深冷空分装置氩系统设置研究

怀春雷

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315000)

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[1]。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[2]。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。

1 不设置除氩或提氩设施

流程见图1所示。

图1 不设置除氩或提氩设施

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。

2 设置除氩塔

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)

工艺简述：流线1-6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[3]。

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1-12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方式分离，即为无氢制氩工艺[4]。

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90000 Nm3/h的空分装置为例，产出液氩约3000 Nm3/h，能耗增加值估计[5]：

外输功=(3000×1.72×162)/(3600×0.37)=627 kW

液氩相变热：162 kJ/kg；氩标态密度：1.72 kg/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= 627×3600×(1+0.37)/(4.18×10)=74 m3/h

4 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，实际应用中，一般均设置有除氩或提氩设施[6]。

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。

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。