浅析空分装置产品氧中氩含量超标的原因及解决措施

谭太敏 胡 平

(河南能源集团贵州黔希化工有限责任公司，贵州黔西，551500)

1 引言

贵州某煤制乙二醇装置拥有一套48000Nm3/h的大型内压缩空分装置，该装置由开封空分设计安装，空压机组采用汽轮机一拖二方式驱动，同时设计带氩系统。装置主要为煤气化装置提供39000Nm3/h的高压氧气，同时为乙二醇合成系统提供9000Nm3/h低压氧气，以及为后工序提供各个压力等级不同的氮气及其压缩空气，装置运行时同时副产99.999%的高纯液氮以及产品液氧。该装置自投产以来由于精馏塔下塔至上塔的液空节流阀73HV010出现卡死在50%的开度无法动作，导致下塔液空液位无法建立至设计值600mm，下塔液空大量进入主精馏塔上塔。由于该装置提氩系统粗氩Ⅰ塔和精氩塔均采用来自下塔的液空作为冷源，液空节流阀73HV010卡在50%的开度过大导致分配去粗氩Ⅰ塔和精氩塔的液空量减少，冷量不足，同时还有气液夹带现象造成冷箱内管道液击振动伴随着巨大风险，所以氩系统一直未能投运，装置中的氩组分没有有效地分离出来。近期由于装置正常运行时氧纯度在线分析仪表73AI003出现波动，氧纯度波动，误导操作人员在调节工况时导致富氧液空纯度下降，最终工况恶化导致氧纯度大幅下降。操作人员发现氧纯度下降时对系统做出的调整方法是：(1)将如图1中液氮去上塔节流阀V2关小4%的开度；(2)将如图1中液空去上塔节流阀V1开大3%的开度；(3)同时将如图1中污液氮去上塔阀门V3关小4%的开度。

装置正常运行稳定后精馏工况处于一个固定状态，一般只能对阀门做轻微调整，上述操作关小如图1中污液氮阀V3和关小液氮节流阀V2导致去上塔的污液氮和液氮量减少，上塔回流比降低，下塔回流液增多导致液空纯度降低；流经主冷凝蒸发器氮侧的量少，造成精馏塔主冷凝蒸发器热负荷降低，主冷凝蒸发器蒸发量少上升蒸汽减少，液空纯度降低含氮量高导致去上塔提馏段参与精馏的液空温度低，大量的氮组分和氩组分得不到有效分离而溶解在主冷凝蒸发器的液氧中，最终造成氧纯度降低，这种调节方法对于提高氧纯度恰恰是相反的。

2 造成氧中氩含量超标的原因分析

(1)首先关小如图1中V2液氮节流阀，减少液氮去上塔的量，污液氮节流阀V3关小4%的开度，污液氮流量从24000Nm3/h减少到14700Nm3/h，减少了9000Nm3/h的污液氮都回到了下塔，那么下塔液氮和污液氮回流量将会大大增多，回流比增大液空纯度肯定会降低，与此同时液氮纯度肯定会升高，液空纯度降低以后液空里面氮含量增加导致液空温度降低，对于上塔液空进料口而言液空作为热源提供给提馏段，热源减少了从塔顶下流的回流液液氮和污液氮得不到完全蒸发而继续下流将氩馏分冷凝后进入主冷导致主冷液氧里面氩含量升高。因为氩和氧的沸点非常的接近(氧-182℃、氩-186℃)，很容易就溶解在氧里，而此时如图1中液氮节流阀V2关小以后，主冷的蒸发量随之减少，因为液氮在主冷中相对于氧侧来说是作为热源提供给主冷，下塔压力是上塔的十倍，所以氮的液化温度比上塔液氧的要高，能把主冷中的氩和氮都蒸发出去。若氩系统运行，此时的氩富集区已经往下移动，氩馏分抽口氮含量会增加，氩系统会发生轻微氮塞，若处理不及时氮塞将加剧，会波及整个主塔精馏工况。

图1 精馏塔简图

(2)在精馏塔中液空纯度和液氮纯度是相互制约的，当液空纯度很高的时候说明液氮回流液的量很少，回流液少上升蒸汽就大，大部分的氮被抽走，混合组分在下塔筛板上还没有完全分离的液空蒸汽也随之被抽走，所以导致氮纯度下降，反之亦然。控制液空纯度和氮纯度要找一个相对平衡点，每一套空分装置精馏塔在设计时产能和纯度决定了塔高和筛板的层数，都会有一个阻力值，通过阻力判断精馏回流比，一般氮纯度度控制在2ppm时液空纯度是最好的，也就是下塔阻力控制在17kPa，夜空纯度约为39%左右，达到设计所需。

