缩短全精馏制氩系统启动时间的分析和操作

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1、缩短全精馏制氩系统启动时间的分析和操作钱立新摘要：本文剖析了全精馏制氩系统的启动过程，就空分装置冷开车和短期停车后的再启 动时的异同进行了详细分析，指出缩短全精馏制氩系统启动时间的原则是合理控制热负荷和 有效利用粗氩塔的液体。关键词：空分设备; 稀有气体；全精馏制氩; 粗氩塔; 启动时间中图分类号： 文献标识码：Analysis and operation of shortening the start-up time of afull distillation argon-recovery systemQian Li-xin(Oxygen Producing Factory of Suzho

2、u Iron and Steel Group Co.,Ltd., Xushuguan, Suzhou City 215151,Jiangsu,P.R.China )Abstract: This paper describes the starting procedure of the full distillation argon recovery system. The similarities and differences in connection with the operation of an argon recovery system during the initial col

3、d starting and the restarting after temporary shutdown of the air separation unit are analyzed in a comprehensive way. The principle of shortening the start-up time of the full distillation argon-recovery system is to control the thermal loading of the crude argon column in a reasonable way and to u

4、se the liquid in the crude argon column in an effective way.Keywords: Air separation unit; Rare gas,Full distillation argon-recovery; Crude argon column; start-up time近几年随着全精馏无氢制氩空分设备在 国内的迅速发展，空分设备用户对全精馏无 氢制氩的操作逐渐积累了一些经验，也陆续 发表了一些相关的文章。图 1是最典型的全 精馏制氩设备的粗氩塔部分的工艺流程。在 本文笔者将对这种流程进行分析讨论。制氩设备是用精馏的方法在粗氩塔中完

5、 成氧氩分离，精氩塔中完成氩氮分离。 由于精氩塔的操作比较简单，本文仅从分析 全精馏设备的粗氩塔启动过程入手，谈谈如 何缩短氩系统的启动时间的问题，以供同行 参考。图 1 全精馏制氩设备粗氩塔流程1 粗氩塔中需要积聚大量的氩组分粗氩塔的原料气是来自空分上塔提馏 段氩富集区的饱和气相形式的氩馏分，其含 氩量一般为812%Ar,粗氩塔的回流液返回 上塔，粗氩冷凝器的冷源是来自下塔的液 空,蒸发的富氧蒸汽及回流液空也返回上 塔。粗氩塔的启动过程就是在粗氩塔中建立 起氧氩的正常精馏工况的过程,也就是氩 组分在粗氩塔中各个截面上慢慢积聚增浓 逐渐达到正常工况的过程。与传统的加氢除氧的制氩工艺所不同 的是

6、全精馏制氩设备中因为规整填料的使 用,在粗氩塔中就能够生产出无氧氩（实现 10-6级氧的分离）,但是由于氧氩的沸点接近（温差只有2.73K）,相对挥发度均接近于1, 一方面要完全采用精馏的方法将氩馏分蒸 馏到无氧即设计纯度的提高本身使粗氩塔 要求塔板数很多，即设计粗氩纯度的提高使 塔高增加很多（传统流程只有70块理论塔 板，全精馏流程有175 块理论塔板），另一 方面，虽然规整填料的等板高度（ HETP） 和阻力都比较低，但填料加上液体分布器， 即使相同的理论塔板数，塔的高度还是与比 传统的筛板塔高。如开封空分集团采用全精 馏制氩工艺的 4500m3/h 制氧机的一级粗氩 塔约为 21 米、二

7、级粗氩塔约为44 米（含冷 凝器），一、二级塔总高度达65 米，而采用 传统的加氢除氧的制氩工艺的粗氩塔总高 度约 10 米。所以全精馏制氩设备的粗氩塔 的容积比传统的加氢除氧制氩工艺的粗氩 塔大得多。因此粗氩塔正常工作时需要有相 当多数量的液体除了填料中的液体外， 在二级粗氩塔底部粗液氩泵的入口尚需要 一定液位的液体。这些液体的氩浓度都较 高，因为在粗氩塔的精馏中只要短短的一段 就可以将氩馏分中大量的氧组分洗涤下来， 表 1 是笔者采用 Excel2000 进行计算得到的 部分结果，可以看到，假如氩馏分含氩量为 15.6%Ar,整个粗氩塔需要175块塔板生产无 氧氩的话，仅仅 11 块板，氩

8、的浓度就已增 至50%以上，仅26块板，氩的浓度就已增 至 90%以上。由此可见，要建立起粗氩塔的 正常精馏工况，需要在粗氩塔内积聚起相当 多数量的高浓度的氩组分（氩分子数），而 这些氩组分都必须靠从原料空气中慢慢积 累，这也正是全精馏制氩设备启动时间很长 的原因。表1 全精馏制氩塔理论塔板计算塔板层上升气（%Ar）回流液（%Ar）10.1562130.12453192110.53246650.51491238260.90067740.89694822560.9905610.990206631750.9999990.99999895就设计而言，如果设计氩馏分含氩量越 低（馏分抽口越低），则要求

