承钢多机组联合制氩简介

制氧五车间  张  晨

一、何谓多机组联合制氩

承德新新钒股份有限公司制氧厂于2000年11月份投产了杭氧厂生产的、无氢制氩流程的2＃6500m3/h制氧机后，相继将原有的、有氢制氩流程的1＃6500m3/h制氧机和3200m3/h制氧机的粗氩引入2＃6500m3/h制氧机的粗氩Ⅱ塔底部，使得三套不同制氩流程的设备组成了制氩联合体，这就称为多机组联合制氩。

此联网系统投运一年多来，设备运行稳定；2＃6500m3/h制氧机的氩气产量由设计的175m3/h增加至410m3/h；可以生产含氧低于7X10-6，含氮低于7X10-6的氩产品。

承钢多机组联合制氩的成功实施，使有有氢制氩系统而不完全具备生产纯氩产品条件的设备得以充分利用，充分挖掘出各制氧机的氩气资源，填补了该厂有制氩设备而不能生产氩气的历史空白，效益显著。作为一个创新项目，它也同时为具有类似条件的制氧厂开拓了思路、积累了宝贵的经验。

二、联合制氩想法的产生

承德钢厂原有的3200m3/h制氧机1988年投产后，具备出氩气条件而未产氩气；l＃6500m3/h制氧机1994年投产后，由于制氢站产品不达标也一直未产精氩产品。在2000年5月，2＃6500m3/h制氧机正在紧锣密鼓的安装中，当时尚无填料塔、无氢制氩的操作经验，只是从有关资料上了解到该套设备上塔工作压力比筛板塔精馏的有氢设备要低。

于是针对这一点，设想该设备能否还具有更大的氩精馏潜力，能否利用两台制氧机上塔的压差，将1＃6500m3/h制氧机生产的低温粗氩引入2＃6500m3/h制氧机参与无氢制氩的精馏，以提高2＃6500m3/h制氧机氩产量，提高其经济效益？

做为一家没有多少实际操作经验的制氧厂，能够提出联合制氩的这一具有突破意义的想法，确实是难能可贵。正所谓“没有做不到，只有想不到”。

三、联合制氩工作的可行性研究

不同流程的两套设备进行联合制氩在国内尚无成型经验，对联合制氩时的对接位置以及可操作性，都需做大量的理论研究和反复论证，最后通过试验找出答案，用实践来验正理论。

将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备的对接位置有如下三处：原料空气进口处；进粗氩Ⅰ塔前的管道处；进粗氩Ⅱ塔前的管道处。下面就分别对这三个位置进行可操作性的分析以及优劣对比：

1、原料空气进口处：

把无氢制氩设备的粗氩加入到有氢制氩设备原料空气进口，增加原料空气中氩组分的含量，氩塔是否可以照常工作，并且增加氩产量？

1）从蒸馏原理上考虑，究竟馏分抽口位置会不会改变：

众所周知，全精馏系统的主塔压力比较稳定，因为分子筛流程切换周期长，主塔压力波动小，产品氧、氩的提取率高，抽口处氮含量的限制也放松了（从0.01％N2放松到0.04～0.06％N2），而在精馏系统设计时仍然按高标准进行（0.026％N2），留有可调节余地，此其一。

再从O2--Ar--N2的精馏曲线来看，每块塔板上压力、温度一旦定下来，三组分的平衡量也就定了。由于原料空气中氩组分的含量增加，将导致操作线的斜率发生变化，但是上塔的回流比（斜率）是可以通过下塔精馏工况的调节加以改变的，进而使氩馏分抽口的含氮量可以控制在设定范围内，保证粗氩塔不产生“氮塞”是可能的。

2）从粗氩塔水力学上考虑：

空分设备的粗氩塔回流比，一般来说是按32倍设计的（不是按40～45倍设计），因此塔径相对减小。这样一来，随着将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备的原料空气中，原料空气和氩馏分中氩的含量大幅度增加的同时，在粗氩塔内是否会在水力学上被卡住，需要加以重视。

