空分知识 | 空气设备氩馏分流量影响因素及调节方法分析
周金城，刘江淮，王胜利 马鞍山钢铁股份有限公司气体销售分公司
摘要:空分设备下塔、上塔、粗氩塔的不同精馏工况影响氩馏分流量的因素不同，使得氩馏分流量的调节方法也不 同。以马钢20000m3 /h 液氧内压缩流程空分设备与35000m3/h 氧气外压缩流程空分设备为例，详细分析空分设 备下塔、上塔、粗氩塔不同精馏工况对氩馏分流量的不同影响因素，介绍20000m3 /h 空分设备热开车粗氩塔投运 阶段、35000m3/h 空分设备正常运行变负荷状态的氩馏分流量调节方法运用实例。
0 引言
在空分设备粗氩塔中，氩馏分是提纯气态粗氩 的原料气。气态氩馏分在空分设备上塔提馏段氩富 集区抽取，进入粗氩塔作为上升蒸气参与精馏，进行 氧、氩组分分离，制取气态粗氩。空分设备主塔、粗 氩塔精馏工况变化，对氩馏分流量影响大。
马鞍山钢铁股份有限公司( 以下简称: 马钢) 20000m3/h 液氧内压缩流程空分设备是杭氧设计、 制造。20000m3/h 空分设备采用空气循环增压、膨 胀空气进下塔、液氧内压缩及氮气外压缩、全精馏制 氩工艺流程。马钢35 000 m3 /h 氧气外压缩流程空分设备是 法液空设计、制造。35000m3/h 空分设备采用膨胀 空气进上塔、氧气氮气外压缩、全精馏制氩工艺流 程。马钢20 000 m3 /h 液氧内压缩流程空分设备与 35000m3/h 氧气外压缩流程空分设备在热开车及 冷开车粗氩塔投运阶段、正常运行变负荷状态，对空 分设备下塔、上塔、粗氩塔精馏工况影响氩馏分流量因素进行分析，采用有效氩馏分流量调节方法，缩短 空分设备开车粗氩塔投运时间，保证空分设备运行 工况稳定。
1 氩馏分流量影响因素分析
氧含量90% ～ 91%、氩含量8% ～ 10%、氮含 量＜ 0． 1% 的气态氩馏分从空分设备上塔提馏段氩 富集区的氩馏分抽口处上升蒸气中抽取。上塔提馏 段氩富集区氩馏分抽口位置的上升蒸气流量变化， 影响抽取的氩馏分流量。同时，粗氩冷凝器热负荷 与粗氩塔运行工况，直接影响抽取的氩馏分流量。
1． 1 下塔精馏工况
1． 1． 1 加工空气流量
根据空分设备物料、组分平衡原理，空分设备上 塔提馏段抽取的氩馏分流量正常运行值由空分设备 入塔参与精馏的加工空气总量确定。
1． 1． 1． 1 低压空气流量
氧气外压缩与内压缩流程空分设备的低压空气 入下塔作为上升蒸气参与精馏，低压空气焓值高，低 压空气流量变化直接影响主冷热负荷，氩馏分流量 变化。
改变低压空气流量影响主冷热负荷，使主冷液 氧蒸发量发生变化，上塔提馏段上升蒸气流量变化， 氩馏分抽口位置的上升蒸气流量变化，氩馏分流量 发生变化。
调节入下塔参与精馏的低压空气流量，主冷蒸 发侧液氧蒸发量变化明显，上塔提馏段氩馏分流量 与氩馏分氩含量变化幅度大，氩馏分流量与氩含量 运行值易控制，空分设备低压空气总量限制氩馏分 流量调节范围。
低压空气流量调节方法，适用于氧气外压缩、内 压缩流程空分设备粗氩塔投运、正常运行状态时氩 馏分流量较大幅度调节。
1． 1． 1． 2 中压膨胀空气、高压空气流量
在氧气内压缩流程空分设备中，中压膨胀空气 与高压空气均入下塔进行精馏。中压膨胀空气是物 料与冷量载体，焓值较低，为空分设备精馏提供部分 加工空气及大部分制冷量。
