对全精馏提氩的理论认识和在工艺操作中的应用

对全精馏提氩的理论认识和在工艺操作中的应用

作者：刘海玲

来源：《科学与财富》2011年第05期

[摘 要] 本文从精馏的角度，根据空气中氧、氮、氩的物理特性，全面分析了氩在空分塔各段中富集。精馏的情况，以及氩在粗氩塔、精馏塔中精馏的全过程，并据此总结出一些规律，以便在实际操作中应用。 [关键词] 精馏 富集 回流比 提取率

一、空分塔下塔、上塔中氩的精馏

我们知道，氩在空气中的含量为0.932%，沸点介于氧、氮之间。它与氧有3℃的沸点差，与氮有10℃沸点差。随着加工空气进入空分塔（主塔）下塔的氩大部分都在液空中，从这个意义讲，氩的精馏过程是从空分塔下塔开始的。在下塔的精馏过程中，由于釜液中含量约为40%甚至更低，含氮量约为60%，塔顶为高纯氮。与氮相比，氩为高沸点组分，沿塔高自上而下在液相中氩的浓度总是大于气相中浓度。在下塔中，氩有些积聚，但是不大。可见，氩对下塔的精馏影响较小。进入下塔空气中的氩大部分随液空进入上塔，小部分随污液氮进入上塔。在上塔液空进料口以上的精馏段，氩相对于氮是高沸点组分，因此氩浓度将随塔高自上而下地逐渐增大，当增大到一定程度，在精馏段会出现一个恒浓度区，在恒浓度区内，氧和氩浓度的变化都很小。在该区内引入液空或膨胀空气以打破这种平衡，使精馏继续进行下去。在液空进料口一下的提馏段，氧和氩相对于氮仍是高沸点组分，因此液相中氧、氩浓度沿塔高自上而下逐渐提高，但经过一定数量塔板后氩浓度迅速下降。此时，氩从原来的高沸点组分变为低沸点组分。这样在上塔提馏段就有一个氩的富集区。氩的富集区浓度将近可达到18%。在空分塔中，氩精馏的结果是获得了一个最高浓度达18%的富集区，从这个区的适当位置抽取氩馏分作为提氩系统的原料。是不是抽取的氩馏含氩浓度越高越好呢？当然不是。一般认为抽取馏分浓度为8%～12%为最合适。 二、粗氩塔和静氩塔的精馏

从上塔适当的位置抽取8%～12%Ar的气态氩馏分从粗氩塔的底部导入。由于氧和氩沸点相近，氮的冷凝温度都比它们低，粗氩冷凝器取用过冷的液空。此时，氮几乎都集中在粗氩塔中的顶部，随粗氩产品导出。由此看知粗氩塔中氮是不参与精馏的，粗氩塔进行的是二元精馏。氧在粗氩塔中作为高沸点被洗涤下来，作为回流液最后流回空分塔上塔。粗氩塔的理论高度是很高的，这主要是因为氩与氧的沸点非常接近。因此粗氩塔常常被分为两段，粗氩塔Ⅰ、

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粗氩塔Ⅱ。粗氩塔的目的是除去氩馏分中的氧，对于高纯产品的提氩装置，粗氩产品中的氧的含量不允许超过3ppm。那么怎样达到这个要求呢？那就是提高理论塔板数，采用先进的填料，选择合适的回流比。当然我们不能无限制的增加塔高来实现这个目的。但是，随着规整填料在精馏中的应用，此要求也就不难实现了。粗氩回流数是一个重要的参数，它对粗氩产品的纯度有直接的影响。我们可通过下面的公式做计算。 F最小=V粗氩×F工作 (1) V增分=V回流液+V粗氩 （2） F工作=（1.5～1.1）×F紧小 （3） F最小=1÷（1/R-1） （4） R=V回流液÷V增分 （5）

