变负荷操作对空分装置制氩系统工况的影响

尹超,涂后沅

(中原大化集团有限责任公司,河南濮阳457004)

摘要:阐述了提高空分装置制氩系统氩提取率的正确操作方法,从理论上分析了氩系工况操作时氮塞发生的原因、调整手段及预防措施。

关键词:空分装置;变负荷;制氩系统

中图分类号:TQ051.8文献标识码:B文章编号:1003-3467(2008)10-0043-02

中原大化集团公司空分装置于2007年12月1日建成投产,并一次试车成功,整套空分装置采用全低压分子筛纯化、膨胀机带增压机制冷,是无氢精馏制氩流程,设计含氧99.74%的产品52000Nm3/h,含氮99.96%的产品60600Nm3/h,含氩99.999%的产品1600Nm3/h,因此,空分装置变负荷操作是一项比较复杂的工况调节,操作不当,极易造成产品纯度、供气压力波动,尤其对带制氩系统的空分设备,稍有不慎,就会引起制氩系统工况波动,轻者减产,严重时还会发生氮塞。本文对部分变负荷调整对氩系统的影响进行解析。

1变负荷操作及其对制氩系统的影响

1.1变负荷操作

空分设备的变负荷操作,主要指加工空气量的变化,包括加负荷操作和减负荷操作两个主要方面。在具体实施过程中,都应该缓慢进行,稳中求变。调整过程中为保持系统工况的相对稳定,负荷的调整是通过若干次加、减量来完成的。一般每次加减量控制在设备加工空气量的0.5%~1%范围内,以主塔物料纯度不发生较大波动为原则。另外,还应注意加量的时间间隔,保证主要分析指标不产生较大波动。

为确保产品纯度不产生较大波动,加量时一般采取从空压机到制氩系统由前向后的顺序,减量时则相反。在调整过程中,可以充分利用DCS系统提供的产品纯度分析趋势记录。由于纯度检测本身滞后比较严重,操作员可以根据变化的趋势,对操作幅度做相应的调整。理想的加、减量操作,各流量趋势图应是一条平滑的上升和下降的直线。

1.2变负荷操作对制氩系统的影响

在变负荷操作过程中,上塔液氮、液空回流量,气氧、气氮取出量和氩馏分抽取量都会发生变化,对制氩系统的影响十分明显。在上塔提馏段(液空进料口以下)形成一个富氩区,最高氩含量可达到15%。但由于此处氮含量较高,一般将氩馏分抽口设在富氩区偏下一点。在氩馏分氧、氮、氩三元混合物中,设计值一般为:氧90%~91%,氩9%~10%、氮小于0.02%。但是当进行变负荷调整时,富氩区在上塔是不断变化的,而氩馏分抽口位置是固定不变的,因此,氩馏分抽口的物料组分也在不断发生变化。

以加负荷操作为例,随着进塔空气流量的增加,进入压力塔(下塔)顶部的冷凝蒸发器的氮气流量和压力都会增加,冷凝蒸发器热负荷增大,冷凝液氮量增加;同时,冷凝蒸发器氧侧液氧蒸发量增大,气氧推动富氩区上移,氩馏分抽口处回流比变小,氩馏分氧含量增加,氩含量降低。为维持氩馏分抽口氧含量不变,一种方法是将下塔冷凝的液氮导入上塔,增加回流液氮量,以维持氩馏分抽口回流比不变。这种调节方法会导致液氧、液氮生产比例发生改变,将产生更多的液氧产品。另外一种方法是增加上塔底部气氧取出量,控制富氩区不上移。当然,增加的产品氧量和进塔的空气量应该匹配,否则,富氩区位置将会发生变化。

在对主塔进行负荷调整时,难免会对液空纯度产生影响,由于有一部分液空(约1/2)被引到粗氩冷凝器,液空纯度直接影响粗氩冷凝器的热负荷。

收稿日期:2008-05-18

作者简介:尹超(1978-),男,助理工程师,从事化工生产工作,电话:137********。

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第10期尹超等:变负荷操作对空分装置制氩系统工况的影响

当液空氧含量增加时,其饱和温度升高,缩小了粗氩

冷凝器的换热温差,热负荷缩小,从而导致粗氩氧含量升高,粗氩取出量减少,降低氩的提取量和纯度。

2 变比例操作及其对制氩系统的影响

空分设备的变比例调整,要严格遵守物料平衡原则和能量守恒定律。在膨胀机的效率和膨胀空气量一定的情况下,制冷量(焓降)基本确定下来,设备所能产生的液体总量是一定的。根据物料平衡的原则,所能产生的产品氧不变。通过对上塔回流的液氮量和上升的氧气量进行同步的增加和减少,完成液氧和液氮产品的相互转移。以氩馏分氧含量为基准,回流比不变,只是回流液氮和上升气氧之间量的变化。当向氧工况转移时,减少产品氧取出量,增加上塔液氮回流量,进入上塔的液氮将上升的气氧冷凝成液氧,液氧回流至低压塔(上塔)底部,作为液氧产品引出;同时,液氮被汽化成气态,以气态氮产品引出塔外,完成冷量的转移。向氮工况转移时与上述步骤相反。

