摘要：简述了柳化空分提氩系统的流程，就制氩装置运行过程中出现的问题，定性地分析了氩系统的优化操作和改进方案。
关键词：全精馏无氢制氩；提氩系统；优化操作
一、前言
柳州化工股份公司制氧能力28000Nm3/h（标准立方米/小时）的大型空分装置与壳牌粉煤气化项目配套设计。为了综合利用现有资源，通过技术论证和市场调研，柳化大力气体厂决定在空分装置上直接串入提氩装置，采用无氢除氧工艺技术（也称全精馏制法），无氢除氧工艺流程简单、操作简单、能耗低、效益高，具备了其它工艺无法比拟的优势，是最先进的制氩工艺，氩的提取率能达到60%以上。该装置可生产出市场需求量大、产品效益好的液氩产品。该项目把提氩装置的设备和管道一起放到空分的冷箱内，最大限度降低冷量损失，既稳定空分装置的操作又降低液氩的生产成本。
二、技术原理与生产流程
1、技术原理
本项目采用无氢除氧工艺提取纯氩，其原理是利用氧气、氮气、氩气的沸点不同，采用精馏原理进行分离，其中氮的沸点（-195.78℃）、氧的沸点（-182.83℃）和氩的沸点（-185.7℃），由于氧的沸点比氩高，在精馏过程，高沸点组分氧被大量地洗涤下来，形成回流液返回空分上塔，此外，氩的沸点比氮高，高沸点的氩被洗涤下来，少量低沸点氮作为废气排放。通过低温精馏法，在粗氩塔中完成氧－氩分离，在精氩塔中完成氩－氮分离，从而得到纯氩。
2、工艺流程
本项目的低温全精馏制氩的所有设备均置于空分设备的保冷箱内，粗氩塔I、粗氩塔II、精氩塔均为填料塔。在粗氩塔I、粗氩塔II内，气态氩馏份沿填料盘上升，由于氧的沸点比氩高，故高沸点组分氧被大量地洗涤下来，形成回流液返回上塔。粗氩塔I底部的液氩经液氩泵加压后打入粗氩塔II上部作为回流液；因此，上升气中的低沸点组分氩含量不断提高，最后在粗氩塔I顶部得到含氧≤2ppm、含氮<1%的粗氩气，粗氩气在粗氩冷凝器中被液空冷凝成粗液氩。
从上塔相应部位抽出的氩馏份气体约19500m3/h，含氩量为8～13%（体积比），含氮量为0.03%（体积比）。氩馏份直接从粗氩塔II的底部导入，粗氩塔II上部采用粗氩塔I底部排出的粗液氩作回流液；作为回流液的粗液氩经粗氩塔I底部导入，粗氩冷凝器采用过冷后的液空作冷源，上升气体在粗氩冷凝器中液化，在粗氩I顶部抽出的粗氩气（其组成为约99%氩、≤2ppm氧）。该部分粗氩气进入精氩塔中继续精馏；在粗氩塔冷凝器中被冷凝的粗液氩作为回流液回粗氩塔I、粗氩塔II。粗氩塔冷凝器中蒸发后的液空蒸汽返回上塔。
粗氩气从精氩塔中部进入，来自下塔的贫液空作为精氩塔底部蒸发器的热源，加热精氩塔底部的液氩，使之蒸发成上升蒸汽，与中部进入的工艺氩气汇合，作为精氩塔的上升气流。从精氩塔底部蒸发器出来经过过冷的贫液空，经节流后进入精氩塔顶部冷凝器贫液空侧作为冷源，使精氩塔的上升气流中的氩冷凝成液体，作为精氩塔的回流液，上升气流中的氮不被冷凝，以气态形式排入大气。
在精氩塔中含氮量约为1.0%的工艺氩气在精氩塔中得进一步分离，最后在精氩塔底部得到纯度99.99%以上的精液氩产品。精液氩经调节阀排入液氩贮槽贮存，贮槽内蒸发的气体返回精氩塔参与精馏。
液氩生产工艺流程图
三、解决的技术关键及未解决问题
1、解决技术关键
在本项目提氩装置投入运行初，由于受到空分氧氮产量负荷变化大影响因素，进入粗氩塔Ⅱ的氩馏分总是维持在4%~6%，低于原设计的8%~10%氩含量设计，而粗氩气中的含氧量偏高，受到粗氩塔处理能力的制约，最终生产出来的液氩产品的氧含量只能降到50ppm，远没有达到含氧量≤2ppm的国家高纯氩标准，含氧量≥50ppm的氩产品市场价值不高，价格也只有高纯氩的一半，产品盈利能力差，因此课题组在这个基础上进行了操作方法创新改进，保证液氩生产装置在空分生产负荷发生变化的情况下，也能保证本装置稳定生产，提高装置的安全性，缩短装置的开车时间，产品纯度已达到国家标准《GB/T4842-2006》中的纯氩指标。主要的解决的技术关键具体如下：
（1）、优化工艺操作，缩短氩系统冷态开车时间