中压膨胀空气经气液分离器分离，气态的膨胀空气入下塔作为上升蒸气参与精馏。改变膨胀空气流量，使下塔上升蒸气液化量、回流液体蒸发量发生变化，主冷热负荷改变，上塔提馏段氩馏分流量变化。
在氧气内压缩流程空分设备中，高压空气以液 体形式直接入下塔，作为下塔回流液参与精馏，焓值 低。改变高压空气流量，直接导致下塔回流液体流 量改变，使进入主冷冷凝侧换热的下塔上升蒸气流 量变化，主冷热负荷改变，上塔提馏段氩馏分流量变 化。
调节入下塔中压膨胀空气、高压空气流量，上塔 提馏段上升蒸气流量变化幅度较小，氩馏分流量调 节精馏时间长，氩馏分流量不易控制。中压膨胀空气、高压空气流量调节方法，不适用 于内压缩流程空分设备正常运行状态时调节氩馏分 流量。
1． 1． 2 液氮产品产量、下塔压力氮气流量
改变从主冷冷凝侧抽取的液氮产品流量，主冷 冷凝侧换热面积发生变化，主冷热负荷变化，主冷液 氧蒸发量发生变化，上塔提馏段氩馏分抽口位置的 上升蒸气流量变化，氩馏分流量变化。
改变从下塔上部抽取的压力氮气流量，进入主 冷冷凝侧与蒸发侧液氧进行换热的氮气流量变化， 主冷液氧蒸发量发生变化，上塔提馏段上升蒸气流 量变化，氩馏分流量变化。
调节主冷冷凝侧抽取的液氮产品流量与下塔上 部抽取的压力氮气流量，主冷热负荷变化明显，上塔 提馏段氩馏分流量变化明显，氩馏分流量运行值稳 定且易控制，液氮产品纯度、产量与氮气纯度限制氩 馏分流量调节范围。
液氮产量、下塔压力氮气流量调节方法，适用于 氧气外压缩、内压缩流程空分设备粗氩塔投运、正常 运行状态时氩馏分流量较小幅度调节。
1． 2 上塔精馏工况
1． 2． 1 氧气流量及液氧产品产量
改变氧气外压缩流程空分设备上塔提馏段抽取 氧气流量，直接改变上塔提馏段上升蒸气流量，氩馏 分流量变化。
改变液氧内压缩流程空分设备主冷蒸发侧抽取液氧流量、液氧产品产量与改变氧气外压缩流程空分设备主冷抽取液氧产品产量，主冷蒸发侧液氧蒸发量变化，上塔提馏段氩馏分抽口位置的上升蒸气流量变化，氩馏分流量变化。
调节氧气外压缩流程空分设备氧气流量，上塔提馏段氩馏分抽口位置的上升蒸气流量变化明显，氩馏分流量运行值易调节，氧气产量、纯度与氩馏分氩含量限制氩馏分流量调节范围。
调节液氧内压缩流程空分设备氧气流量、液氧 产品产量与氧气外压缩流程空分设备液氧产品产 量，上塔提馏段上升蒸气流量变化幅度小，氩馏分流 量运行值不易控制，氧气及液氧产品产量、纯度与主 冷安全运行值限制氩馏分流量调节范围。
氧气流量调节方法，适用于氧气外压缩流程空 分设备粗氩塔投运、正常运行状态时氩馏分流量小 幅度调节，不适用于内压缩流程空分设备粗氩塔投 运、正常运行状态时氩馏分流量调节。
液氧产品产量调节方法，均不适用于氧气外压 缩与内压缩流程空分设备氩馏分流量调节。
1． 2． 2 低压膨胀空气流量
在氧气外压缩流程空分设备中，低压膨胀空气 入上塔精馏段参与精馏，同时为空分设备提供制冷 量。改变低压膨胀空气流量，入下塔参与精馏的加 工空气流量与主冷液位变化，主冷蒸发侧液氧蒸发 量变化，上塔提馏段上升蒸气流量变化，氩馏分流量 变化。
调节低压膨胀空气流量，上塔提馏段上升蒸气 流量变化幅度较小，氩馏分流量运行值不易控制，氧 气产量、氩馏分氩含量与主冷安全运行值限制氩馏 分流量调节范围。
低压膨胀空气流量调节方法，不适用于氧气外 压缩流程空分设备正常运行状态时氩馏分流量调 节。
1.3 粗氩塔