9、氩塔的回流比 就越大，即氩塔的设计负荷也越大，那么其 几何容积也越大，启动时要求积聚的氩组分 总量也越多，相应的时间也越长。 2 粗氩塔中氩气增浓过程剖析粗氩塔的启动过程是：当空分装置开车 至上塔主冷氧浓度趋于正常且主塔的冷量 充足时开始投入粗氩塔，此时将一定量的液 空送入粗氩塔冷凝器使其工作，然后粗氩塔 的阻力会慢慢上升，先在二级粗氩塔内建立 精馏工况，当二级粗氩塔底有一定液面后启 动粗液氩泵为一级粗氩塔提供回流液，使一 级粗氩塔也建立精馏工况，氩馏分经过粗氩 塔的精馏，上升气中的氩浓度必然会提高， 至冷凝器冷凝后回流粗氩塔，使塔内各层填 料上的氩浓度不断提高，从而渐渐建立起正 常的氩浓度梯

10、度。前已提及，要建立粗氩塔的正常工况， 必须要在塔内积聚很多数量的氩组分。在操 作中可以从以下两方面考虑：一是尽可能使 氩组分在粗氩塔内多积聚；二是尽量减少粗 氩塔中氩组分的损失。抓住了这两个关键 点，我们就能够在操作中采取相应的方法。在能够保证主塔工况的情况下，加大粗 氩塔的热负荷和减少粗氩塔顶部粗氩排放 阀（V712）的排放量，显然可加快原料氩馏分 气中的氩组分在塔内的积聚。热负荷越大， 就会有更多的氩馏分进入粗氩塔，粗氩冷凝 器的冷凝量越大，回流比越大，提纯的速度 越快。顶部粗氩排放量越少，回流比也越大， 提纯的速度也越快，更何况顶部排放的是增 浓以后氩浓度最高的气体。另外，氩馏分的 含

11、氩量越高，相同数量的馏分量中包含的氩 组分的总量也越多，也可增加氩组分在塔内 积聚。对塔顶排放量而言，在启动操作中只要 不引起“氮塞”，我们要尽量减少塔顶 V762 的排放量，减少已经积聚起来的氩组分的散 失，从而加快氩塔中浓度梯度的建立。我们 的实践经验是塔顶只要排放正常粗氩产量 的 15%左右就不会“氮塞”。对粗氩塔热负荷而言，却并非要一味地 加大，而应对不同情况区别对待，在不同的 操作条件下要及时调整，采用合适的热负 荷。对氩馏分含氩量的确定，主要应该是空 分设备的设计人员考虑的问题。氩馏分含氩 量越高，固然可以减小粗氩塔的回流比和理 论塔板数，但随着氩馏分中含氩量的提高， 氮含量也会增

12、加，会使粗氩塔容易引起“氮 塞”，甚至无法工作。故应选择合适的含氩 量。对操作人员而言，则可以在设计人员规 定的氩馏分浓度范围内控制含氩量高一点， 使氩组分在塔内积聚快一点（只要是空分设 备设计合理，同时操作中有效地稳定好主塔 的工况，就可避免“氮塞”）。3 热负荷的控制原则与方法3.1 投氩时氩塔内没有含氩液体在空分装置加温后冷开车或其他氩塔 内没有含氩液体的情况下投氩时，粗氩塔需 要积累正常工作所需的全部氩组分，这些氩 组分完全来自原料空气中的氩在上塔提馏 段富集后为粗氩塔提供的原料氩馏分气，我 们就应该在稳定的前提下尽量控制大的热 负荷，多抽氩馏分。对具体的某一套空分设 备而言，操作中可

13、以经过多次摸索加负荷， 只要在加大热负荷后氩馏分中的含氩量能 够稳定，说明主塔能够承受，就不会引起“氮 塞”。一般全精馏制氩设备初次投氩需要 2530 小时，另外现在有许多单位采用反充 液氧的启动操作，这样投氩塔的时间会更长 一些，这是因为如果正常积液的话，原料空 气中间的氩组分很大一部分会进入主冷的 液体中，调纯时进入上塔的氩富集区，而反 充液氧操作的情况，反充进去的液氧中则含 氩较少，从而影响投氩的时间。3.2 投氩时氩塔内有含氩液体 在空分装置短期停车时，二级粗氩塔内 的回流液连同原塔底的液体（LI702 ）会 留在二级塔底，这部分液体的氩浓度极高， 是以前花了大量时间才积聚起来的，处理