一般称主要生产液氧的工况为液氧工况,主要生产液氮的工况为液氮工况。在液氧工况时,氩的提取率最高。在液氮工况时,由于上塔顶部回流的液氮量较少,上塔精馏段气氧、气氩冷凝不充分,部分氧、氩从污氮通道流失。在液氧工况时,污氮中氧含量可以控制在0.3%~3%之间;而液氧工况时,污氮中氧含量要在3%~6%之间,由于氧、氮的沸点比较接近,液氮工况的污氮中流失的氩更多一些。

氩馏分作为氧、氮、氩三元混合物,在相同的氧含量的情况下,液氧工况时氩馏分中氩含量高,氮含量低;液氮工况时氩馏分中氩含量低,氮含量高。因此,在实际操作中,液氧工况时则要控制高一些,以避免过多的氮进入精氩塔,引起粗氩塔工况波动,甚至发生氮塞。在由液氧工况向液氮工况转移时,制氩系统则要适当减量操作。

3 变工况时氩塔负荷的确定

对于变工况液体空分流程,设计时已给出几种典型的工况操作参数,但不是从最小空气负荷到最大空气负荷的所有操作参数都已给出。在实际操作中通过标准工况的工艺参数,可以估算出非标准工况氩塔操作负荷的运行参数,避免盲目操作。某套

空分设备的设计参数:进塔空气量75000m 3

/h,氩

馏分取出量15800m 3/h ,粗氩量560m 3

/h ,用等比

例法可求得当加工空气量为279000m 3

/h 时,氩馏分取出量参考值为58776m 3

/h ,粗氩量为1620m 3

/h 。一般控制氩馏分量为粗氩量的27~29倍。

粗氩塔热负荷,通过粗氩冷凝器液空蒸发量的多少来控制粗氩塔的氩馏分流量。如果粗氩冷凝器热负荷不足,进粗氩塔氩馏分量少,氩产量和氩提取率都会降低。而粗氩塔热负荷过大,进入粗氩塔的氩馏分量增加,导致富氩区上升气量不足,富氩区下移,氩馏分回流比增大,氩馏分中氮含量增加。当氩馏分中氮含量大于0.5%以上,超过精氩塔的排氮能力,就会出现不同程度的氮塞现象。

4 变工况时氮塞的预防和处理

氮塞的发生,除去设计制造缺陷外,多数是由操作不当引起的。一方面是由于主塔氩馏分控制失常,另一方面是由于粗氩塔冷凝器热负荷过大。一般的空分流程对氩馏分的检测都设有氩馏分氧含量在线分析。氧含量一般控制在88%~92%之间。当发生偏差时,通常改变气氧取出量和上塔液氮回流量来调整,而对氩馏分中的氮组分做在线分析的流程并不多见。但在实际操作中,有时会发生在氧含量不低的情况下却发生了不同程度的氮塞现象;因此,同时检测氩馏分中的氮组分非常重要。

空分流程设置了一个氩馏分温度检测仪,相比于纯度监测,温度监测反应更加及时、直观。在上塔压力控制在45kPa 的情况下,氩馏分温度控制在88.65K 左右,如果氩馏分取出量过大,氮含量升高,氩馏分温度会下降。当氩馏分温度降至87.15K 以下,并且长时间运行,就有氮塞发生的可能,如果调整及时,能避免氮塞的发生。

氮塞一旦发生,应根据氩塔工况波动的程度,适度打开粗氩管线上的排放阀,使聚集在粗氩冷凝器冷凝侧的氮气随粗氩排出塔外;还应加大精氩塔中氮气的排放。调整主塔氩馏分,使其各项工作指标恢复正常。如果发生极严重的氮塞现象,必要时关闭精氩塔,粗氩直接排放。待氩馏分恢复正常,再运行精氩塔。

综上所述,空分装置对于系统负荷的调整一定要缓慢,太快了很可能影响产品氧、氮、氩的纯度,氩系统则可能出现严重氮塞而逼迫甩氩系统,操作时应尤其注意。

44#河南化工

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2008年第25卷