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1、 深冷空分装置氩系统设置研究 摘要:氩是稀有气体的一种，主要用于焊接保护、金属冶炼、照明技术、生物发酵等行业中。干空气中，氩组分的体积含量约为0.93%，仅次于氮组分和氧组分，深冷分离是工业上生产氩气的主要方式。氩气、氧气、氮气的纯组分露(泡)点分别为185.7、182.9、195.6，氧气和氩气的露点十分接近，氩组分主要影响氧气的提取率和纯度，常规深冷精馏工艺生产的氧气中主要杂质气体为氩气。工业上，深了分离装置的氩组分的处理方式主要有三种:不设置除氩或提氩设施、设置除氩设施、设置提氩设施。关键词:深冷空分;增效塔;无氢制氩;分步精馏1不设置除氩或提氩设施下文分析了深冷空分装置制氩的工艺原理及
2、适用场合，从对氧提取的影响、装置能耗、工业应用可行性角度分析了深冷空分装置对氩组分的处理原则。工艺简述:换热器冷却后的原料空气(流线1)进入下塔K01;下塔上部得到纯氮组分，可作为氮产品(流线3)和上塔回流液(流线4);下塔底部得到富氧液空(流线2)进入上塔K02，原料空气中的氩组分随富氧液空进入上塔参与精馏;上塔精馏时，氩组分最为富集的地方在上塔的中下部，即约为图中A点位置，此位置氩组分含量最高;A点之上，氮组分富集，顶部氮组分纯度最高(流线6)，A点之下，氧组分富集，在底部引出氧产品(流线5)。由于该工艺未设置任何除氩或提氩装置，为保证氧气产品的纯度，必然需要将氩组分引至顶部流线6中，对流
3、线6的氮气纯度有影响。由于该工艺未设置任何除氩或提氩装置，为保证氧气产品的纯度，主冷需要更多的热负荷将氩组分转移到气相中，且上塔塔板数需增加，能耗略有增加。若需保证能耗或氮气纯度，则需对氧气纯度或氧气提取率有所牺牲。流程见图1所示。图1不设置除氩或提氩设施2设置除氩塔工艺简述:流线16同图1中流线功能;不同的是在氩组分富集区设置管线引出气相精馏物料(流线10)，进入粗氩塔K03;粗氩塔设置冷凝蒸发器，冷凝蒸发器的冷流体为富氧液空(流线7);最终在粗氩塔的底部得到脱除氩组分的富氧液空(流线11)，返回上塔;在粗氩塔的上部得到粗氩气(流线12)，复热后外排;冷凝蒸发器的蒸发侧的气相组分(流线8)和
4、液相组分返回至上塔(流线9)。粗氩塔的作用:集中处理了富集氩组分，与图1流程相比，可以在不增加上塔高度的情况下处理氩组分;富氩介质含氮量低，统一在粗氩塔精馏，可在不需过低操作温度下即可完成氩和氧的分离;氩组分在粗氩塔内外排，可以保证上塔顶部的氮气纯度;保证氧纯度的前提下，可提高氧组分收率。除氩塔，也称增效塔，流程见图2所示。图2设置除氩塔(增效塔)3提氩工艺粗氩塔引出的粗氩气的氩气纯度较低，且为气态，不可直接作为氩产品，提取氩需设置精氩塔，分步精馏分别除去氧和氮，流程见图3所示。图3设置提氩塔工艺简述:流线112同图2;粗氩塔的上部得到的粗氩气(流线12)被引入精氩塔K04做进一步提纯，主要脱
5、除可能存在的氮组分;精氩塔的再沸器选用的是自下塔的氮气(流线15)，换热后的氮气(流线16)节流进入冷凝器;粗氩塔的冷凝器的冷源选用的是液氮(流线13)，换热后气化为氮气(流线14)外排;在精氩塔内，自上而下，氩组分逐渐富集，在精氩塔底引出液氩(流线17)作为产品进入储罐;在精氩塔内，自下而上，氮组分逐渐富集，最后在冷凝器内，氮组分依然为气态，在冷凝器换热流道上部排出，氮组分得到脱除。该流程的粗氩塔与图2有所不同，由于提氩系统的粗氩塔较高，布置上需设置粗氩泵方可将富氧液空(流线11)增压返回至上塔。以往工艺设置，除去氧气主要利用化学法，利用氢与氧反应来除去氧气，目前的精馏效率已经可以使用纯物理
6、方式分离，即为无氢制氩工艺。精制液氩需提供更多的分离功和相变冷量，能耗较仅设置除氩系统高。以制氧规模90000Nm3/h的空分装置为例，产出液氩约3000Nm3/h，能耗增加值估计:外输功=(30001.72162)/(36000.37)=627kW液氩相变热:162kJ/kg;氩标态密度:1.72kg/m3;系统制冷系数(COP，外输功与相变热比值):0.37。外输功一般表现在电机耗电或汽轮机耗汽的增加上。循环水耗量=6273600(1+0.37)/(4.1810)=74m3/h4工业设计原则从工艺角度分析，设置除氩塔或提取液氩将有助于氧产品的提取，尤其是在大型空分装置上，这种效果更为显著，
7、实际应用中，一般均设置有除氩或提氩设施。从设备角度分析，设置提氩系统，多出了精氩塔和粗氩泵，投资略高;冷箱体积也略大;提氩需更多的冷量，膨胀机出力增加。从市场角度分析，氩产品在石化行业用户较少，一般没有应用需求，石化企业所生产的氩产品一般均作为副产品外销，市场需求和市场价格是确定是否设置提氩系统的重要因素。近年来，液体市场整体有所升温，需做市场调研后确定。结束语值得说明的是，氩组分处理可在后期改造进行。例如可以在前期设计可以不设置除氩或提氩设施，设置相应管口供后期改造。但这种方式涉及到冷箱改造和珠光砂扒砂，并不推荐以后期改造的方式进行除氩或提氩。参考文献1蒋 俊.富氩气体保护焊在压力容器设备上的应用研究D.南京:南京理工大学，2012.2鄢静瑜，王继成.空分设备产品氧气中氩含量的控制J.深冷技术，2007(1):1215.3钱吉庆，郑甜华.带增效塔空分设备新增提氩系统的流程探讨J.深冷技术，2013(3):3336.4李化治.制氧技术M.北京:冶金出版社，2010. -全文完-