粗氩塔内分离的其绝对量确因原料空气中加入氩而增加了，但水力学状态起了变化，粗氩产量自然也会随之增加。而规整填料塔负荷弹性在40～120％之间，故粗氩塔内增加氩产量20％是可能的。

但是，引入有氢制氩设备的粗氩气与无氢制氩设备的原料空气相比等于杯水车薪，两者一起参加主塔的精馏，引入量的提取率可想而知。

2、进粗氩Ⅰ塔前的管道处：

将有将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备的粗氩Ⅰ塔前的管道处，能否有较大的提取率？

1〕引入点压力较高，而且对引入过来的粗氩气也增加了一部分阻力，不利于引入；

2）引入的粗氩气绝对量远小于无氢制氩设备的氩馏分量，两者一同参与粗氩Ⅰ塔的精馏，不利于发挥其最大作用；，

3〕考虑到有氢制氩设备过来的粗氩气已除掉很大一部分氧组分，粗氩纯度＞96％Ar，如再经过粗氩Ⅰ塔进行精馏，只有＜4％O2的氧组分要被清除，那么完全可以利用粗氩Ⅱ塔来实现除氧目的。

3、进粗氩Ⅱ塔前的管道处：

有人认为，外界的粗氩进人无氢制氩设备中的粗氩Ⅱ塔参与精馏，每提供32m3/h的有氧粗氩进人粗氩Ⅰ塔，只能获得1m3/h的无氧粗氩；或者在粗氩Ⅱ塔底部设置再沸器，使该塔增加32倍的外界粗氩的上升气量，才能获得32m3/h左右的无氧粗氩。这显然不正确的，原因是：

1〕有氢制氩设备中，粗氩塔只有一段，它将氩馏分中的氩含量由9％左右提高到96～97％Ar，氧含量从89～90％减少至1～2％O2。这说明，有氢制氩设备粗氩塔所获得的粗氩组分与无氢制氩设备粗氩Ⅰ塔所获得的粗氩组分基本一致。

2〕无氢制氩设备中，粗氩Ⅰ塔所需要的回流比为32左右，粗氩Ⅱ塔所需要的回流比接近于1。但是粗氩Ⅰ塔回流比所需要的回流液体量，是靠设置在粗氩塔上部的冷凝蒸发器产生的，因此粗氩Ⅱ塔实际的操作回流比也接近于32。但是，外界粗氩进人粗氩Ⅱ塔参与精馏，其回流比接近于1就够了。

3〕有氢制氩设备粗氩塔所获得粗氩压力与无氢制氩设备粗氩Ⅰ塔所产生的粗氩压力相近，但必须进行适当调整。如尽量提高有氢制氩空分设备中上塔的操作压力，降低粗氩塔的操作阻力，并允许粗氩中氧含量较高，尽量降低无氢制氩空分设备中上塔的操作压力，或者采取加压的方法，以保证有氢制氩设备的粗氩压力略高于无氢制氩设备粗氩Ⅱ塔进口的粗氩压力。

4〕由于外界粗氩进入粗氩Ⅱ塔以后，其上升气量及无氧粗氩产量均略有增加。因此，必须对无氢制氩设备中的粗氩塔冷凝器、粗氩液化器、精氩塔冷凝器和精氩塔蒸发器的负荷承受能力进行核算。因此，外界提供的粗氩进入无氢制氩设备的粗氩Ⅱ塔中参与精馏，并获得相当数量的无氧粗氩的工艺改造是可行的。

综合以上分析，将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备的三个可选位置中，粗氩Ⅱ塔前的管道处是最为合理、最利于操作、最能提高提取率的。
四、多机组联合制氩的实现

