陈元富
（云南天安化工有限公司合成氨制造中心，云南安宁 650309）
摘 要：云南天安化工合成氨制造中心52000Nm3/h的空分装置投产以来，副产品液氩产量保持在1450-1500Nm3/h左右，2018年因后系统负荷增加，空分装置向后系统输送的中压氮、超高压氮的产品超出设计值，导致同等负荷下液氩产量降低至1300Nm3/h左右运行。针对这一现状，本文对空分精馏工况进行的深入分析和探索尝试，找到了在保持现有外送氮气量的前提下，提高了氩产量的办法，在煤气化、合成装置高负荷下，可以维持液氩在1400-1450Nm3/h，相比以往可日增加液氩产量4m3，具有一定的推广价值。
关键词：空分；精馏工况；液氩；增加；提取率
1 现状和存在的问题
52000Nm3/h空分装置为国内中型空分装置之一，是公司50万吨/年以煤为原料合成氨装置的配套装置，主要为后续装置提供氧气、氮气、仪表空气、工厂空气，并生产液氩、液氮、液氧产品。装置技术来源于法液空（液空杭州），始建于2006年，于2007年11月建成投产，2019年5月实现最长运行周期344天。
液氩是一种稀有气体，工业中大多使用的是高纯氩（主要指标：氧含量小于1.5ppm），主要用于氩弧焊，市场上使用的高纯氩大多都是从空气中提取出来，在空气中占比大约0.932%。投产初期，空分液氩产量基本上在1450-1500Nm3/h左右。随着公司对煤化工技术的掌握深入，2018年后系统负荷也随之增加，从而空分装置向气化、合成装置的氮气用量也随之增加，以至精馏工况组分发生变化，氩系统负荷也将降低至1300Nm3/h左右，低温副产品液氩为公司创造的效益也随之降低。
2 影响液氩提取率因素
对于精馏工况来说，影响氩产量的因素大致分为以下几种，精馏塔的温度和压力、精馏塔的进料状态，进塔空气进料量；精馏塔回流比、粗氩塔冷凝器的蒸发量、精馏塔气体取出量、液体塔底取出量等。可见影响氩系统的参数较多，但是后系统负荷增加，增加外送氮气量是必须满足的条件，故只能从精馏系统内部进行想法解决，优化工况，寻找解决办法。
但无论参数怎么调整，首先是要清楚精馏操作过程应遵循三个平衡，一是物料平衡；二是汽液平衡；三是热量平衡，只有达到并满足了这三个平衡，才能得到合格的产品。在这三个平衡基础上才能进一步优化工况，增加氩的提取率。
2.1 液氩提取率的算法
氩提取率的简单计算公式
氩提取率ρAr＝（氩产量×氩纯度）/（空气量×0.932%），通过查询原始设计资料以及将原始设计的参数带入公式,可初步得到本套空分装置设计氩提取率80%左右，2018年以后而实际运行中，氩的产量仅为1300-1350Nm3/h，提取率仅为67.9%，相比设计值，氩的提取率下降明显，远远低于设计值，未能实现装置精细化、精益化生产。
2.2增加液氩的提取率的方法分析
通过对精馏塔的分析和研究，以下方式可以增加氩产量：
2.2.1 增加入塔空气量，增加量循环倍数
空气量增加，无形中就增加了精馏塔的负荷，也就实现了液氩的产量增长。
2.2.2 增大粗氩冷凝器液气气量
增加粗氩塔的冷凝器气化量可以实现增加回流液，从而使得液氩更多的到粗氩塔参与精馏，可以增加一定的液氩产量。
2.2.3改变氩冷凝器液体组成从而改变液体温度，使之更“冷”
根据标准气体方程式可以得知，通过改变粗氩冷凝器的压力可以实现温度的变化，可以达到更冷的效果，但是同时对组分发生变化，故需要综合考虑精馏成分的变化来判断
3 对增加液氩产量的方法进行逐一验证
3.1 增加入塔空气量循环倍数分析
因本套空分装置采用内压缩工艺流程，使用规整填料，精馏提纯的效果较好，通过查询PHD数据可知，空分负荷基本上维持在101%-102.0%之间控制，空气量波动小，入塔空气量不足以影响回流大幅波动。下塔的回流塔的回流量是靠塔顶冷凝器E02（主冷）提供冷量和V07来提供回流。相对而言，通过增加空气量来达到增加氩系统的提取量是属于治标不治本，不具有很好说服力，不是解决同等负荷下实现增加氩提取率的主要病因。
3.2增大粗氩冷凝器液体流通量.
