孫全海（揚子石化烯烴廠空分車間，南京大廠區，210048）
摘要：針對揚子20000m3/h空分裝置在原mpc控制下氬產量偏低這一事實，利用汽液相平衡和相對揮發度的概念，分析指出了造成氬產量偏低的主要原因是氬餾分中的氬含量過低，提出應將氬餾分中的氬含量提高至10×10-2以上。通過更改mpc的控制策略和資料，使得氬提取率達到了90×10-2的設計指標，年經濟效益500萬元以上。
圖1表2參2。
關鍵詞： 空分裝置氬產量分析 mpc
1 問題的提出
揚子20000m3/h空分裝置是我公司從美國praxair引進的，它採用的是膨脹空氣進下塔的內壓縮流程，上塔和氬塔使用了規整填料塔，利用全精餾的方法從空氣中提取氬產品。一般來說，採用上述幾種先進技術的空分裝置應當可以得到較高的氬提取率。
但實際上，這套空分裝置在原mpc控制下的氬提取率尚不到60×10-2，遠低於90×10-2的設計指標。氬在空氣中的含量雖不多（0.932×10-2），揚子各化工生產裝置也不需要用氬，但它是一種較有價值的產品，在當今的氣體市場上一直供不應求。
因此，如果能設法將氬提取率提高至接近或達到設計指標，增加這種副產品的產量，則其經濟效益是很明顯的。而本文通過計算和分析認為，只要對原執行工況作某些調整，達到90×10-2左右的的氬提取率是完全可能的。
2 對原執行工況的分析
2.1 氬系統簡介
揚子20000m3/h空分裝置氬塔示意圖見圖1所示。從空分裝置上塔的下部抽出幾乎不含氮的氧氬混合氣體（氬餾分）進入氬塔底部，並在氬塔內的上公升過程中被塔內回流液體精餾掉幾乎所有的氧，上公升氣體在到達氬塔頂部時其氧含量只有1×10-6左右。氬塔頂部的氣體在進入氬冷凝器被冷凝成液體後，全部送入氬塔作為氬塔精餾的回流液體，液氬產品由離塔頂數級的位置取出。
設氬餾分的流量為v，氬餾分中氬含量ya；塔底回流液流量為l，氬含量xa；產品液氬流量為d，氬含量xd。則很明顯有以下兩個物料平衡方程式：
1）2）
2.2 原執行工況與設計工況的比較
將原執行資料與設計工況相比較，有利於找出原工況氬產量偏低的癥結所在，故列出原執行資料和設計工況中與液氬產量密切相關的幾個資料，見表1。表1中「原工況」是指2023年5月16日0:00～24:
00，mpc控制時連續24小時內的平均值。為便於比較，已將進冷箱空氣流量放大至設計值，氬餾分、汙氮氣、氧氬產品各流量則根據空氣的放大比例作了相應調整。氬產品純度指其中的含氧量，單位10-6；流量單位m3/h（折合氣態，下同）。
表1 原工況與設計工況比較
由表1可以看出，原執行工況中的氬餾分濃度遠低於設計值，氧產品純度則高於設計值，汙氮氣中的氧含量也遠高於設計值。而本文以下部分將要說明，正是氬餾分濃度過低及汙氮氣中的氧含量過高制約了氬產量的提高。
2.3 氬餾分濃度與氬產量的關係
設氬含量為ya的氬餾分氣體在穿過第一塊理論塔板後濃度變為ya1，由於在氬塔內氬相對於氧而言是易揮發組分，很明顯ya1≥ya；根據理論塔板的概念，離開某塊理論塔板的汽液相之間應該成相平衡，故氬含量為ya1的氧氬混合氣體應當與粗氬塔底的回流液體（氬含量為xa）之間成相平衡。如果粗氬塔底氬對氧的相對揮發度為αao，則根據相對揮發度的定義，有：
3）由（3）可得：