承钢制氧厂在2000年11中旬，趁2＃6500m3/h制氧机工程收尾之机，在粗氩Ⅱ塔前的§306的管道上开孔为引入点，并将管道经保温后直接敷设到1＃6500m3/h制氧机接口处，等待时机。在2001年4月份，1＃6500m3/h制氧机停产大修时，又将其出粗氩塔的粗氩气管道上开孔引出（不经板式换热器），与2＃6500m3/h制氧机预留的接口对接，实现了两套制氧机管网的连接。其后，进行了多次摸索性的粗氩气联网实验，逐步实现了三套制氩设备的联合制氩。

1、粗氩气直接联网

首先利用1＃6500m3/h制氧机的粗氩气，对联网管道进行冷却、置换后，逐渐与2＃6500m3/h制氧机粗氩系统联网。当2＃6500m3/h制氧机粗氩气的流量由175m3/h经调整后增加到240m3/h左右时，1＃6500m3/h制氧机上塔压力为0.06MPa（表压，下同）、氧纯度99.6％O2、氩馏分8％Ar、粗氩纯度＞96％Ar，2＃6500m3/h制氧机上塔压力为0.04MPa。

全部联网后，这一种操作状态所维持的时间较短，大约在4～5小时后，1＃6500m3/h制氧机主塔工况就发生了明显的变化，氧气纯度下降至98％O2以下，随经多次调整，此类现象仍时有发生。经多次摸索，认为结症所在是：

当2＃6500m3/h制氧机引入135m3/h粗氩气时，其粗氩Ⅱ塔负荷增大；受出装置氧气量的制约，当1＃6500m3/h制氧机送氧量增大时，其上塔压力下降；由于两套制氧机上塔压差相对较小，当1＃6500m3/h制氧机引出的粗氩气减少时，那些没有及时引出粗氩气在1＃6500m3/h制氧机粗氩塔中便被液空冷凝下来，使得粗氩塔回流比增大，造成粗氩塔釜液体中氩浓度增加，进而回流入主冷，污染了主冷，最终导致产品氧气纯度大副下降。

2、增大压差后的再度联网

鉴于以上情况，决定将2＃6500m3/h制氧机上塔压力由0.043MPa下调至0.034MPa，增大两套制氧机上塔的压差。这样一来，1＃6500m3/h制氧机粗氩气的输出量有所增加，2＃6500m3/h制氧机粗氩流量由235m3/h增至250～260m3/h；同时1＃6500m3/h制氧机主塔工况有了较大的改善、氧纯度波动次数减小；工况发生波动时，稍加调整便可控制住，操作的稳定性大有增强；另外，由于降低了2＃6500m3/h制氧机的主塔压力，空压机的能耗也明显下降。

但是随着工况的稳定，又暴露出了新的问题：由于1＃6500m3/h制氧机引出的粗氩气只除去了大部分氧，没有除氮，致使含氮成分较高，使2＃6500m3/h制氧机粗氩塔负荷过大，氩塞现象大增。

3、除氮后的三度联网

通过进一步思考和研究，认为可以尝试利用1＃6500m3/h制氧机的精氩塔来除去部分氮气，如果这一设想可以行的通，则氮塞现象便可彻底解决。

但是，对于有氢制氩设备的精氩塔，不经过加氢除氧，工艺氩气中的不凝气体----氢的组分减少，工艺氩管道压力升不起来，操作精氩塔就非常困难。针对这一问题，采取的解决方法是：控制工艺氩板式换热器温度，将进入精氩塔釜的工艺氩温度控制的比原加氢工艺时略高一些，使工艺氩在精氩塔冷凝蒸发器换热时不会液化太快，保持工艺氩管道压力达0.2MPa以上，保证精氩塔的正常工况。然后，对两台水环式氩气压缩机（流量207m3/h）及相关辅助设备进行了彻底检查并进行试车，确认无误后，于2001年9月23日进行了再次改造。由水环式氩气压缩机压缩的1＃6500m3/h制氧机的粗氩气，经氩干燥器进入精氩塔进行初步除氮，然后再将已成为半成品的含氧精液氩送往2＃6500m3/h制氧机的粗氩Ⅱ塔。这样一来，联合制氩工况基本不受联网设备压力波动的影响（有时压力波动大时，稍做调整即可恢复）。两套设备联网后，2＃6500m3/h制氧机制氩系统的粗氩气流量由上次的270m3/h增加到360m3/h，操作起来也比较顺利。液氩产量由原来的每天5m3增加至每天9.5m3，基本实现了粗氩气联网。

