位作者撰写的175篇事 故分析文章,汇集而成制氧事故汇编一书。全书分为四章:第一章燃烧爆炸事故;第二章氮(氩气窒息事故;第三章纯化器和空分 塔进水事