(3)如图1中液空节流阀V1对于上塔的精馏工况的改变几乎没有太大影响，因为液空进料口设置在上塔提馏段，下塔液空流经过冷器回收来自上塔的反流污氮气和纯氮的冷量后经节流阀减少气化量进入提馏段，为上塔的精馏工况提供热源提供上升蒸汽，所以建立正常工况后一般液空节流阀V1基本不用去刻意调节，该套装置另一个液空节流阀73HC010若能够正常动作，液空节流阀V1作为下塔液位调节，通常自控运行。

(4)来自下塔的污氮调节阀V3根据设计流量24000Nm3/h来做调整，当前负荷已经达到装置容量的95%，同理要维持上塔正常精馏工况污液氮去上塔的量不能低于23000Nm3/h才能维持正常精馏工况，因为进料口在精馏段上部冷量变化对上塔精馏段工况影响非常大。

3 针对上述不正常工况提出如下处理措施

(1)装置正常运行时发现氧纯度下降时，可通过液空纯度在线分析仪73AI001和液氮纯度在线分析仪73AI002以及上下塔阻力计正确判断液空纯度分析仪的准确度。

(2)对于精馏塔富氧液空节流阀V1、富氧液空旁路阀73HC010、贫液空节流阀V4、液氮节流阀V2、污液氮节流阀V3，尽量不要做大幅度调整，确需调整工况，对阀门每次只能做0.5%—1%的小幅度调整，观察30分钟左右是否达到预期目标后才能再次做一下步调整，尤其是液氮节流阀V2和污液氮节流阀V3，做调整后会改变上下塔的回流液，同时回流比改变后进而打破上下塔原有的精馏工况平衡，阀门开度大了去上塔的回流液增多，在下塔的回流液减少，氮纯度高，液空纯度低进而造成氧纯度低，反之亦然。若确实需要调整时，调整每一只阀门以后至少停留30分钟左右观察是否达到预期目标，若发现与预期目标背道而驰立即恢复其原先状态，若接近预期目标说明调节方法正确可继续进行下一步操作，切勿大幅度调节阀门以后不管不看任由其自发变化。同时对精馏塔阀门做调整时必须现场确认阀门阀杆是否被冰冻住，确认能灵敏动作。

(3)氧纯度确实降低时可根据氮纯度调节液氮节流阀V2进行下塔液空纯度调整，开大液氮节流阀V2，去上塔的液氮增多，主冷热负荷增加蒸发量也随之增加，在主冷凝蒸发器里的易挥发组分更多地被蒸发出去，同时下塔回流液相对减少，在下塔从上到下各塔板上冷量减少，在底部液空里易挥发组分更多地逃逸出去，留下更多的氧，液空含量上升以后氧纯度随之会上升。

(4)在本装置中设置的73HC012是在氩系统投运时对上塔提馏段上升蒸汽量做调整的，调整提馏段氩聚集区上下移位，确保氩馏分抽取含氮量减少，在氩系统不投运时保持8%的开度使管道和系统温度一样以减少应力对管道以及塔器的损伤即可。

(5)每次调整工况以后，一定注意对DCS巡盘，以观察工况是否接近预期目标值。

(6)如图1中V1液空去上塔节流阀在正常操作时，可以自动控制下塔液位，下塔液位不可太低，防止去上塔液空气液夹带，对管道形成液击同时影响上塔工况和对阀门冲蚀。

(7)膨胀机减负荷时应先开回流阀74FIC057，再关喷嘴调节防此膨胀机喘振，要求膨胀机喷嘴阀位65%以下时回流阀74FIC057应全开，保证膨胀机安全稳定运行。

(8)本装置污液氮V3流量设计正常工况时为24000Nm3/h，低报22000Nm3/h；下塔液空纯度分析仪73AI001低报37%；下塔液空液位73LIC001高报500mm，低报200mm；氧纯度分析仪73AI003低报99.7%，任何一个参数发生报警时必须立即做出正确判断，及时调整。

4 结束语

装置通过上述调整处理后，在氩系统未投运前主精馏塔运行较为稳定，产品氧中未检出氩，同时在末端合成工序均未检出氩含量，达到了预期效果。因为氩气为惰性气体，进入下一个工序后无论是在煤气化装置还是乙二醇合成工序均不能参与反应，会积聚在催化反应器中占据催化剂的接触面积，使有效气体放空装置减产。

当前空分装置已逐步迈入大型化、自动化时期，大型内压缩空分装置相对于外压缩小型空分装置运行更安全、更稳定、更节能，内压缩流程采用液氧抽取经高低压液氧泵直接加压后到板式换热复热送出，免去外压缩装置使用氧气透平压缩带来的危险；液氧泵加压采用无油润滑，更安全、更高效，同时连续不断地从主冷凝蒸发器抽取液氧降低了主冷凝蒸发器总烃和乙炔的聚集，增加了主冷凝蒸发器的安全性，使整个装置更为安全可靠。大型空分装置可操作弹性更强，负荷裕度更宽。