4、多机组联合制氩的实现

通过观察发现，1＃6500m3/h制氧机正常运行时，其精氩塔阻力长期在2～3kPa下工作，而其设计值为6～12kPa，还有很大的精馏潜力。于是决定将1988年投产后、具备出氩气条件而未产氩气3200m3/h制氧机出装置的氩气管线引往1＃6500m3/h制氧机的水环式氩气压缩机处，实现多机组联合制氩。

在把3200m3/h制氧机粗氩气调整合格后（氩馏分纯度约为7％Ar，粗氩纯度纯度为96％Ar），于2002年1月10日将其引入到了粗氩气的网络之中。

至此，2＃6500m3/h制氧机的粗氩气产量再次提高到400m3/h以上，且粗氩塔工况基本稳定，液氩产量也由原来的每天9.5m3则增加至11.8m3。多机组联合制氩得以成功实现。

五、承钢多机组联合制氩的优点

1、保证了制氩的安全性

由于取消了1＃6500m3/h制氧设备氩系统的一些辅助设备，如钯触煤炉、制氢站，保证了制氩的安全性，特别是回避了制氢站的不安全因素。

2、降低了制氩成本

由于甩掉了制氢这些大的耗电设备，减少了维修工作和备品备件的消耗，也减少了操作工，从而制氩成本降低。

3、大幅提高了产量

1＃6500m3/h制氧机粗氩气的设计值为135m3/h、2＃6500m3/h为175m3/h、3200m3/h为50m3/h，合计为360m3/h。而三台制氩设备联网后，2＃6500m3/h制氧机粗氩气的产量达到了410m3/h。液氩产量也由原来的5m3/d增加到了11.8m3/d；

4、制氩系统恢复快

l＃6500m3/h制氧机检修或故障停车、恢复生产时，可以先将 3200m3/h制氧机的高质量的粗氩气引入，使得1＃6500m3/h制氧机粗氩塔先恢复工况，等l＃6500m3/h制氧机粗氩纯度合格后，能马上得到半成品精液氩；

如遇2＃6500m3/h制氧机检修或故障停机、恢复氩生产时，可将1＃6500m3/h制氧机所产的半成品提前引入2＃6500m3/h制氧机，为2＃6500m3/h制氧机粗氩Ⅰ塔提供质量高的回流液，使其粗氩Ⅰ、Ⅱ塔工况恢复加快，恢复时间由原来的24小时，缩短至10至12小时。

但是，将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备中参与精馏、提高氩产量的同时，氩产品中的氧含量会升高。下面就通过讨论粗氩Ⅱ塔的回流比，来证明将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备中参与精馏、提高氩产量的同时，氩产品中的氧含量会升高。

六、有关粗氩Ⅱ塔回流比的讨论

1、粗氩Ⅱ塔的最小回流比

对于一个无中间进料的无氢制氩系统的粗氩塔，其粗氩Ⅰ塔和粗氩Ⅱ塔的回流比是基本相同的（如果要考虑到氩的潜热比氧稍小一些，以及粗氩塔运行时会有环境热量进入，则粗氩Ⅱ塔的回流比要比粗氩Ⅰ塔稍大一些），一般可将粗氩Ⅰ塔和粗氩Ⅱ塔作为一个整体来考虑和计算。但如果要将有氢制氩设备所生产的粗氩，送入无氢制氩设备的粗氩Ⅱ塔的底部，然后又从粗氩Ⅱ塔顶部以无氧氩的形式引出这些氩，这样对无氢制氩塔的影响，主要是会引起粗氩Ⅱ塔回流比的下降，因而必须对粗氩Ⅱ塔的工作情况加以分析和计算。

