空分內壓縮流程提取粗制氪氙氣體的研究

孫濤

(邯鄲鋼鐵集團公司氣體廠,河北邯鄲 056107)

空分內壓縮流程提取粗制氪氙氣體的研究

孫濤

(邯鄲鋼鐵集團公司氣體廠,河北邯鄲 056107)

大型空分內壓縮流程氪氙粗制氣體提取對主塔以及粗氬塔的影響,投運過程中遇到的問題,以及問題的分析解決,最終實現在保證空分穩定運行的前提條件下,提取合格的氪氙粗制產品

氪氙 主塔 粗氬塔 換熱 流量 壓力

邯鋼7#制氧機為內壓縮流程、全精餾、全提取的35000Nm3/h空分設備,能根據生產的需要,實現自動變負荷操作。產品包含氧氣、氮氣、氬氣和粗氖氦氪氙氣體。該工藝流程復雜,操作技術要求高。由于提取氖氦氪氙氣體產品時,影響空分裝置的穩定性,只是在調試階段試投運過,期間造成主塔及粗氬塔運行極其不穩定,后來很長時間一直未投運。

首先,簡單介紹下內壓縮流程全提取工藝：

空氣經過空壓機壓縮,氮水預冷系統冷卻,分子篩凈化后,分兩路。一路直接進入主板式E01與返流氣體換熱。一路經過增壓機壓縮。增壓機分兩段壓縮,一段壓縮后,一部分經過二段壓縮至5．4MPa,與返流高壓液氧換熱,經過高壓節流閥FV1521降壓后進入粗氬塔K12和下塔K01。另一部分經過增壓膨脹機ET01膨脹冷卻后進入下塔。工藝流程簡圖(圖1)。

冷卻后空氣接近液化溫度(-173℃)送入下塔,經過精餾,在頂部達到純液氮、中壓氮氣。底部達到富氧液空。純液氮在過冷器E03中過冷后,一部分送入純氮塔K03中過冷后作回流液。富氧液空一部分經過LV1601送入低壓塔K02作為回流液。另一部分經過LV1711送入粗氬塔冷凝器E10,作為冷源。從低壓塔K02中部抽取部分餾分送入粗氬塔K10,除掉氧組分,頂部產生粗液氬。回流液由頂部E10富氧液空汽化產生。粗液氬送入精氬塔,除掉氮組分,產生液氬送入液氬貯槽。在粗氬塔輔塔K12,進一步洗滌氪氙,氪氙富集在K12底部。從低部取出氪氙原料氣送入液氧過濾器,吸附碳氫化合物,送入氪氙積聚塔K90進一步精餾,在K90底部達到貧Ke+Xe。

第二：氪氙系統投運過程中存在的問題：(1)粗氬塔K10熱負荷加大,蒸發量(FIC1712)加大,同樣流量的情況下,閥門開度變小5%,K12頂部壓力(PIC1712)升高,造成粗氬塔工作不穩定,經常發生“氮塞”事故。(2)上塔不穩定,氮純度從0．5PPm經常上漲到2PPm,餾分含氮量偏多,氧純度隨著餾分變化波動。(3)下塔去上塔液空LV1601控制流量FI1599從正常49000 Nm3/h↑54000 Nm3/h。(4)下塔污液氮明顯不足,調節閥FV1557經常從正常開度60%↑100%。(5)下塔去上塔液氮流量也減少約5000Nm3/h。

第三,問題的研究與分析：

(1)消除下塔液空液位變化帶來影響。當投運氪氙時抽取約4300 Nm3/h中壓空氣,經過E90、E95換熱后,變成液空,返回到粗氬塔E10,這樣去粗氬塔的液空在粗氬塔蒸發負荷不變的情況下,會減少從下塔底部經過LV1711抽取的液空,導致下塔液空就會上漲。下塔液空液位是通過LV1601自動調節,當液位升高會自動增加閥門開度,這個變化可以從該支路上流量FI1559檢測到,投運氪氙后,FI1559的流量明顯增加,約4000Nm3/h。由于該支路液空不是從底部抽取,是從在空氣進料口上部約2M部位,這樣就會改變該段回流比。同時該支路是經過E03過冷換熱器,改變了過冷器的換熱溫差。為了消除這一變化,當投運氪氙時,將液空去E10支路上的旁通閥(FV1555)維持一定開度,大約11%,保持液空去E10支路上的液空流量不變。進而保證LV1601支路上的液空量不變,消除FI1559變化的影響。

圖1

(2)消除下塔液氮流量變化帶來影響。下塔液氮流量設計上與投運氪氙的中壓空氣流量有聯系。具體關系為：

FIC1558．SV＝FIC1294×P01－FIC1731．SV×P02－FIC5023．SV

FIC1558．SV——液氮流量設定值

FIC1294 ——精餾空氣量

FIC1731．SV ——去精氬塔做熱源中壓氮氣流量

FIC5023．SV ——下塔去氪氙系統的中壓空氣

P01、P02——系數

下塔液氮量在投運氪氙系統時,變化較大,大約4000Nm3/h,這是影響氮氣純度波動的主要原因,為了消除氮純度變化,通過實驗,FIC5023變化量的0．3倍作為液氮改變量較為合適。為此修改液氮流量設定值公式為：

FIC1558．SV＝FIC1294×P01－FIC1731．SV×P02－FIC5023．SV×0．3

經過以上兩方面的操作調整,下塔的工況基本穩定。

第四,氪氙系統的投運：

首先,緩慢開啟FV1724A,從粗氬塔E10底部引出富含氪氙富氧液空,同時關閉FV1724C,保持從E10底部抽出的富氧液空FI1724量維持在2700Nm3/h．當E90和E95全浸后,液位控制在102%。K90的頂部壓力投入自動,經過PV5016調節,壓力設計是38KPa,閥門經常處于全開無法調節,經過試驗壓力設定在67KPa,調節比較穩定。從下塔緩慢抽取中壓空氣,逐漸開啟FV5023,當FIC5023流量達到2800 Nm3/h, E95液位(LI5020),穩定后,逐漸打開FV5024,直到FIC5024到1500Nm3/h,E90液位(LI5022)穩定后,將FIC5024投入自動。隨著K90工作,打開FV5025,從K90頂部引入液空作為回流液,該支路液空約800Nm3/h。氪氙在氪氙塔K90逐漸濃縮,最終達到氪含量約3000PPm,氙含量約230PPm的貧氪氙液。

運用物料平衡的原理,分析精餾塔各段回流比,消除了投運氖氦氪氙系統對整個空分裝置的影響,實現了空分裝置氪氙粗制產品的提取,提高了氪氙運行過程中主塔及粗氬塔運行穩定性。

[1]李華治.《制氧技術》．冶金工業出版社.

[2]楊世銘.《傳熱學》．高等教育出版社.