首页 >> 行业知识 >> 制氮机(制氮系统)提高氮产量

1 制氩系统简介
液化空气天津有限公司的一套200t/d空分设
备,由13本液空公司制造。由于公司备有制氢设
备,而且空分设备的粗氩塔为筛板结构,所以制氩
系统采用的还是加氢除氧制氩工艺。
200t/d空分设备的制氩工艺流程如图l所示。
将粗氩塔出来的粗氩气复热后,通过活塞式氩压机
(C70)压缩到0.35MPa(表压,下同),然后加入
过量的氢气,在反应器(r丌1)内钯触媒的催化下,
氢气与粗氩中的氧气进行化学反应,生成水;气流
通过空气冷却器、循环水冷却器及氟利昂冷冻机冷
却后,再经过铝胶塔(T78A/B)的吸附,除去其
中反应生成的水分后得到工艺氩气。
工艺氩气进冷箱,与精氩塔出来的液体氩进行
热交换,给精氩塔的精馏提供上升气流及热量。冷
却后的工艺氩被节流后,进入精氩塔参与精馏过
程,其中的氮及过量氢通过精馏分离后从塔顶部排
入大气,大部分的氩气在冷凝器(E76)内被空分
下塔过来的污液氮冷凝成液体,作为回流液参与精
馏过程后,进入集液器(E66)与工艺氩进行热交
换,然后通过静压差的作用进入液氩贮槽。E76为
管壳式换热器,铜管内流过的是工艺氩气。正常工
况下,污液氮的液位设为l100mm,精氩塔K56底
部的压力为0.063MPa,PIC—E767为0.033MPa。
2 故障现象
本制氩装置自1997年投产以来,我们根据13
本液空的操作手册对精氩塔的各个参数进行设置,
PIC.E768设为0.065MPa。但实际运行时,经常出
现精氩塔上下部压差增大的现象,上部放空阀门的
开度不断减小,污液氮的蒸发量逐渐减少,导致液
氩的产量减少。最后只能对整个精氩塔进行大加
温,然后重新投运制氩系统,才能恢复正常运转。
这种情况每年都要发生很多次,最严重时每月
要出现两次,而整个过程每次都要耗时8~lOh。
而且由于PIC—E768又设在0.065MPa左右,在投运
过程中,又经常发生同样的现象。最后导致每年的
氩产量均不能达到设计能力。
3 原因分析
通过多次对制氩系统的各个设备、管道及部件
进行认真细致的分析,并进行了相应的工艺调整,
我们判断这种现象应该是由氩在换热器部位由于过
冷而发生固化引起的。随着固化的加重,粘胶状的
氩在换热管表面不断堆积,而固态氩形成的膜的换
热系数远低于铜管壁,导致冷凝器内的换热能力下
降;而且由于管内的流通面积减少,在塔内压力不
断上升的同时,塔顶部的压力不断下降。而由于流
阻的增加,导致氩气与铜管的接触时间延长,更多
的氩在铜管表面凝固,形成恶性循环。
是什么原因造成氩在换热器部位的温度过低?
这可以从氩、氮的饱和蒸气压与温度的对应关系开
始分析。
氩、氮的饱和蒸气压与温度的对应关系见表1
和表2。氩的三相点为83.78K。
表1 氮的饱和蒸气压与温度的对应表
温度/K 81 82 83 84
压力/MPa 0.0525 0.0694 0.0877 0.1074
表2 氩的饱和蒸气压与温度的对应表
温度/K 87.29 88 89 90 91
压力/MPa 0 0.0o91 0.02O9 0.0337 0.0474
从表1、表2我们可以看出,在正常情况下,
E76内液氮的温度均比氩的液化温度低,考虑到换
热器铜管壁内外有2~3℃ 的温差, 即使PIC.E768
的设定值高到0.1074MPa,也能满足正常生产的温
度要求。
而当制氩系统刚开始投运时,进入K56的氩
气流量较小,通过E76时的流速较低,而且E76内
的换热面积没有减少,换热效果较好,氩可以被冷
却到较低的温度。如果此时PIC.E768的设定值较
低,就可能引起氩被冷却到三相点,而导致氩固
化,附着在换热管的表面,最终导致故障的发生。
经过以上分析,我们有针对性地在投K56时
先将PIC.E768的值设定为0.080MPa左右,再导入
氩气,这样,即使LIC.E760提升得较快也能一次
顺利投运成功。然后在正常运行时,将压力的设定
值下降到0.075MPa,就可以保证系统正常运行。
采用这种方法运行了一段时间,效果不错,液
氩的产量从2001年的1440t上升到2002年的
1550t。但在2003年底,又发生了类似的故障。
2003年12月11日精氩塔又发生压差突然上
升、产量下降等与以往类似的现象。我们又用原来
的方法进行加热及投运, 当LIC.E760液位在
400mm以下时,一切正常。但如果继续提升液位或
稍微降低PIC.E768的设定,马上又回到故障状态。
制氩系统只能维持在较低的产量下运行,产量从原
来的4.8t/d下降到4.1t/d。
经过分析和尝试,我们发现根本原因还是回到
饱和蒸气压与温度的关系上。由于从2003年开始,
氩压机的状态不是特别稳定,导致进精氩塔工艺氩
气的压力经常发生波动,而且在T78A/B切换时也
同样会发生压力波动的现象,这两者都可以引起进
塔的氩流量发生波动。而由于平时正常精馏时,冷
凝器内氩的分压较低,即使温度稍微低一点也不会
发生氩固化现象。而如果进塔的流量发生波动,在
某一瞬间,冷凝器内氩的分压升高到一定的数值,
氩就会在冷凝器内发生固化的现象。
4 处理措施及效果
我们在投运制氩系统时,将PIC.E768的设定
值提高到0.11MPa,然后先将液位提升到正常运转
的值,再将PIC.E768的设定值降到0.108MPa。由
于此时污液氮的沸点稍高于84K,高于氩的三相点
(83.78K),不管出现什么情况,也不会发生氩固化
的现象。
※ ※
根据这几个月的运行情况,在这种工况下,精
氩塔出来的液氩也有7~8℃ 的过冷度,而且E76
的温度一直高于固化点,换热面积不会减少,氩产
量不但没有下降,反而有些微上升,而且工况比原
来更为稳定。可以基本判断,采取措施后彻底解决
了氩固化的难题。
5 结束语
我们认为精氩塔内发生氩固化的根本原因就是
温度问题,只要将温度提升到氩气的三相点以上,
就不会发生氩固化现象。通过与兄弟单位的沟通,
也得到同样的结论。希望上面的这些观点能给相关
的技术人员一点启示。