以上经验值得我们借鉴，V增分=35V粗氩L双空=50V粗氩

前面提到的氩与氮的沸点差高达10℃，因此通过低温精馏可获得含氮量（＜5ppm）很低的产品。从粗氩塔Ⅱ来的粗氩经液化器冷却后，以饱和蒸汽形成进入纯氩塔的中部，工艺氩在纯氩塔的精馏段与塔顶流下的回流液传质传热，上升蒸汽中的氮组分不断的被蒸发进入上升蒸汽。上升到塔顶的蒸汽被冷凝器中的液氮冷凝后作为回流液。这样不断的蒸发和冷凝，最后在塔釜获得高纯的液氩产品。为保证纯氩塔建立起正常的工况，冷凝器和液化器必须保证4～5℃的温差。纯氩塔的工作压力，当液氩不需要过冷时，应保持1.2～1.3×105Pa，相应纯液氩的温度可达到88～86K.因为氩的三相点温度84K，如果需要过冷，为防止液氩固化，纯氩塔的工作压力应保持在2～2.2×105Pa,液氩温度提高到95～96K，此时允许液氩过冷6～8K。纯氩塔精馏段起着洗涤的作用，纯氩的纯度主要靠纯氩塔的提馏段来保证。如氩中的氮从0.1%降到0.005%+块塔板就能满足要求。 三、结论

通过以上的叙述，我们对氩的精馏过程有了一个全面的了解，从中我们可以总结出如下结论。

1、氩的精馏是从空分塔下塔开始的，因此调整氩塔时必须从下塔开始。由于在下塔，雅思网积聚效应不大，它基本上随液空进入上塔，所以下塔的调整只是针对氩的提取率而言的。 2、下塔液空的纯度（主要指含氮量）影响粗氩冷凝器的热负荷。 3、上塔的液空和膨胀量的调整直接影响氩的积聚和抽馏口的含氩量。

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4、可通过加大污液氮回流量和上塔精馏段液空回流量来调整氩区的位置，使氩区下移。 5、由于液空的抽取对下塔的回流影响较小，因此，常常优先考虑调整液空回流来调整氩区位置。

6、馏分的抽取值维持8%～12%最后。若氩馏份含氧量太高，将导致粗氩含氧量上升，塔内阻力会升高，且氩提取率会下降，产量减少。氧含量太低，则含氮量往往会升高，含氮量过高，又会导致粗氩塔精馏工况恶化（如产生“氮塞”）。过多的氮带入纯氩塔又会增加纯氩塔的精馏负荷，并影响产品纯度。同时，影响主塔的氧纯度。

7、要维持氩系统的稳定，必须保证主塔的稳定。通常氧产品纯度波动0.1%，氩馏分中的氩含量就有波动0.8%～0.1%。

8、冷量不足或冷量过剩都可能影响氩馏分的组成和抽取量。必须维持主冷液面得稳定。氩馏分含氧量过多，抽取的氩馏分多粗氩塔的回流比减少，粗氩的纯度下降。氩馏分中氮含量增多，粗氩冷凝器的温差就小，粗氩塔下流液体减少，回流比减小，粗氩的纯度也下降。 9、回流比减小时，可通过调整冷凝器的热负荷来增大回流量。 四、实际生产中的应用

目前，我厂为28000Nm3/h(O2)空分装置配套的XKAr-160-Ⅳ型提氩装置已开车成功并投入运行。该套装置采取全精馏无氢提氩流程。从空分塔上抽取氩馏分进入粗氩塔I，粗氩塔冷凝器采用液空作为冷源，在粗氩塔Ⅱ顶部获得含氧量低于3ppm含氩量大于98.5%的粗氩后从中部进入粗氩液化器进行冷却，冷却后的粗氩从中部进入纯氩塔参与精馏。在纯氩塔的底部获得高纯的液氩。粗氩液化器和纯氩塔冷凝器利用过冷的污液氮作为冷源，纯氩蒸发器采用中压液氮作为粗氩液化器的冷源。主要操作指标我们规定为：

1、抽取氩馏分含氩量为9%～11%，抽取量为5300～5700Nm3/h。 2、粗氩产出量为165～175Nm3/h。

3、由公式（2）（5）计算得出回流比R=0.99.

4、该装置的操作弹性很大，目前生产已超过设计量（165Nm3/h）。根据估算最大产量可达200Nm3/h。

5、我们通过控制主塔的污氮纯度（5%左右）来控制氩馏分含量，效果比较明显。 6、纯氩塔的压力控制在18LPa较好。精氩塔的压力控制在20KPa较好。

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7、粗氩塔和精氩塔的压差必须达指标，一般粗氩塔I的指标控制在4KPa，粗氩塔的指标为7KPa，精氩塔指标为6KPa。■