4）由於ya≤ya1，則將ya替換式（4）右邊分式中的ya1後，右邊分式應當減小（分子減小而分母增大，則分式必定減小）或不變。這樣就得到以下不等式：
5）因氬產品純度xd≈1，結合式（1）、（2）和（5）就很容易解出氬產量d與相對揮發度αao、氬餾分氣體流量v及氬餾分濃度ya三者之間存在下列關係：
6）在粗氬塔底氬對氧的相對揮發度約為1.5[2]（在大多數情況下實際上略小於1.5），現就以αao=1.5代入式（6），即可得到：
7）式（7）表明，通常情況下，氬產量不可能超過氬餾分中氬總量的三分之一。
2.4 制約氬產量的幾個主要因素
由式（6）可以看出，即使不考慮氬塔本身的因素，氬產量d也受到粗氬塔底氬對氧的相對揮發度αao、氬餾分氣體流量v、氬餾分中的氬含量ya這三個因素的制約。現對這三個影響因素分別加以討論。
增大氬對氧的相對揮發度αao可以提高氬的收率，但一般情況下只有通過降低操作壓力才能增大相對揮發度。而實際上，因分子篩純化器再生需要一定的汙氮氣壓力，氮氣壓縮機、水蒸發冷卻塔等都要求一定的氮氣出冷箱壓力，氮氣和汙氮氣管路的阻力、上塔阻力等在實際操作中又幾乎是無法改變的，因而，氬餾分壓力幾乎是無法降低的。這也就是說，實際操作中幾乎不能指望通過增大氬對氧的相對揮發度來提高氬的產量。
增大氬餾分氣量v也可以提高氬的產量，但氬餾分氣量受到氬塔流通能力的限制，過大的氣量將導致氬塔的效能降低，嚴重時可引起液泛。另一方面，從上塔抽出的氬餾分氣量越多，則上塔氬餾分抽口以上段的上公升氣量就越少，這樣可能使得氬餾分中的氮含量增高，從而使得氮氣進入氬塔內。眾所周知，氮的沸點比氬更低，進入氬塔內的氮氣不能象氧一樣通過精餾的方法除去，其結果液氬產品中的氮含量將會超標，嚴重時可使得氬冷凝器不能正常工作。
當然，實際操作中還是可以充分利用氬塔和上塔的設計餘量，適當增大氬餾分氣量，這樣做不僅對氬產量和純度有利，對氧純度也是有一定好處的（因為這樣在較低的氬餾分濃度下就可以得到與原來同樣多的氬產量）。
提高氬產量的主要手段應該是設法增大氬餾分中的氬含量ya，由表（1）也可以清楚地看出，原執行工況中的氬餾分氣量已經比設計值大7.5×10-2，已經很難再大幅度增加了（設計餘量一般為10×10-2左右）。而原工況氬餾分中的氬含量卻只有設計值的41.
6×10-2，很明顯，正是氬餾分中氬含量過低才導致了氬產量偏低。這也可以通過將具體的資料代入不等式來說明。
如果相對揮發度αao為1.5[2]，氬餾分氣量v為23756m3/h，氬餾分濃度ya為0.065（表1），代入不等式（6），則有：
而實際上氬產量為503m3/h，與理論上所可能達到的最大產量（最小回流、氬塔在不考慮塔板阻力的情況下需要無窮多塊理論塔板）已經相差不多，這說明了在氬餾分中氬含量較少時，氬餾分氣體與粗氬塔底回流至上塔的液體之間已經接近於達到相平衡狀態。
如果將氬餾分濃度提高至10×10-2，氬餾分氣量增加至24000m3/h（差不多已相當於氬塔所允許的最大氣量），則液氬產量在不考慮氬塔因素的情況下理論上所可能達到的最大值為：
由於氬塔的理論塔板數實際上是有限的，且粗氬塔底氬對氧的相對揮發度實際上略小於1.5，因此在24000m3/h氬餾分流量及10×10-2氬餾分濃度下通常是不能達到800m3/h的液氬產品流量的。這也就是說，要想達到90×10-2左右的氬提取率（相當於滿負荷時產量約800m3/h），必須將氬餾分中的氬含量提高至10×10-2以上。