如同对待其它精馏过程一样，如果可能的话，首先计算出它的最小回流比总是好的，因为这可以首先从理论上指出某种可能或不可能性。笔者在参考文献[2]中所引用的计算氩塔最小回流比的公式，仍然可以适用于粗氩Ⅱ塔最小回流比的计算。最小回流比的计算公式：

               （1）

式中yD是塔顶的氩含量，y0是塔底汽相中的氩含量（如果汽液相平衡点首先出现在塔段中，则y0是塔段中汽相中的氩含量），x0是与y0成相平衡的液相中的氩含量。

需要注意的是，当降低粗氩Ⅱ塔的回流比时，汽液相之间最先达到平衡的点不一定是在粗氩Ⅱ塔的底部，这就必须在粗氩Ⅱ塔塔段中选择多个点代入公式（1）计算，这些计算结果中最大的一个就是粗氩Ⅱ塔的最小回流比。本文将粗氩Ⅱ塔近似看作是一个氩、氧二元系统，粗氩Ⅱ塔的操作压力取25kPa（表压），利用Operator’s Toolkit来直接得到与汽相成平衡的液相中的氩含量，计算结果见表1。

表1 粗氩Ⅱ塔最小回流比的计算(25kPa表压)

因此，粗氩Ⅱ塔的最小回流比约为9.26，这也就是说，在25kPa左右的操作压力下，如果粗氩Ⅱ塔的操作回流比低于9.26，则不可能得到氧含量达10-6级的无氧氩。

2、所需理论塔板数与粗氩Ⅱ塔回流比的关系

虽然粗氩Ⅱ塔的最小回流比约为9.26左右，但这并不意味着粗氩Ⅱ塔在实际运行时，它的操作回流比只要比9.26稍大一些就行了。当回流比减小至接近最小回流比时，塔内汽液相间会接近平衡，精馏过程的推动力减弱，所需要的理论塔板数会大大增加。表2和表3计算的是粗氩Ⅱ塔塔底汽相中氧含量分别为1%和0.5%时，采用逐层塔板法计算的回流比与所需理论塔板数的关系（粗氩Ⅱ塔压力取25kPa表压）。

表2 所需理论塔板数与粗氩Ⅱ塔回流比的关系（塔底氧含量1%）

通常，粗氩Ⅱ塔的理论塔板数不会超过130块，因此，在粗氩Ⅱ塔塔底氧含量1%的情况下，如果想要得到1×10-6的无氧氩，则回流比不能低于28；如果要得到2×10-6的无氧氩，则粗氩Ⅱ塔的回流比不能低于24。

表3 所需理论塔板数与粗氩Ⅱ塔回流比的关系（塔底氧含量0.5%）

由表3可看出，在粗氩Ⅱ塔塔底的氧含量为0.5%时，如果想要得到1×10-6的无氧氩，则回流比不能低于24；如果要得到2×10-6的无氧氩，则粗氩Ⅱ塔的回流比不能低于21。

如果有氧含量1%～2%的外来粗氩气进入粗氩Ⅱ塔的底部，则粗氩Ⅱ塔塔底的氧含量通常是不能降至0.5%以下的，在这种情况下，要得到氧含量1×10-6或2×10-6的无氧氩，实际所需要的回流比应该比表3中的计算值更大。

3、无氧氩中氧含量与粗氩Ⅱ塔回流比的关系

在粗氩Ⅱ塔理论塔板数、塔底氧含量及操作压力一定时，无氧氩中的氧含量取决于回流比的大小，回流比越大，则无氧氩中的氧含量越低，否则就越高。表4是粗氩Ⅱ塔理论塔板数为125块、塔底氧含量1%、操作压力25kPa（表压）条件下，用逐层塔板法计算的无氧氩中氧含量与粗氩Ⅱ塔回流比的关系。