14、好 这部分液体会大大缩短再启动时投氩的时 间。（1）停车操作注意事项 空分装置停机时可将精氩塔、粗氩塔和 主塔同时停，整个停车过程要快，也可先停 氩塔再停主塔，但切记不要打开粗氩排放阀 V762,避免在停机过程中主塔精馏工况破坏 后氮组分进入粗氩塔；建议空分停机的同时停粗液氩泵，即使 停车时间很短也将粗液氩泵停下（因为调节 阀往往会关不死），同时关闭粗液氩泵出口 液体进一级粗氩塔的（V713 ）阀，要将粗氩塔 内的液体尽量留在氩塔内。文献还介绍通过 设备改造甚至将一级粗氩塔中的液体也可 回至二级粗氩塔，这不但将更多的含氩液体 留在氩塔，而且减少了主冷液体中的氩组 分，使氧纯度的恢复时间也更快，

15、氩系统再 启动时间也更快。如遇切换系统故障或空压机联锁停机 等事故停车，谨记要立即“停泵关阀” 停粗液氩泵、关闭（V713 ）阀，将含氩液 体留在氩塔，而（V712）同样也绝对不要开，不让氮组分进入粗氩塔。（2）短期停车再启动操作注意事项 短期停车再启动时的关键是将停车时 留在二级粗氩塔底的含氩液体用好。投氩塔的时机许多文章已介绍，当主冷 氧纯度达 99%时即可投粗氩塔。这里说明一 点，此时虽然氧纯度只有 99%，但氩馏分抽 口处的氮含量已达到要求，精馏时主冷液氧 中的氮最易也最快被蒸掉，液氧中尚余的非 氧成分以停车时一级粗氩塔中流下来的氩 为主，此时抽氩馏分后，还有利于主冷中的 氩组分继续向

16、提馏段氩富集区集中，否则当 提馏段氩富集区的氩含量达到平衡后，主塔 中的氩也必然从污氮、氧等气体中白白损失 掉了。短期停车再启动投粗氩塔时热负荷控 制要先小后大。我们的经验是初投氩时负荷 一定要小（此段时间约 5060 分钟），如果 热负荷较大，一方面突然从上塔抽走大量的 气体，可能造成上塔氩馏分抽口以上的氮进 入氩馏分而导致粗氩塔“氮塞”，一级粗氩 塔的液体又突然泻回上塔，造成上塔和粗氩 塔互相影响，会严重影响上塔和粗氩塔的正 常工作；另一方面，粗氩塔热负荷大，粗氩 塔冷凝器冷凝下来的液体就多，会导致二级 粗氩塔底的液面上涨，然后不得不开大 （V713）增加粗液氩泵打入上塔的量，而此时 主冷

17、中本来就含有较多的停车时从一级粗 氩塔流下来的氩组分，如再打入较多的高氩 浓度液体，不但可能破坏上塔的精馏工况， 而且会使停车时保存在氩塔的液体中宝贵 的氩组分从上塔污氮、氧气等通道中损失 掉。因此，要控制粗氩塔小负荷等到粗氩塔 稳定、主塔中氧纯度升高后再慢慢增大粗氩 塔的负荷，原则是上塔能够稳定消化打入的 含氩液体，并且这些氩组分被打入上塔后能 够重新进入提馏段氩富集区富集后进入氩 馏分回到氩塔来被浓缩利用，而不至于造成 氩组分的损失。而一旦主塔和粗氩塔都完全 稳定一段时间后，就要尽量加大热负荷，以 加速粗氩塔浓度梯度的建立。启动粗液氩泵开（V713）的时机是投氩 塔后等到粗氩塔的阻力起来的

18、时候，如果粗 氩塔的阻力没起来，说明粗氩塔内还有较多 的氮，则不要将液体打到上塔去。另外，有些流程将投精氩塔时尚不合格 的液体也返回粗氩塔，同样是为了节约业已 积累起来的宝贵的氩组分。采用这样的原则，我公司4500m3/h空 分装置，以前短期停车后再启动从投粗氩塔 到生产出合格精氩的时间要19 小时左右， 而利用好二级粗氩塔底的液体后启动时间 只要7.5小时，由此可见操作思路的重要性 （图 2、图 3）。图2 粗氩塔有含氩液体时（A702）纯度变化曲线（7.5小时）这里有个涉及设计的问题，笔者建议：“设计 人员将二级粗氩塔的底部粗液氩泵入口处的容积 设计大一点”，使之贮藏的氩组分总量也多一点，