3 工況的調整
3.1 上塔工況的調整
以上分析已經指出，只有提高氬餾分中的氬含量才可能增加氬的產量，而氬餾分氣體來自於空分裝置的上塔，故必須首先對上塔工況加以調整。
在進冷箱空氣量一定時，增大從上塔取出的液氧量，適當降低氧產品的純度，則上塔內的富氬區下移，氬餾分中的氬含量會增大，而汙氮氣中的氧氬含量則減少。但過分增大氧產品的取出量，氧純度會不合格；而對於氬餾分來說，如果氧產量和氬產量之和過大，則氮組分就容易進入氬餾分中，這將使得氬產品中的氮含量超標，嚴重時甚至引起氬冷凝器氮塞，氬塔和主塔的工況被破壞。因此，實際調整時，應在對空分工藝過程有充分的理解後小心謹慎地操作，並且要留有一定的餘地，以防止由於純化器切換等原因引起工況波動時造成氧純度超標甚至氬塔工況被破壞。
有關氬餾分中氬含量的影響因素，我們建立了上塔下部（即氬餾分抽口以下段）的數學模型。模型指出：上塔下部的理論塔板數越多，壓力越低（即相對揮發度越大），該段的液汽比越小，氧純度越低，則氬餾分中的氬含量就越高。
有關氬餾分中氮含量的影響因素，我們建立的數學模型指出：氬餾分中的氮含量，主要由上塔內氬餾分抽口以上至氬冷凝器蒸發空氣入口以下段的工況所決定，該段的理論塔板數越多，壓力越低（相對揮發度越大），液汽比越小，氬冷凝器蒸發空氣入口處上塔內汽液相中的氮含量越低，則氬餾分中的氮含量就越低。增大氧產品、氬產品的流量，增大氬餾分氣量等，都會使得該段的液汽比增大。
氬冷凝器蒸發空氣及未蒸發液空中的氮含量較高，而氬含量較低，較多的蒸發空氣及未蒸發液空進入上塔後，會使得氬冷凝器蒸發空氣入口處上塔內汽液相中的氮含量增高，並且不利於氬在上塔中下部位置的聚集。
一般來說，採用規整填料上塔且膨脹空氣進下塔的內壓縮流程，它的氬餾分中的氬含量要比普通的膨脹空氣進上塔的空分裝置高，而氮含量卻可以比後者更低。這其中的原因，我們認為主要就是由於通常採用規整填料上塔的理論塔板數較多，同時膨脹空氣進下塔流程的上塔液空進料口以下段的液汽比更小，以及上塔下部的壓力更低（即各組分之間的相對揮發度較大）的緣故。
3.2 氬塔工況的調整
對氬塔工況的控制主要是控制氬餾分氣量和液氬產品的取出量。一般來說，在氬餾分濃度和液氬產品的取出量一定時，氬餾分氣量在一定範圍內增大時，則氬塔內的回流比增大，氬純度會變好（即液氬產品中的氧含量降低）；在氬餾分氣量及氬餾分中的氬含量一定時，當增大液氬產品的取出量時，則氬塔回流比減小，液氬產品中的氧含量會有所公升高（氬純度變差）。
另一方面，由於氬餾分氣體來自於上塔，而粗氬塔底的回流液體又返回上塔，故對於氬塔工況的調整一定會影響到上塔。具體說來，增大氬餾分氣量時，上塔氬餾分抽口以上段的上公升氣量減少，相對於氧、氬組分來說是低沸點組分的氮就會下移，其結果氬餾分中的氮含量可能會公升高；當增大液氬產品的取出量時，由物料平衡很容易知道粗氬塔底返回至上塔的回流液體中的氬含量會降低，這樣氬餾分中的氬含量也會降低。由於在上塔下部液汽比不變的情況下，氬餾分中的氬含量越低，則產品氧的純度就越好，故當增大氬產品的取出量時，氧純度會公升高。
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