变负荷对空分装置制氩系统工况的影响

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1、[原创]变负荷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）R前言：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，流程如图1所示。设计工况：纯度为99.74％（V)的氧产品52000Nm3/h，　　　　　纯度为99.96％（V)产品氮61100Nm3/h，　　　　　纯度为99.999％（V)产品氩1600Nm3/h；变负荷工况：　　　　纯度为99.74％（V)的氧产品43000Nm3/h，　　　　纯度为99.96

2、％（V)产品氮50025Nm3/h，　　　　纯度为99.999％（V)产品氩1200Nm3/h；所以在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。但在正常生产中还是以设计工况为主，因为本套装置需要向煤气化装置送氧气，并且系统的负荷与空气进气量有关系。现本文就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

3、主要方面。无论向哪个方向调整，在具体实施过程中，都应该缓慢进行，稳中求变，尤其对于现场供气装置，不可操之过急，否则会使工况发生波动，影响产品质量和供气压力。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。究竟每次加减量以多少为宜，要根据装置不同，灵活掌握。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，还要注意加量的时间间隔，例如：每5min加一次。但必须满足在下一次加量前，空分设备已充分消化了上一次加量，从空压机、增压机、膨胀机、主塔液体节流阀、制氩系统到气液态产品取出、输出

4、值已经达到设定值要求，且气氧、液氮、压力氮、低压氮、氩馏分和精氩等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E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。众所周知，氩在上塔分布

5、是有规律的。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％。但是富氩区在上塔的位置不是固定的，当进行变负荷操作时，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

6、，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。当液空氧含量增加时，其饱和温度升高，缩小了粗氩冷

7、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，所能产生的产品氧是不变的。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，回流比是不变的，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

8、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