19、 而再启动时这部分高含氩液体被刚开始时冷凝下 来的含氧较多的液体稀释，到一定时间再增浓， 即其浓度“先降后升”，这时可以采用调高粗液氩 泵交流电频率、开大(V713)阀来增大一级粗氩塔 的回流液来强化一级粗氩塔的精馏，而且可以降 低(LI702)液面高度(只要粗液氩泵不抽空)，这 对缩短再启动时间有利。而且二级粗氩塔底部容 积大，调节的余地大，首先停车时塔内的液体流 下来，也不会淹没一、二级粗氩塔之间的上升气 体管，其次在一些情况下除了控制热负荷外还可 以用调节打到一级粗氩塔的液体量来控制含氩液 体进入上塔。3.3 调整粗氩塔热负荷的方法调整粗氩塔热负荷即调节冷凝器的热负荷， 方法主要有调节粗

20、氩塔冷凝器的液空液位、通过 (V717)调节粗氩塔冷凝器蒸发侧的压力、通过 (V704)调节液空回流量和冷凝器蒸发侧液空的成 分等等。实践发现，采用调节粗氩塔冷凝器蒸发侧的 压力的方法对短期停车再启动时粗氩塔热负荷的 控制最为有效，实践中我们最初将(V717)阀关至 1520%左右，然后将(V717)阀渐渐开大，热负荷 也随着渐渐增加，控制效果非常好。而调节冷凝 器的液空液位及通过调节液空回流量和冷凝器蒸 发侧液空的成分来控制粗氩塔热负荷的方法则都 有其局限性，只能在一定范围内调节，而且控制 较为缓慢。笔者建议在全精馏无氢制氩空分设备 流程设计时都要设置(V717)调节阀。3.4 严重“氮塞”

21、时的对策上述原则也适用于严重“氮塞”故障的处理。 “氮塞” 是粗氩塔较常发生的故障，有轻微 “氮塞”和严重“氮塞”等不同情况，发生轻微 “氮塞”时，粗氩塔的阻力略有下降，此时一般 只要开大(V712)将进入粗氩塔的氮尽快排掉即 可。轻微“氮塞”处理不好，就会发生严重“氮 塞”，粗氩塔的阻力下降至很低，填料中的液体 “泻”至塔底，塔内的浓度梯度被破坏。有关“氮 塞”的原因和常规对策本文不作讨论，大家可参 考有关文献。发生严重“氮塞” 时操作人员应该明白：工 况已坏！应该迅速果断地关(V713)，将含氩液体 保存好，等塔内的氮排掉后重新建立粗氩塔精馏 工况时，再采用前面3.2(2)相同的方法控制好

22、 热负荷、用好含氩液体。如果操作人员只想挽救， 处理不及时，将液体打入上塔，不但救不了粗氩 塔，还会破坏主塔工况，导致主冷液氧纯度被破 坏，更严重的是会使以后投氩时间大为延长。3.5 主塔工况的稳定稳定主塔，防止“氮塞”是缩短启动时间的 前提。关于主塔工况的稳定已有许多论述，包括 切换系统、主冷液位、氧流量等的稳定，可参考 有关文献，这里仅作一些补遗。众所周知，下塔底液位由液空节流阀 V1 调节 控制，粗氩塔冷凝器液位由(V701)调节控制，不 同类型的调节阀有不同的调节特性。全精馏制氩 设备对VI、(V701)的选型和其PID参数的调整提 出了更高的要求，使下塔和粗氩塔冷凝器液位保 持稳定的

23、波动频率和较小的振幅。虽然通过对PID 参数的精心调整，装置能长时间很稳定，但由于 V1和(V701)都来自下塔底的同一根液空管路，有 时任何小的变化引起其中一个阀动作都可影响另 一个阀连锁反应，使它们产生震荡，甚至产生“共 振”，如不及时处理就会引起“氮塞”。通过实践 我们发现，当产生震荡的倾向、馏分含氩量过高 有“氮塞”的危险时，可以手动控制V1,让它稳 定在某个开度，人为地改变其原来的变化频率， 遏制其“共振”，效果非常好。我们 4500m3/h 制 氧机原来发生“氮塞”时，采取其它措施有时还 是无法挽救，后用此方法，已一年半没有发生严 重“氮塞”。4 结语全精馏制氩系统的正常工作需要在氩塔中积 聚大量的氩组分，缩短启动时间的关键是在稳定 主塔的前提下合理控制热负荷和有效利用粗氩塔 的液体。启动时针对粗氩塔内有没有含氩液体操 作中应该相应地采取不同的方法。操作好全精馏 制氩系统需要对工艺流程有较深入的理解，掌握 好操作的原则，就能够正确地处理空分冷开车、 短期停开车和“氮塞”等不同情况。作者简介：钱立新(1968 )，男，浙江大 学制冷与低温工程专业1989年毕业。高级工程师。注：为便于阅读，以21000为例，对位号进行了相应的修改。原文深冷技术2005年第4 期。