制氩系统的粗氩塔的冷凝器E10蒸发量从装置原始开车以来，根据厂家指导意见操作，粗氩塔蒸发量FIC1712控制在70000-72000Nm3/h左右，蒸发压力PIC1712维持在33-35kPa，相对比较合适，通过收集历史具体参数对比得到如下信息：
表一：不同时段氩系统控制参数对比图
从表格中可以看出，按照以往班组控制FI1712的方式，蒸发器E10的液位在自动情况下，调节阀开度也会逐步增加，使得回流比增加，蒸发量增加了但是实际上并没有达到增加氩系统的产量目的,反而产量更低了。所以说，解决粗氩冷凝器的流通量不是增加氩提取率的有效措施。
3.3 改变氩冷凝器液体组分
理论上讲，粗氩冷凝器需要更冷，则需要增加氮含量的占比或者通过调整压力，才能将更多的富氩气体抽吸到粗氩塔来参与精馏工作，但因后系统使用的氮气量明显增加，精馏塔出来的中压氮气的用量要保持一定量，故只有通过减少液氮取出量或者增加进入冷箱的氮，才能降低了富氧液空中氧的含量，通过三天的数据收集，得到以下参数对比信息：
表二：液氮取出量与氩系统的影响(日均值)
从表中可以看出：当通过减少液氮取出和增加(FIC1521设定量)入塔氮气后，富氧液空中的氮含量增加，E10的蒸发压力降低，从而使得温度降低，更多的氩被抽到粗氩系统参与精馏，同时，FIC1711开度降低，更多的富养液体到精馏塔参与精馏工作，使得氩富集区氩聚集更多，的从而使液氩的产量小幅上涨，说明外送的液氮量对工况具有十分大的影响作用。
4 调整优化与效果检验
4.1尽可能的减少氮气的损耗.
为保证后系统用氮量，把不必要的氮气放空想办法吸收掉，故将送合成的中压氮气阀门，由原来的70%开至100%，减少阀门节流的损耗，同时放空的压力设定PIC1520放空压力由3.70MPa设定制3.75MPa，减少不必要的放空。同样将超高压氮气压力由7.97MPa提高至8.00MPa，这样，以往放的氮气被留在系统内，减少了放空的损耗。
4.2尽可能让富氧液空经过氩富集区
空气进入冷箱后，富养液空停留在K01底部，通过LIC1601和LIC1711分别送入上塔K02和粗氩冷凝器 E10进行精馏和换热，因后系统用氮增加，下塔K01的回流液就少，则实际富氧液空的氧含量增加，而进入E10后，氧因沸点温度高容易蒸发，导致LIC1711开度增加，源源的富氧液空抽入E10，从而进入K02的参与精馏的量就少，故我们将E10的蒸发量进行降低尝试，让更多的富养液体在精馏主题内部参与精馏。如图所示：
表三:E10蒸发量与氩产量的变化
从表中可以看出，粗氩冷凝器E10蒸发量降低后,E10的压力上涨，同等开度下使得进入E10的富氧液空量减少，而根据物料平衡原则，精馏塔内多余的液空就通过LIC1601进入K02参与精馏，氩富集区的粗氩就更多，从而到氩系统精馏出来的氩产量就增加。
5 结论
液氩产量的高低的确受多重因素的影响，有些是可以通过优化工艺参数调节找到解决方法，有些则是一些外在因素影响无法消除，例如：精馏塔的踏板损坏、分子筛磨损的杂质在精馏塔聚集，导致精馏塔塔板堵塞、损坏，精馏效果不佳，装置运行时间久，未进行大检修，大加温工作等，导致一些不凝气体停留在精馏塔内，都会对精馏效果造成影响。
而本文就是通过实践、调整优化系统参数，从工艺侧想法增加产品产量，既要满足后系统大量用氮气需要，也增加恢复了副产品液氩产量。取得了良好的效果，具有一定的推广价值。
参考文献
[1] 云南天安化工有限公司空分装置操作手册
[2] [发明专利]一种利用多套空分制取的粗氩提取高纯液氩的装置及方法 韩一松
[3] 氩提取率与制氩系统及上塔工况的关系[J]， 周民荣
[4] 23500m3/h 空分系统制氩系统工况分析和调[J]，陈富强
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