表4 无氧氩中氧含量与粗氩Ⅱ塔回流比的关系

将有氢制氩设备生产的粗氩，送入无氢制氩设备中的粗氩Ⅱ塔的底部时，将引起粗氩Ⅱ塔操作回流比的改变。为简化起见，本文假定有氢制氩设备生产的粗氩，它是以饱和汽相的方式进入粗氩Ⅱ塔底部，粗氩Ⅱ塔顶部的无氧氩也是以饱和汽相的方式取出。这样粗氩Ⅱ塔塔内的回流液体量基本不变，而取出的无氧氩增加，所以粗氩Ⅱ塔的回流比减小，精馏过程推动力减小，无氧氩中的氧含量必定会升高。请看以下的一个计算实例。

如果有一个无氢制氩设备的粗氩Ⅱ塔，它在正常操作时，底部氧含量1%，回流比为30，操作压力25kPa（粗氩Ⅱ塔操作压力大约在20～30kPa之间，取其平均值），则要保持顶部无氧氩中的氧含量为1×10-6，则可计算出此粗氩Ⅱ塔的理论塔板数为127块；如果要保持顶部氧含量2×10-6，则可计算出粗氩Ⅱ塔的理论塔板数为117块。现将有氢制氩设备生产的粗氩，送入无氢制氩设备的粗氩Ⅱ塔底部，以求从粗氩Ⅱ塔多引出无氧氩，则可用逐层塔板法计算出无氧氩中氧含量与无氧氩的增产量之间的关系，见表5（粗氩Ⅱ塔底部氧含量仍为1%，操作压力不变）。

表5 无氧氩中氧含量与增产量的关系

由表5可看出，无氧氩增产后，无氧氩中的氧含量会升高，而且是增产量越多，无氧氩中的氧含量也升高得越多。如果改变回流比、操作压力、粗氩Ⅱ塔塔底或塔顶氧含量等数据来计算，也能得出这一结论。

4、小结

1）、粗氩Ⅱ塔的最小回流比约为9.26。如果想要得到1×10-6或2×10-6的无氧氩，则粗氩Ⅱ塔的回流比必须达到一定的要求，通常要求在21以上，甚至更大，不能随意降低。

2）、将有氢制氩设备中所生产的粗氩送入无氢制氩设备中，虽然可以增加无氢制氩设备的氩产量，但粗氩Ⅱ塔顶部无氧氩中的氧含量、即氩产品中的氧含量会升高。

七、结论

1、通过理论分析，认为：将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备中，提高无氢制氩设备的氩产量的方法是可行的。

2、通过对将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备的三个可选位置的分析，认为：粗氩Ⅱ塔前的管道处是最为合理、最利于操作、最能提高提取率的。

3、通过承钢多机组联合制氩的实践，证明：将有氢制氩设备的粗氩加入到无氢制氩设备的粗氩Ⅱ塔底部，是可以提高无氢制氩设备的氩产量的。

4、通过计算粗氩Ⅱ塔的最小回流比，以及与相关参数的比较后，得出：将有氢制氩设备中所生产的粗氩送入无氢制氩设备中，虽然可以增加无氢制氩设备的氩产量，但粗氩Ⅱ塔顶部无氧氩中的氧含量，即氩产品中的氧含量会升高。

2003.12

参考文献：

1、杭氧(退休),陈逸樵. 《空分技术问答》

《深冷技术》，2002年第1期 : 55～56页。

2、杭氧(退休),叶必楠.《空分技术问答》

《深冷技术》，2002年第6期 : 53～54页。

3、扬子石化,孙全海.《有关粗氩Ⅱ塔回流比的讨论》.

《气体分离》，2003年第3期 : 18～20页。

4、承钢制氧厂,杜金明等.《浅谈多机组联合制氩》.

《气体分离设备技术交流会论文集》，

2003年10月 : 73～75页 。