粗氩冷凝器热负荷变化，改变粗氩Ⅰ塔、粗氩Ⅱ 塔上升蒸气液化量、回流液体蒸发量，改变粗氩Ⅰ 塔、粗氩Ⅱ塔运行压力，直接影响入粗氩塔进行氧、 氩组分分离的氩馏分流量运行值。
1． 3． 1 粗氩冷凝器蒸发侧
粗氩冷凝器蒸发侧压力、液空液位、液空蒸气流 量、液空氧含量变化直接影响粗氩冷凝器热负荷，使入粗氩冷凝器冷凝侧与蒸发侧液空进行换热的气态 粗氩流量变化，氩馏分流量变化。
改变粗氩冷凝器蒸发侧压力、液空氧含量，使粗氩冷凝器蒸发侧与冷凝侧温差变化，粗氩冷凝器热负荷变化幅度较小。上塔压力运行值、粗氩冷凝器压力安全值与氧气纯度、氩馏分氩含量限制粗氩冷凝器蒸发侧压力、液空氧含量调节，氩馏分流量调节范围较小。
粗氩冷凝器蒸发侧压力、液空氧含量调节方法，适用于氧气外压缩、内压缩流程空分设备粗氩塔投运时氩馏分流量小幅度调节。
改变粗氩冷凝器液空液位、液空蒸气流量，使粗 氩冷凝器蒸发侧与冷凝侧传热量变化，粗氩冷凝器 热负荷变化幅度大。粗氩冷凝器液空液位安全运行 值限制粗氩冷凝器液空液位、液空蒸气流量调节，氩 馏分流量调节范围大，氩馏分流量运行值易控制。
粗氩冷凝器液空液位、液空蒸气流量调节方法， 适用于氧气外压缩、内压缩流程空分设备粗氩塔投 运、正常运行状态时氩馏分流量不同幅度调节。
1． 3． 2 粗氩冷凝器冷凝侧
入粗氩塔氩馏分氩含量、粗氩冷凝器冷凝侧气 态粗氩氮含量变化影响粗氩冷凝器换热面积，同时 粗氩冷凝器冷凝侧抽取的气态粗氩流量变化影响粗 氩冷凝器换热物料量变化，使粗氩冷凝器热负荷变 化，氩馏分流量变化。
改变入粗氩塔氩馏分氩含量、粗氩冷凝器冷凝 侧气态粗氩氮含量，粗氩冷凝器热负荷变化大，为避 免粗氩塔发生氮塞，粗氩冷凝器冷凝侧氮气含量运 行值限制氩馏分氩含量、气态粗氩氮含量调节，氩馏 分流量调节范围较小，氩馏分流量运行值不易控制。
氩馏分氩含量、气态粗氩氮含量调节方法，适用 于外压缩、内压缩流程空分设备粗氩塔投运时氩馏 分流量小幅度调节。
改变粗氩冷凝器冷凝侧抽取的气态粗氩流量， 粗氩冷凝器热负荷变化较小，气态粗氩中氧氮氩含 量限制气态粗氩流量调节，氩馏分流量调节范围小， 氩馏分流量运行值易控制。
气态粗氩流量调节方法，适用于外压缩、内压缩 流程空分设备粗氩塔投运、正常运行状态时氩馏分 流量较小幅度调节。
2 氩馏分流量调节方法运用实例
2． 1 空分设备热开车粗氩塔投运阶段
在马钢20 000 m3 /h 液氧内压缩流程空分设备 热开车粗氩塔投运阶段，根据粗氩塔不同工况，将氩 馏分流量调节分为3 个阶段操作。第1 阶段: 粗氩塔积液工况 在空分设备热开车主塔运行工况稳定，将氩馏 分氩含量调至不大于8% 时，投运粗氩塔。从下塔 塔釜抽取液空、上塔提馏段抽取氩馏分对粗氩冷凝 器、粗氩Ⅱ塔塔釜进行积液。
根据下塔液空液位、氩馏分氩含量变化，逐步手 动开启粗氩冷凝器液空进液阀、液空蒸气流量调节阀、液空恒流阀，开大气态粗氩放空阀，逐步提高粗 氩冷凝器液空液位，使粗氩Ⅱ塔内气态氩馏分液化 量增加，粗氩Ⅱ塔塔釜液位逐步升高，粗氩Ⅱ塔压力 降低，入粗氩塔氩馏分流量逐步增加。
在粗氩Ⅱ塔塔釜液位升至大于低报警值小于正 常运行值时，提前启动循环粗氩泵运行，为粗氩塔Ⅰ 塔提供回流液体，增大粗氩Ⅰ塔内气态氩馏分液化 量，降低粗氩Ⅰ塔压力，提高上塔提馏段抽取氩馏分 流量。