当空分装置短时间停车时，集聚到粗氩塔I釜中液体的氩浓度介于运行时塔顶与塔底氩浓度之间，在冷态开车恢复氩塔精馏工况时，若将此部分液体（约11m3）排放掉，将造成系统冷量及氩的损失，若过早将其送往空分上塔，则将影响主塔氧浓度的分布，延长氩正常精馏工况的建立时间。改进之前，氩系统冷态开车时都是先把粗氩塔I釜中液体排空再进行重新积液，这样既浪费了冷量又延长了粗液氩的提浓时间，由于受到系统冷量的制约，操作人员在打开粗氩塔冷凝蒸发器冷源阀门时动作比较缓慢（保证主塔冷量平衡的前提下），粗氩塔精馏工况建立的时间比较长，粗氩塔底部液氩含氧量较大约为65%，需要较长时间精馏提纯浓度才能恢复到正常值含氧量≤2ppm。改进后，在开氩系统之前先把主冷液氧液位、下塔富氧液空液位提高到高限以备冷量不足，操作人员在打开粗氩塔冷凝蒸发器冷源阀门时动作比较快，尽快提高粗氩塔上升气量，同时充分利用粗氩塔I釜中高浓度液氩作回流液，这样既节省了冷量，又缩短了粗氩塔精馏工况建立的时间，粗氩塔底部液氩含氧量较小约为8%，需要较短时间提纯浓度就能恢复到正常值含氧量≤2ppm，这样就能大大的缩短了氩系统的开车时间。
每次氩系统短停后再开车恢复生产，从氩气生产启动到正常投产所需的时间从以前的72h缩短为36h，可尽快制出精氩，同时避免因空分装置变负荷不当致使氩气生产中断，增强液氩的生产连续性，为我厂减少了不少损失。
（2）、改进工艺，减少负荷波动对氩系统的影响¬
空分主塔的稳定是氩塔工况正常的前提条件，与此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。由于化工型空分装置自身的特点，高压氮气的用量间歇性波动，造成主冷负荷间歇性变化，不利于氩馏分的稳定性，考虑到这点因数，柳化空分的特点就是在主冷上部氧气段增加一根氧气泄放管，减少提馏段回流比的波动，同时提高主冷液氧液位操作达到稳定氩馏分的效果，这样，在主塔的变工况调整时，氩馏分组分含量可以基本保持相对稳定，粗氩塔中精馏工况也将相对稳定，故在变负荷中，应适当提高氩馏分氧含量，并合理设置负荷变化梯度，待变负荷结束后，再将氩馏分含量恢复为正常值。
2、未解决问题
1、液氩泵工艺设计存在缺陷，液氩泵为两台，由于氩泵出口共用一条回流管，使得氩泵无法实现在线进行倒换操作。氩泵进口压力低，液氩的过冷度小，氩泵操作波动大时，液氩泵很容易气蚀不打量，给氩系统加量带来了难度。
2、由于煤气化装置的高压氮用量远远大于设计用量，且高压氮用量波动大，氩馏份波动频繁，影响氩系统的产量。
3、由于液氩贮槽设备是采用旧设备，经过检修后，设备仍存在较大的问题，首先液氩贮槽B-19真空保温层无法维持真空度，需要在线不断抽真空，贮槽的保冷效果依然较差，这给液氩系统无形中增加了氩气回收所需的冷量，影响氩系统负荷的提升。目前30m3液氮贮槽改成液氩贮槽已经配管完成投入生产，贮槽氩气无放空全回收，液氩输送管线较短冷量损失较小，但是容量太小不及时销售影响产量。
4、由于吸收环境、充装软管、槽车内的热量导致部分液氩汽化，槽车在充装中要放空卸压。为减少液氩充装放空损失，可适当提高充装压力，以提高输送液氩的过冷度和流速，同时回收放空的氩气。由于槽车充装的不连续性，为避免对氩生产产生波动影响，此部分的放空气不送回氩精馏系统，可通过增建氩气充瓶设备，进行瓶氩的充装。
四、装置的技术性能及效益
本装置采用无氢除氧工艺生产液氩产品，工艺操作温度-184℃，目前氩产量最高达到600 Nm3/h，由于受到空分冷量供给影响，目前装置仅达到设计能力70%，产量尚未达到科研合同中760Nm3/h的指标，液氩产品质量指标符国家标准《GB/T4842-2006》纯氩指标。液氩产品主要是对外销售，若正常生产，每年效益在700万元左右。
五、结语
对于全精馏制氩这一先进的工艺流程，氩系统工况的调节是相当困难的，特别是在100%~60%变工况下的调整，要稳定氩精馏工况更加不易。经过几年的不断实践、总结和改进，我厂已经熟练掌握和很好利用了这一先进工艺，使柳化28000Nm3/h空分设备的制氩系统实现稳产、高产。在化工型空分的提氩系统稳定操作方面取得了显著的效果。
参考文献：¬
[1]汤学忠、顾福民 《新编制氧工问答》 冶金工业出版社出版 2001
[2]夏葵 侯予 陈纯正 《空分提氩系统的优化操作与挖潜改进》 深冷技术 2004（1）：46-48
论文作者:李元安
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/11/16
标签：精馏论文; 装置论文; 空分论文; 工况论文; 沸点论文; 贮槽论文; 系统论文; 《基层建设》2018年第26期论文;