懷春雷

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315000)

氬是稀有氣體的一種，主要用于焊接保護(hù)、金屬冶煉、照明技術(shù)、生物發(fā)酵等行業(yè)中[1]。干空氣中，氬組分的體積含量約為0.93%，僅次于氮組分和氧組分，深冷分離是工業(yè)上生產(chǎn)氬氣的主要方式。氬氣、氧氣、氮?dú)獾募兘M分露(泡)點(diǎn)分別為-185.7℃、-182.9℃、-195.6℃，氧氣和氬氣的露點(diǎn)十分接近，氬組分主要影響氧氣的提取率和純度，常規(guī)深冷精餾工藝生產(chǎn)的氧氣中主要雜質(zhì)氣體為氬氣[2]。工業(yè)上，深了分離裝置的氬組分的處理方式主要有三種：不設(shè)置除氬或提氬設(shè)施、設(shè)置除氬設(shè)施、設(shè)置提氬設(shè)施。

1 不設(shè)置除氬或提氬設(shè)施

流程見圖1所示。

圖1 不設(shè)置除氬或提氬設(shè)施

工藝簡(jiǎn)述：換熱器冷卻后的原料空氣(流線-1)進(jìn)入下塔K01；下塔上部得到純氮組分，可作為氮產(chǎn)品(流線-3)和上塔回流液(流線-4)；下塔底部得到富氧液空(流線-2)進(jìn)入上塔K02，原料空氣中的氬組分隨富氧液空進(jìn)入上塔參與精餾；上塔精餾時(shí)，氬組分最為富集的地方在上塔的中下部，即約為圖中A點(diǎn)位置，此位置氬組分含量最高；A點(diǎn)之上，氮組分富集，頂部氮組分純度最高(流線-6)，A點(diǎn)之下，氧組分富集，在底部引出氧產(chǎn)品(流線-5)。

由于該工藝未設(shè)置任何除氬或提氬裝置，為保證氧氣產(chǎn)品的純度，必然需要將氬組分引至頂部流線-6中，對(duì)流線-6的氮?dú)饧兌扔杏绊憽?/p>

由于該工藝未設(shè)置任何除氬或提氬裝置，為保證氧氣產(chǎn)品的純度，主冷需要更多的熱負(fù)荷將氬組分轉(zhuǎn)移到氣相中，且上塔塔板數(shù)需增加，能耗略有增加。

若需保證能耗或氮?dú)饧兌?，則需對(duì)氧氣純度或氧氣提取率有所犧牲。

2 設(shè)置除氬塔

除氬塔，也稱增效塔，流程見圖2所示。

圖2 設(shè)置除氬塔(增效塔)

工藝簡(jiǎn)述：流線1-6同圖1中流線功能；不同的是在氬組分富集區(qū)設(shè)置管線引出氣相精餾物料(流線-10)，進(jìn)入粗氬塔K03；粗氬塔設(shè)置冷凝蒸發(fā)器，冷凝蒸發(fā)器的冷流體為富氧液空(流線-7)；最終在粗氬塔的底部得到脫除氬組分的富氧液空(流線-11)，返回上塔；在粗氬塔的上部得到粗氬氣(流線-12)，復(fù)熱后外排；冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)的氣相組分(流線-8)和液相組分返回至上塔(流線-9)。

粗氬塔的作用：集中處理了富集氬組分，與圖-1流程相比，可以在不增加上塔高度的情況下處理氬組分；富氬介質(zhì)含氮量低，統(tǒng)一在粗氬塔精餾，可在不需過低操作溫度下即可完成氬和氧的分離；氬組分在粗氬塔內(nèi)外排，可以保證上塔頂部的氮?dú)饧兌?；保證氧純度的前提下，可提高氧組分收率[3]。

3 提氬工藝

粗氬塔引出的粗氬氣的氬氣純度較低，且為氣態(tài)，不可直接作為氬產(chǎn)品，提取氬需設(shè)置精氬塔，分步精餾分別除去氧和氮，流程見圖3所示。

圖3 設(shè)置提氬塔

工藝簡(jiǎn)述：流線1-12同圖2；粗氬塔的上部得到的粗氬氣(流線-12)被引入精氬塔K04做進(jìn)一步提純，主要脫除可能存在的氮組分；精氬塔的再沸器選用的是自下塔的氮?dú)?流線-15)，換熱后的氮?dú)?流線-16)節(jié)流進(jìn)入冷凝器；粗氬塔的冷凝器的冷源選用的是液氮(流線-13)，換熱后氣化為氮?dú)?流線-14)外排；在精氬塔內(nèi)，自上而下，氬組分逐漸富集，在精氬塔底引出液氬(流線-17)作為產(chǎn)品進(jìn)入儲(chǔ)罐；在精氬塔內(nèi)，自下而上，氮組分逐漸富集，最后在冷凝器內(nèi)，氮組分依然為氣態(tài)，在冷凝器換熱流道上部排出，氮組分得到脫除。

該流程的粗氬塔與圖2有所不同，由于提氬系統(tǒng)的粗氬塔較高，布置上需設(shè)置粗氬泵方可將富氧液空(流線-11)增壓返回至上塔。以往工藝設(shè)置，除去氧氣主要利用化學(xué)法，利用氫與氧反應(yīng)來除去氧氣，目前的精餾效率已經(jīng)可以使用純物理方式分離，即為無氫制氬工藝[4]。

精制液氬需提供更多的分離功和相變冷量，能耗較僅設(shè)置除氬系統(tǒng)高。

以制氧規(guī)模90000 Nm3/h的空分裝置為例，產(chǎn)出液氬約3000 Nm3/h，能耗增加值估計(jì)[5]：

外輸功=(3000×1.72×162)/(3600×0.37)=627 kW

液氬相變熱：162 kJ/kg；氬標(biāo)態(tài)密度：1.72 kg/m3；系統(tǒng)制冷系數(shù)(COP，外輸功與相變熱比值)：0.37。外輸功一般表現(xiàn)在電機(jī)耗電或汽輪機(jī)耗汽的增加上。

循環(huán)水耗量= 627×3600×(1+0.37)/(4.18×10)=74 m3/h

4 工業(yè)設(shè)計(jì)原則

從工藝角度分析，設(shè)置除氬塔或提取液氬將有助于氧產(chǎn)品的提取，尤其是在大型空分裝置上，這種效果更為顯著，實(shí)際應(yīng)用中，一般均設(shè)置有除氬或提氬設(shè)施[6]。

從設(shè)備角度分析，設(shè)置提氬系統(tǒng)，多出了精氬塔和粗氬泵，投資略高；冷箱體積也略大；提氬需更多的冷量，膨脹機(jī)出力增加。

從市場(chǎng)角度分析，氬產(chǎn)品在石化行業(yè)用戶較少，一般沒有應(yīng)用需求，石化企業(yè)所生產(chǎn)的氬產(chǎn)品一般均作為副產(chǎn)品外銷，市場(chǎng)需求和市場(chǎng)價(jià)格是確定是否設(shè)置提氬系統(tǒng)的重要因素。近年來，液體市場(chǎng)整體有所升溫，需做市場(chǎng)調(diào)研后確定。

值得說明的是，氬組分處理可在后期改造進(jìn)行。例如：可以在前期設(shè)計(jì)可以不設(shè)置除氬或提氬設(shè)施，設(shè)置相應(yīng)管口供后期改造。但這種方式涉及到冷箱改造和珠光砂扒砂，并不推薦以后期改造的方式進(jìn)行除氬或提氬。