根据主换热器中部温度、主冷液位、氩馏分流量 变化，同步增大高压空气、中压膨胀空气、低压空气 流量。同时，根据氧气纯度、氩馏分氩含量变化，调 节循环粗氩泵低负荷运行，不使上塔提馏段氩馏分 抽口位置的上升蒸气液化量增大。
第2 阶段: 粗氩塔调纯工况
在粗氩冷凝器液空液位、粗氩Ⅱ塔塔釜液位升 至正常运行值时，将高压空气、中压膨胀空气、低压 空气流量调至正常运行值，氩馏分氩含量调至8%， 对粗氩塔气态粗氩进行调纯。
根据粗氩Ⅰ塔、粗氩Ⅱ塔阻力，将粗氩冷凝器蒸发 侧液空蒸气流量、压力调至正常运行值，气态粗氩流 量运行值减至正常运行值的30%，同时将循环粗氩 泵调至正常运行负荷，增大粗氩Ⅰ、Ⅱ塔上升蒸气液化 量，使20 000 m3 /h 空分设备氩馏分流量升至加工空 气总量26%的27 000 m3 /h，缩短粗氩塔调纯时间。
第3 阶段: 粗氩塔正常运行工况
在气态粗氩中氧氩含量达到正常运行值，逐步 将气态粗氩流量增至正常运行值时，同时根据氩馏 分氩含量，调节液氮产量，将20 000 m3 /h 空分设备 氩馏分流量调至正常运行值，即20 000 m3 /h 空分 设备氩馏分流量正常运行值为加工空气总量25% 的26 200 m3 /h，保持粗氩塔运行工况稳定。
2． 2 空分设备正常运行变负荷状态
在夏季高温状态，马钢35 000 m3 /h 氧气外压 缩流程空分设备加工空气总量减至140 000 m3 /h， 为保持空分设备精馏工况稳定，对主塔、粗氩塔进行 减负荷操作，降低进入粗氩塔参与精馏的氩馏分流 量。在保持氧气纯度、氩馏分氧含量稳定时，对粗氩 塔、主塔精馏工况进行调节，降低氩馏分流量。
粗氩塔工况调节: 35 000 m3 /h 空分设备氩馏分 流量正常运行值为加工空气总量20%，在35 000 m3 / h 空分设备140 000 m3 /h 加工空气总量状态时， 初步调节氩馏分流量为28 000 m3 /h。
在保持气态粗氩中氧氩含量不变时，同步降低 氩馏分流量、气态粗氩流量。将粗氩冷凝器液空液 位进液阀投入自动调节状态，粗氩冷凝器液空液位 设定值减至68%自动调节。同时，保持粗氩冷凝器 液空恒流阀手动开启状态，使粗氩冷凝器全浸浴运 行，保证设备运行安全。
根据氩馏分流量降幅、粗氩冷凝器蒸发侧压力 升幅，将粗氩冷凝器液空蒸气流量调节阀改为手动 调节状态，逐步手动降低粗氩冷凝器液空蒸气流量， 降低氩馏分流量。同时，根据气态粗氩氧含量变化， 同步降低粗氩液化器、精氩塔热负荷，降低气态粗氩 流量，保证粗氩塔运行工况稳定。
主塔工况调节: 35 000 m3 /h 空分设备氧气提取 率为98． 5%，在35 000 m3 /h 空分设备140 000 m3 /h 加工空气总量状态时，根据物料、组分平衡原理，将 氧气产量、液氧产量减至28 700 m3 /h、100 m3 /h，保 持氧气纯度、氩馏分氧含量稳定。同时，根据氩馏分 氧含量、液氮纯度、主冷液位变化，降低液氮产量。以此，不使氩馏分流量波动。
3 结束语
空分设备下塔、上塔、粗氩塔不同的精馏工况影 响氩馏分流量因素不同，对氩馏分流量采用的调节 方法也不同。
在马钢20 000 m3 /h 液氧内压缩流程空分设备 与35 000 m3 /h 氧气外压缩流程空分设备热开车及 冷开车粗氩塔投运阶段、正常运行变负荷状态，通过 对空分设备影响氩馏分流量因素分析，针对性运用 适合不同精馏工况的各种氩馏分流量调节方法，使 氩馏分氩流量调节时间短、氩馏分氩流量运行值稳 定。